一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统及再生方法

1.一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统，其特征在于，包括水吸附床、与水吸附床串联的二氧化碳吸附床；
其中，水吸附床用于脱除氦中含氚废水至0.1ppm以下；二氧化碳吸附床用于脱除氦中二氧化碳至0.1ppm以下；
所述水吸附床内装填对水、氚水有强吸附作用的吸附剂；
所述二氧化碳吸附床内装填对二氧化碳有强吸附作用的吸附剂。
2.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，所述水吸附床内装填沸石分子筛。
3.根据权利要求2所述的净化系统，其特征在于，所述水吸附床内装填3A、4A、5A、10X或
13X类型沸石分子筛。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的净化系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附床内装填沸石分子筛。
5.根据权利要求4所述的净化系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附床内装填4A、5A、
10X或13X类型沸石分子筛。
6.一种权利要求1～5任意一项所述高温气冷堆冷却剂优化净化系统的运行方法，其特征在于，所述水吸附床和二氧化碳吸附床的净化工作温度均为5-25℃。
7.一种为权利要求1～5任意一项所述高温气冷堆冷却剂优化净化系统提供再生的氦净化再生系统，其特征在于，由隔膜压缩机、电加热器、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床和内设卸放管路的抽真空装置组成；形成水吸附床再生回路、二氧化碳吸附床再生回路、辅助水吸附床再生回路；且各再生回路上均设有抽真空装置。
8.根据权利要求7所述的氦净化再生系统，其特征在于，所述水吸附床再生回路为：将水吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成。
9.根据权利要求7所述的氦净化再生系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附床再生回路为：将二氧化碳吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床依次连接组成。
10.根据权利要求9所述的氦净化再生系统，其特征在于，在水/氦冷却器1和气/水分离器处还可设一带有水/氦冷却器2的旁路，并由此得到由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器2、辅助水吸附床依次连接组成的二氧化碳吸附床再生回路。
11.根据权利要求7所述的氦净化再生系统，其特征在于，所述辅助水吸附床再生回路为：由氦净化再生系统形成辅助水吸附床再生自循环回路，由隔膜压缩机、电加热器、辅助水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成；
其中，所述辅助水吸附床中装填对水、氚水有强吸附作用的吸附剂。
12.根据权利要求11所述的氦净化再生系统，其特征在于，所述辅助水吸附床中装填沸石分子筛。
13.根据权利要求12所述的氦净化再生系统，其特征在于，所述辅助水吸附床中装填
3A、4A、5A、10X或13X类型沸石分子筛。
14.权利要求7～13任一所述氦净化再生系统的再生方法，其特征在于，包括水吸附床的再生运行工艺、二氧化碳吸附床的再生运行工艺和辅助水吸附床的再生运行工艺。
15.根据权利要求14所述的再生方法，其特征在于，所述水吸附床再生运行方法具体为：向水吸附床再生回路内充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入水吸附床，使其在高温下加热再生；从水吸附床出来的热氦气经氦净化再生系统水/氦冷却器1降温后进入氦净化再生系统气/水分离器，其中饱和含氚废水冷凝后分离收集，最终排至高温气冷堆放射性废液系统；最后，水吸附床再生回路和水吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。
16.根据权利要求15所述的再生方法，其特征在于，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；
所述水吸附床再生温度为200-350℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至5℃-
25℃。
17.根据权利要求14所述的再生方法，其特征在于，所述二氧化碳吸附床再生运行工艺为：向二氧化碳吸附床再生回路内充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入二氧化碳吸附床，使其在高再生温度下加热再生；从二氧化碳吸附床出来的热氦气经氦净化再生系统水/氦冷却器降温后进入辅助水吸附床吸附微量水；隔离辅助水吸附床，对二氧化碳吸附床再生回路和二氧化碳吸附床进行抽真空操作；最后，二氧化碳吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。
18.根据权利要求17所述的再生方法，其特征在于，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；
所述二氧化碳吸附床再生温度为100-350℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至5℃-25℃；所述抽真空具体条件为：二氧化碳吸附床在100℃-200℃下抽真空至低于
100Pa。
19.根据权利要求18所述的再生方法，其特征在于，所述二氧化碳吸附床再生温度为
100℃-200℃。
20.根据权利要求14所述的再生方法，其特征在于，所述辅助水吸附床再生运行工艺为：将冷却剂优化净化系统与氦净化再生系统隔离，并形成辅助水吸附床再生自循环回路；
向辅助水吸附床再生回路中充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气在氦净化再生系统隔膜压缩机驱动下，经过氦净化再生系统电加热器，使辅助水吸附床在高温条件下再生，从辅助水吸附床出来的热氦气进入氦净化再生系统水/氦冷却器1冷却降温后进入氦净化再生系统气/水分离器，使辅助水吸附床中的含氚废水转移至氦净化再生系统气/水分离器处，最终高温气冷堆含氚废水排入放射性废水系统；最后辅助水吸附床降温至室温。
21.根据权利要求20所述的再生方法，其特征在于，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；
所述辅助水吸附床再生温度为200-350℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至
5℃-25℃。

一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统及再生方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统及再生方法，属于核反应堆技术领域。\n背景技术\n[0002] 高温气冷堆是以氦为冷却剂，具有第四代核能系统主要特征的新型核反应堆，具有固有安全性、发电效率高、系统简单和用途广泛等特点。在运行过程中会有多种化学杂质和放射性杂质进入一回路氦冷却剂中，通常设置氦净化系统用于控制氦冷却剂中的化学和放射性杂质浓度。\n[0003] 目前，氦净化系统通常依次设置氧化铜床、分子筛床和低温活性炭床对氦中气体杂质进行净化。其中，氧化铜床主要将氢气、氚和一氧化碳分别氧化为水、氚水和二氧化碳，并脱除微量氧气；分子筛床主要吸附水、氚水和二氧化碳；低温活性炭床用于吸附氮气、甲烷及氪、氙等放射性核素和剩余杂质气体。氧化铜床、分子筛床和低温活性炭床通常为间歇操作，通过设置的氦净化再生系统为氧化铜床、分子筛床和低温活性炭床提供再生，在对分子筛床再生时收集含氚废水并排至放射性废液系统。\n[0004] 然而，实际运行中，当分子筛床中含氚废水量较少时，很难将其脱附并有效收集起来，致使含氚废水在分子筛床内的滞留；而分子筛床用于同时吸附水和二氧化碳，分子筛床内的滞留水会导致分子筛对二氧化碳吸附容量的严重下降；因此在分子筛床再生时必须增设辅助水吸附床将分子筛床内的滞留含氚废水脱除干净，使含氚废水先转移到辅助水吸附床中，再通过再生辅助水吸附床收集含氚废水，如此大大增加了含氚废水收集复杂程度；并且由于含氚废水的存在，致使整个分子筛床的再生操作需在较高温度条件下进行，引起再生能耗的增加，降低了二氧化碳再生效率，不适合现代化工业发展需求。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是提供一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统及再生方法。本发明将水和二氧化碳净化进行吸附分离切割，避免水对二氧化碳吸附性能的影响；而且氦净化系统内的含氚废水可直接收集，无需转移，提高了高温气冷堆含氚废水收集运行效率；同时还降低了二氧化碳吸附剂的再生温度，提高二氧化碳吸附剂的再生效率。\n[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：\n[0007] 一种高温气冷堆冷却剂优化净化系统(即氦优化净化系统)，包括水吸附床、与水吸附床连接的二氧化碳吸附床；\n[0008] 其中，所述水吸附床用于脱除氦中含氚废水至0.1ppm以下；二氧化碳吸附床用于脱除氦中二氧化碳至0.1ppm以下。\n[0009] 其中，所述水吸附床内装填对水、氚水有强吸附作用的吸附剂，优选沸石分子筛，进一步优选3A、4A、5A、10X、13X等类型沸石分子筛。\n[0010] 其中，所述二氧化碳吸附床内装填对二氧化碳有强吸附作用的吸附剂，优选沸石分子筛，进一步优选4A、5A、10X、13X等类型沸石分子筛。\n[0011] 本发明通过将水和二氧化碳净化进行吸附分离切割，避免水对二氧化碳吸附性能的影响，有利于进一步提高二氧化碳吸附效率；而且利用水吸附床的再生系统可直接对冷却剂净化系统内的含氚废水进行收集，无需转移，从而提高了高温气冷堆含氚废水收集运行效率。\n[0012] 本发明所述的氦优化净化系统中，还可包括氧化铜床、低温活性炭床等其它用于净化氦气的装置。\n[0013] 本发明所述的高温气冷堆氦优化净化系统在运行时，所述水吸附床和二氧化碳吸附床的正常净化工作温度均为5-25℃。当水吸附床出口水浓度、二氧化碳吸附床出口二氧化碳浓度到达穿透点时，须对水吸附床、二氧化碳吸附床分别进行再生。\n[0014] 本发明提供为上述氦优化净化系统提供再生的氦净化再生系统，其由隔膜压缩机、电加热器、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床和内设卸放管路的抽真空装置组成；可形成水吸附床再生回路、二氧化碳吸附床再生回路、辅助水吸附床再生回路。\n[0015] 下面将对水吸附床再生回路、二氧化碳吸附床再生回路、辅助水吸附床再生回路及其再生运行工艺进行重点说明。\n[0016] 本发明所述的氦净化再生系统中，所述水吸附床再生回路为：将水吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成；\n[0017] 本发明所述的氦净化再生系统中，所述二氧化碳吸附床再生回路为：将二氧化碳吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床依次连接组成；优选地，在水/氦冷却器1和气/水分离器处还可设一带有水/氦冷却器2的旁路，并由此得到由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器2、辅助水吸附床依次连接组成的二氧化碳吸附床再生回路。\n[0018] 本发明所述的氦净化再生系统中，所述辅助水吸附床再生回路为：由氦净化再生系统形成辅助水吸附床再生自循环回路，由隔膜压缩机、电加热器、辅助水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成。其中，所述辅助水吸附床中装填对水、氚水有强吸附作用的吸附剂，优选沸石分子筛，进一步优选3A、4A、5A、10X、13X等类型沸石分子筛。\n[0019] 本发明为所述氦优化净化系统提供再生的氦净化再生系统还可包括氧化铜床再生回路、低温活性炭床再生回路。\n[0020] 本发明所述的氦优化净化系统的氦净化再生系统中，所有再生回路上均设有抽真空装置；优选地，所述抽真空装置设在辅助水吸附床出口处。\n[0021] 本发明还提供针对上述氦优化净化系统的再生方法，具体包括水吸附床的再生运行工艺、二氧化碳吸附床的再生运行工艺和辅助水吸附床的再生运行工艺。\n[0022] 其中，所述水吸附床再生运行方法具体为：向水吸附床再生回路内充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入水吸附床，使其在高温下加热再生；从水吸附床出来的热氦气经氦净化再生系统水/氦冷却器1降温后进入氦净化再生系统气/水分离器，其中饱和含氚废水冷凝后分离收集，最终排至高温气冷堆放射性废液系统；\n最后，水吸附床再生回路和水吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。\n[0023] 其中，优选地，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；所述水吸附床再生温度为200-\n350℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至5℃-25℃。所述水吸附床的再生流向优选与正常净化运行流向相反。水吸附床的再生流向与正常净化运行流向相反，可提高水吸附床再生效率，避免含氚废水由高浓度区向低浓度区转移。\n[0024] 所述二氧化碳吸附床再生运行工艺为：向二氧化碳吸附床再生回路内充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入二氧化碳吸附床，使其在较高再生温度下加热再生；从二氧化碳吸附床出来的热氦气经氦净化再生系统水/氦冷却器降温后进入辅助水吸附床吸附微量水；隔离辅助水吸附床，对二氧化碳吸附床再生回路和二氧化碳吸附床进行抽真空操作；最后，二氧化碳吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。\n[0025] 其中，优选地，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；所述二氧化碳吸附床再生温度为\n100-350℃，进一步优选100℃-200℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至5℃-\n25℃；所述抽真空具体条件为：二氧化碳吸附床在100℃-200℃下抽真空至低于100Pa。温度越高，二氧化碳吸附床再生能耗越大，二氧化碳吸附床优选再生温度为100℃-200℃；当辅助水吸附床吸附饱和时，通过辅助水吸附床再生回路对辅助水吸附床进行再生。\n[0026] 所述二氧化碳吸附床的再生流向与正常净化运行流向相反，可提高二氧化碳吸附床再生效率。辅助水吸附床用于吸附二氧化碳吸附床再生回路中的微量水。\n[0027] 所述辅助水吸附床再生运行工艺为：将氦优化净化系统与氦净化再生系统隔离，并形成辅助水吸附床再生自循环回路；向辅助水吸附床再生回路中充氦至低压，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器；氦气在氦净化再生系统隔膜压缩机驱动下，经过氦净化再生系统电加热器，使辅助水吸附床在高温条件下再生，从辅助水吸附床出来的热氦气进入氦净化再生系统水/氦冷却器1冷却降温后进入氦净化再生系统气/水分离器，使辅助水吸附床中的含氚废水转移至氦净化再生系统气/水分离器处，最终高温气冷堆含氚废水排入放射性废水系统；最后辅助水吸附床降温至室温。\n[0028] 其中，优选地，所述低压条件为0.5MPa-0.75MPa；所述辅助水吸附床再生温度为\n200-350℃；所述氦净化再生系统水/氦冷却器将氦气降温至5℃-25℃。\n[0029] 采用本发明所述的氦优化净化系统及再生方法，可在水吸附床再生时直接将含氚废水收集到氦净化再生系统气/水分离器中，提高含氚废水收集运行效率；同时，降低二氧化碳吸附床的再生温度至100-200℃，提高了高温气冷堆氦优化净化系统二氧化碳吸附床的再生运行效率。本发明可保证高温气冷堆冷却剂净化系统高效运行，对高温气冷堆技术实现产业化具有重要意义。\n附图说明\n[0030] 图1为本发明所述高温气冷堆氦优化净化系统及再生方法流程示意图。\n具体实施方式\n[0031] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。\n[0032] 实施例1 一种高温气冷堆氦优化净化系统\n[0033] 一种高温气冷堆氦优化净化系统，如图1所示，包括依次连接的氧化铜床、水吸附床、二氧化碳吸附床、低温活性炭床；\n[0034] 其中，水吸附床用于脱除氦中含氚废水至0.1ppm以下；二氧化碳吸附床用于脱除氦中二氧化碳至0.1ppm以下。\n[0035] 其中，所述水吸附床、二氧化碳吸附床内均装填5A类型沸石分子筛。\n[0036] 其中，氦优化净化系统正常净化运行时，水吸附床和二氧化碳吸附床工作温度均为5-25℃。\n[0037] 采用实施例1所述氦优化净化系统，可将水和二氧化碳净化进行吸附分离切割，避免了水对二氧化碳吸附性能的影响，提高了二氧化碳吸附效率。\n[0038] 实施例2 利用实施例1所述氦优化净化系统对高温气冷堆一回路中氦冷却剂进行净化\n[0039] 利用实施例1所述氦优化净化系统对高温气冷堆一回路中氦冷却剂净化过程简述如下：\n[0040] 一回路的冷却剂氦气以5％/h流量流入高温气冷堆氦优化净化系统，氦优化净化系统操作压力为3-7MPa。经过尘埃过滤器脱除掉固体颗粒、通过电加热器加热至250℃，进入氧化铜床中将氢气、氚和一氧化碳分别氧化为水、氚水和二氧化碳，并脱除微量氧气；经过中温氦/氦热交换器和水/氦冷却器降温至10℃，然后进入水吸附床在约10℃下吸附含氚废水，再进入二氧化碳吸附床在约10℃下脱除二氧化碳和微量水；再通过低温氦/氦热交换器降温至约-160℃，进入低温活性炭床在约-196℃下吸附氮气、甲烷及放射性核素Kr、Xe等及其余气体杂质。\n[0041] 通过实施例2所述净化方法，可将高温气冷堆一回路各气体杂质含量脱除至\n0.1ppm以下。\n[0042] 实施例3 为实施例1所述氦优化净化系统中水吸附床及二氧化碳吸附床提供再生的氦净化再生系统\n[0043] 所述氦净化再生系统由隔膜压缩机、电加热器、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床和内设卸放管路的抽真空装置组成；可形成水吸附床再生回路、二氧化碳吸附床再生回路、辅助水吸附床再生回路；\n[0044] 其中各再生回路构成如下：\n[0045] (1)所述水吸附床再生回路为：将水吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成；\n[0046] (2)所述二氧化碳吸附床的再生回路为：将二氧化碳吸附床与氦净化再生系统相连，由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器、辅助水吸附床依次连接组成；优选地，在水/氦冷却器1和气/水分离器处还可设一带有水/氦冷却器2的旁路，并由此得到由隔膜压缩机、电加热器、二氧化碳吸附床、水/氦冷却器2、辅助水吸附床依次连接组成的二氧化碳吸附床再生回路。\n[0047] (3)所述辅助水吸附床再生回路为：由氦净化再生系统形成辅助水吸附床再生自循环回路，由隔膜压缩机、电加热器、辅助水吸附床、水/氦冷却器1、气/水分离器依次连接组成。\n[0048] 所述辅助水吸附床中装填对水、氚水有强吸附作用的吸附剂，优选沸石分子筛，进一步优选3A、4A、5A、10X、13X等类型沸石分子筛。\n[0049] 实施例4 实施例1所述氦优化净化系统中水吸附床的再生运行工艺(含氚废水的收集)\n[0050] 高温气冷堆氦优化净化系统的水吸附床再生工艺为：形成水吸附床再生回路，并向水吸附床再生回路充氦至0.6MPa，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器。氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入水吸附床，水吸附床再生温度达到250℃，然后进入氦净化再生系统水/氦冷却器1冷却至10℃，使饱和含氚废水冷凝收集至氦净化再生系统气/水分离器中，最终含氚废水排入高温气冷堆放射性废液系统。最后，水吸附床再生回路和水吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。\n[0051] 通过实施例4可知，利用水吸附床的再生系统可直接对冷却剂净化系统内的含氚废水进行收集，无需转移，从而提高了高温气冷堆含氚废水收集运行效率。\n[0052] 实施例5 实施例1所述氦优化净化系统中二氧化碳吸附床的再生运行工艺[0053] 高温气冷堆氦优化净化系统二氧化碳吸附床再生工艺为：形成二氧化碳吸附床再生回路，并向二氧化碳吸附床再生回路充氦至0.6MPa，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器。氦气经氦净化再生系统隔膜压缩机进入氦净化再生系统电加热器加热后进入二氧化碳吸附床，二氧化碳吸附床加热至150℃，然后进入氦净化再生系统水/氦冷却器2冷却至10℃，之后进入辅助水吸附床吸附微量水。在二氧化碳吸附床温度达到150℃并保持5h，隔离辅助水吸附床，二氧化碳吸附床再生回路和二氧化碳吸附床在\n150℃下抽真空至低于100Pa；最后二氧化碳吸附床再生回路和二氧化碳吸附床降温并充氦至大于0.11MPa备用。当辅助水吸附床吸附饱和时，通过辅助水吸附床再生回路对辅助水吸附床进行再生。\n[0054] 辅助水吸附床再生运行工艺为：形成辅助水吸附床再生自循环回路，向辅助水吸附床再生回路中充氦至0.6MPa，启动氦净化再生系统隔膜压缩机，然后启动氦净化再生系统电加热器。氦气在氦净化再生系统隔膜压缩机驱动下，经过氦净化再生系统电加热器，使辅助水吸附床再生温度达到250℃，然后进入氦净化再生系统水/氦冷却器1冷却至10℃，使辅助水吸附床中的饱和含氚废水转移至氦净化再生系统气/水分离器处。\n[0055] 相比现有二氧化碳吸附剂再生温度250℃相比，本发明实施例5中二氧化碳吸附剂再生温度明显降低，提高了高温气冷堆氦优化净化系统二氧化碳吸附床的再生运行效率。\n[0056] 采用本发明所述的高温气冷堆氦优化净化系统及再生方法，可实现高温气冷堆高效脱除含氚废水和二氧化碳至0.1ppm以下；通过对水吸附床再生直接收集含氚废水；并降低二氧化碳吸附床再生温度。因此，提高含氚废水收集运行效率和二氧化碳吸附操作的再生效率，并保证高温气冷堆冷却剂净化系统高效运行。\n[0057] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。