(57)【要約】【課題】水素処理装置における水素の酸化処理の促進と、水素処理装置からの排出ガスの冷却とを、コストを抑制しつつ実現できること。【解決手段】水素を反応させる処理材として複数の酸化数を取り得る金属過酸化物を内蔵し、被処理ガス１に含有する水素を酸化処理して除去する水素処理装置１１と、被処理ガスを水素処理装置へ導入する入口配管１２と、水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、被処理ガスよりも高温の排出ガス２を水素処理装置外へ導く出口配管１３と、入口配管及び出口配管に配設され、出口配管内の排出ガス２の熱を入口配管内の被処理ガス１へ伝熱する再生熱交換器１４と、を有するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を反応させる処理材として複数の酸化数を取り得る金属過酸化物を内蔵し、被処理ガスに含有する水素を酸化処理して除去する水素処理装置と、
前記被処理ガスを前記水素処理装置へ導入する入口配管と、
水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、前記被処理ガスよりも高温の排出ガスを前記水素処理装置外へ導く出口配管と、
前記入口配管及び前記出口配管に配設され、前記出口配管内の前記排出ガスの熱を前記入口配管内の前記被処理ガスへ伝熱する再生熱交換器と、を有することを特徴とする水素処理設備。
【請求項２】
前記出口配管には、再生熱交換器をバイパスするバイパス配管が設けられ、このバイパス配管に、水素処理装置内の出口部位に設置された温度計の計測値に基づいて前記バイパス配管を開閉するバイパス弁が配設されたことを特徴とする請求項１に記載の水素処理設備。
【請求項３】
前記出口配管には再生熱交換器の下流側に、前記出口配管内の排出ガスを冷却するための出口熱交換器が配設されたことを特徴とする請求項１または２に記載の水素処理設備。
【請求項４】
前記出口熱交換器はプレート式熱交換器であり、送風機により強制送風された大気と出口配管内の排出ガスとが、前記プレート式熱交換器により熱交換されるよう構成されたことを特徴とする請求項３に記載の水素処理設備。
【請求項５】
前記出口熱交換器は、出口配管の外周にミストを噴出することで前記出口配管内の排出ガスを冷却するミスト冷却器を備えて構成されたことを特徴とする請求項３に記載の水素処理設備。
【請求項６】
前記ミスト冷却器は、このミスト冷却器内に配置された水源と、出口配管内の排出ガスの熱により前記水源の水を蒸発させて蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器からの蒸気と前記水源からの水とを混合してミストを噴出する蒸気インジェクタと、を備えて構成されたことを特徴とする請求項５に記載の水素処理設備。
【請求項７】
前記出口配管の周囲には、ミスト冷却器から噴出されたミストを、煙突効果により前記出口配管の外周に均一に導く環状流路配管が設置されたことを特徴とする請求項５または６に記載の水素処理設備。
【請求項８】
前記再生熱交換器及び前記プレート式熱交換器がステンレス材にて構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水素処理設備。
【請求項９】
水素を反応させる処理材として複数の酸化数を取り得る金属過酸化物を内蔵し、被処理ガスに含有する水素を酸化処理して除去する水素処理装置を用意し、
水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、前記被処理ガスよりも高温の前記水素処理装置からの排出ガスの熱を、前記水素処理装置へ導入される前記被処理ガスへ熱交換により伝熱することを特徴とする水素処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素を化学反応によって除去する水素処理装置を備えた水素処理設備及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の過酷事故時、原子炉格納容器内に水素が発生する。図４に示すように、従来の原子炉格納容器１００は、炉心（不図示）を収容する原子炉圧力容器１０１を格納している。原子炉格納容器１００内には、原子炉圧力容器１０１を包囲するように、上部ドライウェル１０２、下部ドライウェル１０３、及び上部ドライウェル１０２と図示しないベント管を介して接続されたウェットウェル１０４がそれぞれ設置されている。ウェットウェル１０４は、内部に水を貯蔵したサプレッションプール１０５を備える。
【０００３】
上述のような原子炉格納容器１００において、原子炉圧力容器１０１に接続された主蒸気管１０６が万一破断した場合、上部ドライウェル１０２に高温・高圧の原子炉一次冷却材である水が放出されて蒸発し、上部ドライウェル１０２内の圧力・温度が急激に上昇する。蒸発した水と上部ドライウェル１０２内の気体は混合し、この混合気体は、ベント管を通してサプレッションプール１０５にて吸収される。
【０００４】
また、原子炉圧力容器１０１内では、図示しない非常用炉心冷却系（ＥＣＣＳ）によりサプレッションプール１０５の水が注水されて炉心が冷却されるが、この冷却水は長期的には炉心から崩壊熱を吸収し、破断した配管の破断口から上部ドライウェル１０２へ流出する。このため、上部ドライウェル１０２内の圧力・温度は常にウェットウェル１０４よりも高い状態となる。
【０００５】
このような長期的な事象下で、軽水炉型（沸騰水型）原子力発電所の原子炉圧力容器１０１内では、冷却材である水が放射分解されて水素ガスと酸素ガスが発生する。更に、燃料被覆管の温度が上昇する場合には、水蒸気と燃料被覆管材料のジルコニウムとの間で水−金属反応が生じ、短時間で水素ガスが発生する。こうして発生する水素ガスは破断した配管の破断口から原子炉格納容器１００内に放出され、この原子炉格納容器１００内の水素ガス濃度が次第に上昇する。また、水素ガスは非凝縮性であるから原子炉格納容器１００内の圧力も上昇させる。
【０００６】
この状態で有効な対策を行なうことができずに水素ガス濃度が４Ｖｏｌ％、かつ酸素濃度が５Ｖｏｌ％以上に上昇すると、水素ガスは可燃状態となる。更に水素ガス濃度が上昇すると過剰な反応が起きる可能性がある。
【０００７】
そこで、従来の沸騰水型原子力発電所では、原子炉格納容器１００内で発生した水素、窒素、水蒸気の混合ガスをＰＣＣＳ（静的格納容器冷却系）１０７へ流入させる。このＰＣＣＳ１０７では混合ガス中の蒸気の大部分が凝縮し、発生した凝縮水は排水管１０８を通って上部ドライウェル１０２内に戻される。また、窒素と水素の混合ガスは配管１０９を通り、水素処理装置１１０へ流入する。この水素処理装置１１０で、水素は処理材と化学反応して除去され、そのときの反応熱によって高温となった窒素ガスは水素処理装置１１０から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−２４６１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
背景技術で述べた水素処理装置１１０においては、水素と酸素の反応熱によって、水素処理装置１１０から排出される排出ガスの温度が既設の配管使用温度２００℃よりも高くなってしまう。
【００１０】
従来の技術では、この高温の排出ガスを、冷却器を用いて、原子炉格納容器１００へ戻すことのできる配管使用温度（約２００℃）以下まで冷却し、更に、水素処理装置１１０での反応を持続させるために、水素処理装置１１０へ供給する被処理ガスの温度を、ヒータを用いて高める技術が開示されている。ところが、この従来技術では、冷却器及びヒータが水素処理装置１１０に対し別途設置されることになるので、コストの上昇を招くという課題がある。
【００１１】
本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、水素処理装置における水素の酸化処理の促進と、水素処理装置からの排出ガスの冷却とを、コストを抑制しつつ実現できる水素処理設備及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態における水素処理設備は、水素を反応させる処理材として複数の酸化数を取り得る金属過酸化物を内蔵し、被処理ガスに含有する水素を酸化処理して除去する水素処理装置と、前記被処理ガスを前記水素処理装置へ導入する入口配管と、水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、前記被処理ガスよりも高温の排出ガスを前記水素処理装置外へ導く出口配管と、前記入口配管及び前記出口配管に配設され、前記出口配管内の前記排出ガスの熱を前記入口配管内の前記被処理ガスへ伝熱する再生熱交換器と、を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の実施形態における水素処理方法は、水素を反応させる処理材として複数の酸化数を取り得る金属過酸化物を内蔵し、被処理ガスに含有する水素を酸化処理して除去する水素処理装置を用意し、水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、前記被処理ガスよりも高温の前記水素処理装置からの排出ガスの熱を、前記水素処理装置へ導入される前記被処理ガスへ熱交換により伝熱することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、水素処理装置における水素の酸化処理の促進と、水素処理装置からの排出ガスの冷却とを、コストを抑制しつつ実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る水素処理設備を示す系統図。
【図２】図１の出口熱交換器として機能するプレート式熱交換器を示す説明図。
【図３】第２実施形態に係る水素処理設備を示す系統図。
【図４】従来の水素処理設備を、沸騰水型原子力発電プラントに適用して示す系統図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１、図２）
図１は、第１実施形態に係る水素処理設備を示す系統図である。この図１に示す水素処理設備１０は、沸騰水型原子力発電プラントに適用されたものであり、原子炉過酷事故時に原子炉格納容器内で発生した水素を除去するものであって、水素処理装置１１、入口配管１２、出口配管１３、再生熱交換器１４、バイパス配管１５、及び出口熱交換器１６を有して構成される。
【００１７】
水素処理装置１１は、筐体２１に複数本の処理材収容体２２が、上部支持板２３及び下部支持板２４を用いて支持されている。処理材収容体２２は、水素と反応する処理材を通気可能に収容する。これらの処理材収容体２２は、上部支持板２３及び下部支持板２４にそれぞれ形成された貫通孔に挿通されることで、それぞれが独立した１個の流路を構成し、これらの処理材収容体２２内に被処理ガス１が図１の下方から上方へ向かって流れる。
【００１８】
ここで、水素と反応する処理材は、複数の酸化数を取り得る金属過酸化物が挙げられる。この金属過酸化物としては、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブテン（Ｍｏ）、（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、カドミウム（Ｃｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）等から選択される金属過酸化物が有効である。
【００１９】
この水素処理装置１１における処理材収容体２２内に被処理ガス１が流入すると、被処理ガス２１に含有する水素と処理材収容体２２内の金属過酸化物に含まれる酸素とが反応して水（水蒸気）が生成され、水素が酸化処理されて除去される。上述の水素と酸素の反応は発熱反応であり、反応が進むに従って被処理ガス１の温度が上昇して反応が促進される。また、筐体２１における出口部位には、水素が除去された被処理ガス１、つまり排出ガス２の温度を計測する温度計２５が設置される。
【００２０】
入口配管１２は、原子炉格納容器内で発生した被処理ガス１を水素処理装置１１へ導入するものであり、たとえばＰＣＣＳ（静的格納容器冷却系）と水素処理装置１１とを接続する。ＰＣＣＳは、原子炉格納容器内で発生した水蒸気、水素及び窒素の混合ガスを貯留水により冷却して水蒸気を凝縮し、この凝縮水を原子炉格納容器のドライウェルに戻すものである。ＰＣＣＳで除去されない水素及び窒素の混合ガスは入口配管１２を通り、被処理ガス１として水素処理装置１１へ導入される。
【００２１】
出口配管１３は、前述の如く水素処理装置１１内で水素を酸化する際の発熱反応により生じた、被処理ガス１よりも高温の排出ガス２を水素処理装置１１外へ導くものである。この出口配管１３は、たとえば水素処理装置１１と原子炉格納容器のウェットウェルとを接続し、水素処理装置１１にて水素が除去された排出ガス２が、上記ウェットウェルへ戻される。
【００２２】
再生熱交換器１４は、入口配管１２及び出口配管１３が近接する箇所に配置され、出口配管１３内の排出ガス２の熱を入口配管１２内の被処理ガス１へ熱交換により伝熱する。これにより、出口配管１３内の排出ガス２の温度が低下すると共に、水素処理装置１１内へ流入する前の入口配管１２内の被処理ガス１の温度が上昇して、水素処理装置１１内での水素と酸素との反応が促進される。尚、この再生熱交換器１４の構成部材は、耐熱温度の高いステンレス材にて構成されて、例えば約２００℃を超える温度領域でも使用が可能になる。
【００２３】
バイパス配管１５は、出口配管１３において再生熱交換器１４をバイパスして設けられたものであり、このバイパス配管１５にバイパス弁１７が配設される。このバイパス弁１７は、水素処理装置１１内の温度計２５の計測値に基づいてバイパス配管１５を開閉する。つまり、バイパス弁１７は、温度計２５における計測温度が指示値を超えたときにバイパス配管１５を開状態、つまり連通状態とし、水素処理装置１１からの排出ガス２を再生熱交換器１４に導くことなく、バイパス配管１５内に流動させる。温度計２５による計測温度が指示値以下のときにはバイパス弁１７がバイパス配管１５を閉状態し、水素処理装置１１からの排出ガス２をバイパス配管１５に流動させることなく、再生熱交換器１４へ導く。
【００２４】
出口熱交換器１６は、出口配管１３において再生熱交換器１４の下流側に配設される。この出口熱交換器１６は、再生熱交換器１４にて熱が奪われた排出ガス２、またはバイパス配管１５内を流動した排出ガス２を、それぞれ冷却するために設けられたものである。この出口熱交換器１６は、本実施形態では、図２に示すようにプレート式熱交換器２６である。このプレート式熱交換器２６は、複数枚のプレート２７が隙間２８を有して配置され、各プレート２７の両側の隙間２８を異なる温度の気体が同一または反対方向に流れることで、異なる温度の流体間でプレート２７を介して熱交換がなされる。
【００２５】
本実施形態の出口熱交換器１６としてのプレート式熱交換器２６では、図示しない送風機により強制送風された、排出ガス２よりも温度の低い大気３と、出口配管１３内の排出ガス２とが、プレート式熱交換器２６におけるプレート２７の両側の隙間２８をそれぞれ反対方向に流れることで、これらの排出ガス２と大気３との間で熱交換がなされて排出ガス２が冷却される。尚、このプレート式熱交換器２６（出口熱交換器１６）においても、再生熱交換器１４と同様に、プレート２７を含むプレート式熱交換器２６の構成部材が、耐熱温度の高いステンレス材にて構成されている。
【００２６】
以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）水素処理装置１１において水素を酸化処理する際の発熱反応により生じた、被処理ガス１よりも高温の出口配管１３内の排出ガス２の熱を、水素処理装置１１へ導入される入口配管１２内の被処理ガス１に、再生熱交換器１４を用いて熱交換により伝熱している。このため、排出ガス２を冷却するための専用の冷却装置や、被処理ガス１を加熱するための専用の加熱装置を別途用意してコストを上昇させることなく、水素処理装置１１へ導入される被処理ガス１の温度を上昇させて水素処理装置１１内での水素の酸化処理を促進でき、更に、出口配管１３内の排出ガス２を、出口配管１３を含む配管の使用温度（例えば約２００℃）以下まで冷却することができる。
【００２７】
（２）出口配管１３には、再生熱交換器１４をバイパスすると共にバイパス弁１７を備えたバイパス配管１５が配設され、バイパス弁１７が、水素処理装置１１内の出口部位に設置された温度計２５の計測値に基づいてバイパス配管１５を開閉する。このため、入口配管１２から水素処理装置１１内へ過剰な熱の被処理ガス１が流入する場合には、温度計２５の計測値が指示値を超えることになるので、バイパス弁１７がバイパス配管１５を開状態、つまり連通状態にする。この結果、水素処理装置１１内へ導入される入口配管１２内の過剰な熱の被処理ガス１が、再生熱交換器１４により更に温度上昇することがないので、水素処理装置１１内での水素と酸素の反応速度を適切に保持できる。
【００２８】
（３）出口配管１３における再生熱交換器１４の下流側には出口熱交換器１６が配設されて、出口配管１３内を流れる排出ガス２の冷却がなされるので、出口配管１３内の排出ガス２の温度を、出口配管１３を含む配管の使用温度（約２００℃）以下まで冷却することができる。特に、この出口熱交換器１６がプレート式熱交換器２６である場合には、出口配管１３内の排出ガス２を、例えば送風機で強制送風された大気３によって効率的に冷却することができる。
【００２９】
（４）再生熱交換器１４及びプレート式熱交換器２６（出口熱交換器１６）が耐熱温度の高いステンレス材にて構成されている。従って、約２００℃を超える温度となる排出ガス２に対しても、再生熱交換器１４及びプレート式熱交換器２６（出口熱交換器１６）の耐熱性を向上させることができる。
【００３０】
［Ｂ］第２実施形態（図３）
図３は、第２実施形態に係る水素処理設備を示す系統図である。この第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３１】
第２実施形態の水素処理設備３０が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態のプレート式熱交換器２６に代えて、出口熱交換器１６としてミスト冷却器３１及び環状流路配管３２が配置された点である。尚、バイパス配管１５、バイパス弁１７及び温度計２６については、第２実施形態において必須ではないが、図２の２点鎖線に示すように、バイパス配管１５が再生熱交換器１４を迂回するように配置されていてもよい。
【００３２】
ミスト冷却器３１は、出口配管１３の外周にミスト（水滴）６を噴出することで、出口配管１３内を流れる排出ガス２を冷却するものであり、水源３３、蒸気発生器３４及び蒸気インジェクタ３５を有して構成される。
【００３３】
水源３３は、ミスト冷却器３１の上方に配置されて水４を貯留する。また、蒸気発生器３４は、出口配管１３内の排出ガス２の熱により水源３３からの水４を蒸発させて蒸気５を生成する。また、蒸気インジェクタ３５は、蒸気発生器３４からの蒸気５と水源３３からの水４とを混合してミスト（水滴）６を噴出する。この蒸気インジェクタ３５では、蒸気５が水４により凝縮されるときに駆動力が生じて、ポンプ等の特別な駆動源を用いることなくミスト６が噴出する。
【００３４】
環状流路配管３２は、出口配管１３における立設部分の周囲に設置され、ミスト冷却器３１から噴出されたミスト６を、煙突効果によって出口配管１３の外周に均一に導く。出口配管１３の立設部分と環状流路配管３２との間の環状流路３６内では、出口配管１３内を流れる高温の排出ガス２によって上下間に空気の密度差が生じ、この密度差に基づく圧力差によって、下方から上方へ向かう空気の自然対流が発生して煙突効果が生ずる。この煙突効果は環状流路３６の上下間の圧力差に起因することから、環状流路３６を流れる空気の流速が均一になって、環状流路３６内に噴出されるミスト６も、出口配管１３の立設部分の外周に均一に導かれる。
【００３５】
以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）、（２）及び（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）及び（６）を奏する。
【００３６】
（５）ミスト冷却器３１が、水源３３からの水４と蒸気発生器３４からの蒸気５とを蒸気インジェクタ３５により混合することでミスト６を発生し、このミスト６を出口配管１３の外周に噴出することで、出口配管１３内を流れる膨大な熱量の排出ガス２を効果的に冷却できる。しかも、ミスト冷却器３１では、蒸気インジェクタ３５において蒸気５が水４により凝縮されることによりミスト６を噴出させる駆動力が発生するので、ポンプ等の駆動源が不要になる。
【００３７】
（６）出口配管１３の立設部分の周囲に環状流路配管３２が設置され、これらの出口配管１３と環状流路配管３２との間に、煙突効果を生じさせる環状流路３６が形成される。従って、この環状流路３６内にミスト冷却器３１からのミスト６が供給されることで、このミスト６を出口配管１３の外周に煙突効果により均一に導くことができる。この結果、出口配管１３内を流れる排出ガス２をミスト６により、出口配管１３を含む配管の使用温度（約２００℃）以下まで効率的に冷却できる。
【００３８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３９】
例えば、上述の各実施形態の水素処理設備１０、３０は、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉格納容器内で発生した水素を処理するものを述べたが、化学プラント等の他のプラントで発生した水素を処理する場合にも適用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…被処理ガス、２…排出ガス、３…大気、４…水、５…蒸気、６…ミスト、１０…水素処理設備、１１…水素処理装置、１２…入口配管、１３…出口配管、１４…再生熱交換器、１５…バイパス配管、１６…出口熱交換器、１７…バイパス弁、２５…温度計、２６…プレート式熱交換器、３０…水素処理設備、３１…ミスト冷却器、３２…環状流路配管、３３…水源、３４…蒸気発生器、３５…蒸気インジェクタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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