一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器

摘要

本发明公开了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，其包括管道进口(1)、管道壁(2)、电凝并区(3)、颗粒收集区(4)和管道出口(5)，其中，在管道进口(1)处设置有电荷网(11)，进行预电荷化，所述电凝并区(3)用于进行颗粒间的凝并作用，使小颗粒逐渐聚集形成大颗粒物，所述颗粒收集区(4)用于收集经凝并后形成的大颗粒物；在管道壁(2)的外侧设置有热泳涂层(6)，用于产生热泳效应，这样可以有效防止小颗粒粘附在颗粒脱除器的管壁内侧。本发明所提供的颗粒脱除器结构简单，能够脱除粒径小于2.5μm的小颗粒物，且本发明所提供的颗粒脱除器在管道中心进行颗粒收集，有效防止了细小颗粒物粘附在管道内壁的问题。

权利要求

1.一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，所述颗粒脱除器为圆筒状管道结构，其特征在于，所述颗粒脱除器包括管道进口(1)、管道壁(2)、电凝并区(3)、颗粒收集区(4)和管道出口(5)，在管道进口(1)处设置有电荷网(11)，所述电荷网(11)由电荷网丝(111)交叉构成，邻近的电荷网丝(111)之间的间距为0.5～2.5mm；

在管道壁(2)的外侧设置有热泳涂层(6)，所述热泳涂层(6)包括导体(61)、线圈(62)和保温材料(63)；所述线圈(62)缠绕于导体(61)上，在所述线圈(62)上通有交变电流，用于产生涡流效应，进而产生热量；所述保温材料(63)包裹于缠有线圈(62)的导体外侧；

在电凝并区(3)设置有交流电装置(31)和电凝并装置(32)；所述交流电装置(31)为环形，紧贴管道壁(2)的内侧；所述电凝并装置(32)设置于管道的中心，且为竖直设置；

所述颗粒收集区(4)包括颗粒沉附装置(41)和颗粒收集装置(42)，其中，所述颗粒沉附装置(41)为竖直设置，与电凝并装置(32)平行；颗粒收集装置(42)设置于颗粒沉附装置(41)上，且与颗粒沉附装置(41)垂直。

2.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，

所述电凝并区(3)用于进行颗粒间的凝并作用，使小颗粒逐渐聚集形成大颗粒物；和/或所述颗粒收集区(4)用于收集经凝并后形成的大颗粒物；和/或所述电荷网(11)用于使小颗粒带上部分电荷。

3.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，

所述电荷网丝(111)为锰铜合金丝；和/或

邻近的电荷网丝(111)之间的间距为1～2mm。

4.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，

所述线圈(62)为铸铁铝镍钴材料；和/或

所述保温材料(63)为云母材料，用于防止热泳涂层(6)的温度外散，保持热泳效应。

5.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述热泳涂层(6)的厚度为20～

30mm，其中，导体(61)的厚度为16～28mm，线圈(62)和保温材料(63)的厚度分别为1～2mm，其中，基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm。

6.根据权利要求1所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述颗粒收集装置(42)的高度为20～30mm，其中，基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm。

7.根据权利要求6所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述颗粒收集装置(42)的高度为22～28mm。

8.根据权利要求7所述的颗粒脱除器，其特征在于，所述颗粒收集装置(42)的高度为

25mm。

说明书

一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器

技术领域

[0001] 本发明涉及核能领域，尤其涉及核能领域中的颗粒物脱除装置，特别地，涉及一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒物脱除装置。

背景技术

[0002] 采用超临界二氧化碳作为第四代高温气冷堆的工质，不仅可以避免临界热流密度的热工安全限制，而且还可以容易提升堆芯出口温度、简化堆芯系统结构等优势。

[0003] 超临界二氧化碳介质由于其黏度为液体的1％，扩散系数为液体100倍，比液体更快的溶解溶质的速率，比气体更大的溶质的溶解能力，提高了细小颗粒物的溶解性能，使颗粒物在超临界二氧化碳介质中分散成更小的颗粒物。而高温气冷堆的燃料元件大部分是将全陶瓷型包覆颗粒弥散在石墨球基体中制成，虽然这种材料可以将绝大部分裂变产物阻挡在完整包覆颗粒的陶瓷SiC层内，但是仍然还会有一些细小的杂质以颗粒物的形式存在。这些细小的颗粒物(如石墨粉尘产生颗粒物)一般是具有放射性的颗粒，这些颗粒会引发一系列问题，影响冷却剂的传热性能、出现局部传热恶化、影响管道的使用寿命、影响反应堆的正常运行和安全，更为严重的还会威胁到核电站周围工作人员的生命健康。

[0004] 目前，国内外大部分是常规高效除尘设备，常见的有电除尘器、袋除尘器、静电颗粒层除尘器、静电旋风除尘器、电袋复合除尘器等，这些除尘器，对于粒子直径大于10μm的颗粒物除尘效率高，但是对于细颗粒物(直径＜2.5μm)除尘效率明显降低。这些除尘器大多是利用单一的原理对颗粒物进行除尘，效果不明显。虽然也有专家利用电凝并技术和静电除尘器相结合，但其装置难以解决一些细小颗粒物粘贴在管道内壁的问题，如果这个问题发生在反应堆内，那么将给反应堆运行带来很大不便。

发明内容

[0005] 为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，所述颗粒脱除器将热泳效应与电凝并结合，能够有效脱除颗粒物，且不会导致颗粒物粘附在管壁上，从而完成本发明。

[0006] 本发明一方面提供了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，具体体现在以下方面：

[0007] (1)一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，所述颗粒脱除器为圆筒状管道结构，其特征在于，所述颗粒脱除器包括管道进口1、管道壁2、电凝并区3、颗粒收集区4和管道出口5，在管道进口1处设置有电荷网11；

[0008] (2)根据上述(1)所述的颗粒脱除器，其中，

[0009] 所述电凝并区3用于进行颗粒间的凝并作用，使小颗粒逐渐聚集形成大颗粒物，和/或

[0010] 所述颗粒收集区4用于收集经凝并后形成的大颗粒物；和/或

[0011] 所述电荷网11用于使小颗粒带上部分电荷，优选地，所述电荷网11由电荷网丝111交叉构成；

[0012] (3)根据上述(2)所述的颗粒脱除器，其中，

[0013] 所述电荷网丝111为锰铜合金丝；和/或

[0014] 邻近的电荷网丝111之间的间距为0.5～2.5mm，优选为1～2mm，更优选为1.5mm；

[0015] (4)根据上述(1)至(3)之一所述的颗粒脱除器，其中，在管道壁2的外侧设置有热泳涂层6，用于产生热泳效应；优选地，所述热泳涂层6包括导体61、线圈62和保温材料63，其中，所述线圈62缠绕于导体61上，所述保温材料63包裹于缠有线圈62的导体外侧；

[0016] (5)根据上述(4)所述的颗粒脱除器，其中，

[0017] 所述线圈62为铸铁铝镍钴材料，和/或

[0018] 在所述线圈62上通有交变电流，用于产生涡流效应，进而产生热量，和/或

[0019] 所述保温材料63为云母材料，用于防止热泳涂层6的温度外散，保持热泳效应；

[0020] (6)根据上述(4)或(5)所述的颗粒脱除器，其中，所述热泳涂层6的厚度为20～30mm，其中，导体61的厚度为16～28mm，线圈62和保温材料63的厚度分别为1～2mm，其中，基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm；

[0021] (7)根据上述(1)至(6)之一所述的颗粒脱除器，其中，在电凝并区3设置有交流电装置31和电凝并装置32，优选地，

[0022] 所述交流电装置31为环形，紧贴管道壁2的内侧；和/或

[0023] 所述电凝并装置32设置于管道的中心，且为竖直设置；

[0024] (8)根据上述(1)至(7)之一所述的颗粒脱除器，其中，所述颗粒收集区4包括颗粒沉附装置41和颗粒收集装置42，其中，所述颗粒沉附装置41为竖直设置，与电凝并装置32平行；颗粒收集装置42设置于颗粒沉附装置41上，且与颗粒沉附装置41垂直；

[0025] (9)根据上述(8)所述的颗粒脱除器，其中，所述颗粒收集装置42的高度为20～30mm，优选为22～28mm，更优选为25mm，其中，基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm。

[0026] 本发明另一方面提供了一种上述(1)至(9)之一所述的颗粒脱除器的用途，用于脱除以超临界二氧化碳为工质的核电设备中残留的放射性颗粒。

附图说明

[0027] 图1示出以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器的整体结构示意图；

[0028] 图2示出图1中A-A处的轴向横截面图；

[0029] 图3示出电荷网的结构示意图；

[0030] 图4示出图1中B-B处的轴向纵截面图；

[0031] 图5示出图4中D-D处的径向截面图；

[0032] 图6示出图4中c处的局部放大图；

[0033] 图7示出以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器在高温气冷堆内部的装配图；

[0034] 图8示出以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器在高温气冷堆外部的装配图。

[0035] 附图标号说明：

[0036] 1-管道进口

[0037] 11-电荷网

[0038] 111-电荷网丝

[0039] 2-管道外壁

[0040] 3-电凝并区

[0041] 31-交流电装置

[0042] 32-电凝并装置

[0043] 4-颗粒收集区

[0044] 41-颗粒沉积装置

[0045] 42-颗粒收集装置

[0046] 5-管道出口

[0047] 6-热泳涂层

[0048] 61-导体

[0049] 62-线圈

[0050] 63-保温材料

[0051] 7-(以超临界二氧化碳为工质的)颗粒脱除器

[0052] 8-高温气冷堆

[0053] 81-堆体

[0054] 82-蒸汽发生器

[0055] 83-发电机

[0056] 84-汽轮机

[0057] 85-回热器

[0058] 86-冷却器

[0059] 87-压缩机

具体实施方式

[0060] 下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

[0061] 其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

[0062] 本发明提供了一种以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器，如图1所示，所述颗粒脱除器为圆筒状管道结构，其包括管道进口1、管道外壁2、电凝并区3、颗粒收集区4和管道出口5。其中，小颗粒在电凝并区3进行凝并作用，逐渐聚集形成大颗粒物，然后由颗粒收集区4对大颗粒进行收集。

[0063] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，在管道进口1处设置有电荷网11。

[0064] 在进一步优选的实施方式中，如图3所示，所述电荷网11由电荷网丝111交叉构成。

[0065] 其中，当小颗粒从管道进口1进入颗粒脱除器时会经过电荷网11，电荷网11能够使小颗粒在进入电凝并区前带上部分电荷，增加小颗粒进入电凝并区前的电荷量，以提高小颗粒的电凝并效果。

[0066] 根据本发明一种优选的实施方式，所述电荷网丝111为锰铜合金丝。

[0067] 在进一步优选的实施方式中，邻近的电荷网丝111的间距为0.5～2.5mm，优选为1～2mm，更优选为1.5mm。

[0068] 其中，锰铜合金丝具有良好的导电性，能够有效地为小颗粒提供电荷。

[0069] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2所示，在管道外壁2的外侧设置有热泳涂层6。

[0070] 在进一步优选的实施方式中，如图2和图6所示，所述热泳涂层6包括导体61、线圈62和保温材料63。

[0071] 其中，所述线圈62缠绕于导体61上，所述保温材料63包裹于缠有线圈62的导体外侧。

[0072] 在更进一步优选的实施方式中，所述线圈62为铸铁铝镍钴材料，在所述线圈62上通有交变电流，所述保温材料63为云母材料。

[0073] 其中，热泳涂层的目的是用于产生热泳效应，线圈62上通有交变电流用于产生涡流。具体地：在线圈上通入交变电流，线圈将产生交变磁场，那么，在线圈中间的导体在圆周方向可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，因此，在导体圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，称为涡流，其中，涡流由感应电动势引起，并且涡流同一般的电流一样，会产生热效应，且产热多少符合焦耳定律。

[0074] 因此，在涡流作用下，使得管道外壁温度高于管道中心，产生温度梯度，使小颗粒产生与温度梯度相反的运动速度，即向管道中心移动，形成热泳效应。

[0075] 根据本发明一种优选的实施方式中，所述热泳涂层6的厚度为20～30mm。

[0076] 在进一步优选的实施方式中，在热泳涂层6中，导体61的厚度为16～28mm，线圈62和保温材料63的厚度分别为1～2mm。

[0077] 其中，上述厚度尺寸是基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm。若颗粒脱除器的管道内径增大或减小，那么上述厚度尺寸也按比例进行增大或减小。其中，保温材料的目的是防止热泳涂层的热量外散，从而导致热泳效率降低。

[0078] 因此，在热泳涂层的作用下，小颗粒往管道中心运动，不会产生粘附在管道内壁的现象。

[0079] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2和图3所示，在电凝并区3设置有交流电装置31和电凝并装置32，其中，所述交流电装置31用于提供交流电，所述电凝并装置32为交流电极，其与交流电装置31连接，形成交流电场。

[0080] 在进一步优选的实施方式中，所述交流电装置31为环形，紧贴颗粒脱除器的管道内壁。

[0081] 在更进一步优选的实施方式中，如图4所示，所述电凝并装置32位于颗粒脱除器的管道中心，且为竖直放置，其与管道长轴方向的纵向平面平行。

[0082] 其中，小颗粒从电荷网进入后带有了部分电荷，带电荷的小颗粒在电凝并区的交流电场作用下产生往复振动，由于颗粒间的相对运动或速度差，使得颗粒间相互碰撞而凝聚，形成大颗粒。

[0083] 根据本发明一种优选的实施方式，如图2和图4所示，所述颗粒收集区4包括颗粒沉附装置41和颗粒收集装置42。

[0084] 在进一步优选的实施方式中，如图2和图4所示，所述颗粒收集装置42设置于颗粒沉附装置41上。

[0085] 在更进一步优选的实施方式中，如图2和图5所示，所述颗粒收集装置42垂直于所述颗粒沉附装置41，并且，所述颗粒收集装置42与颗粒脱除器管道的径向竖直平面平行，即与电荷网平行。

[0086] 其中，通过前面的电凝并区3后，小颗粒在热泳效应和电凝并作用的双重作用下变形成大颗粒，大颗粒进入颗粒收集区4后，热泳效应仍然存在，因此，大颗粒的运动方向与温度梯度的方向相反，即大颗粒在管道中心移动，于是，在颗粒收集区4设置有颗粒收集装置42，用于挡住大颗粒沿管道的轴向方向向左或向右移动，因此，相当于将大颗粒固定于颗粒收集区4。

[0087] 在本发明中：在电凝并区3，由于有交变电流的存在，小颗粒或形成的大颗粒进行上下振动，不利于颗粒收集，因此，在电凝并区3不会发生颗粒收集的现象；在颗粒收集区4，颗粒沉附装置41并没有连通交变电流，因此在颗粒收集区4不存在交变电流，颗粒不会进行上下振动，而是在热泳效应下存在于颗粒脱除器的中间位置，即颗粒附着于颗粒沉附装置41的表面上，在颗粒收集区4中，又设置有颗粒收集装置42，其作为挡板限制了颗粒向左或向右运动，相当于将颗粒困于颗粒收集区4中，因此，颗粒收集区4实现了颗粒的收集。需要说明，当颗粒从电凝并区3进入颗粒收集区4时，是在交变电流的作用下上下振动进入的，因此，用于抵挡作用的颗粒收集装置42不会抵挡颗粒进入颗粒收集区4。但是，到达收集区后，没有交流电的作用，只存在热泳效应，因此，颗粒向颗粒沉附装置41靠拢，并且被颗粒收集装置41抵挡，不能继续流动，实现了颗粒的收集。

[0088] 根据本发明一种优选的实施方式，所述颗粒收集装置42的高度为20～30mm。

[0089] 在进一步优选的实施方式中，所述颗粒收集装置42的高度为22～28mm。

[0090] 在更进一步优选的实施方式中，所述颗粒收集装置42的高度为25mm。

[0091] 其中，上述颗粒收集装置42的高度是基于颗粒脱除器的管道内径为120～150mm而言，当颗粒脱除器的管道内径增大或减小，则颗粒收集装置42的高度也应该按相应的比例进行增大或减小。

[0092] 在本发明中，颗粒先通过电荷网11，电荷网11赋予颗粒电荷；带电的颗粒进入电凝并区3，在电凝并区3内，颗粒在热泳涂层6的作用下向颗粒脱除器中心的电凝并装置33靠拢，并且在交流电下上下振动，小颗粒逐渐形成大颗粒；大颗粒进入颗粒收集区4，实现了颗粒的收集。

[0093] 本发明另一方面提供一种上述颗粒脱除器的用途，用于脱除以超临界二氧化碳为工质的核电设备中残留的放射性颗粒。

[0094] 根据本发明一种优选的实施方式，本发明所述颗粒脱除器与核电设备联用，用于除去核电设备中残留的放射性颗粒。

[0095] 其中，所述核电设备以超临界二氧化碳为工质。

[0096] 根据本发明一种优选的实施方式，如图7所示，所述颗粒脱除器7设置于于高温气冷堆8的内部。

[0097] 在进一步优选的实施方式中，如图7所示，所述颗粒脱除器7设置于高温气冷堆8的堆体81和蒸汽发生器82之间的热气导管83里。

[0098] 其中，由于超临界二氧化碳流体为循环流向，其多次经过颗粒脱除器7，可以提高对颗粒的脱除效率。

[0099] 根据本发明另一种优选的实施方式，如图8所示，所述颗粒脱除器7设置于高温气冷堆8的外部。

[0100] 在进一步优选的实施方式中，如图8所示，所述颗粒脱除器7的左端与高温气冷堆8连接，上端与发电机83连接，右端与汽轮机84连接。

[0101] 其中，所述颗粒脱除器7是以内嵌的方式安装在高温气冷堆一回路和二回路之间的管道里，主要是当高温气冷反应堆发生事故时，防止具有放射性的颗粒物外泄至二回路从而泄漏至环境中的问题。其中，所述颗粒脱除器7从发电机83中获得交变电源

[0102] 在本发明中：(1)所述管道是指颗粒脱除器的主体管道；(2)凝并是指颗粒或微粒在外力作用下相互碰撞或粘附而聚结成较大颗粒的过程；(3)所述颗粒脱除器为以超临界二氧化碳为工质的颗粒脱除器的简写；(4)在图2、图4和图7中，灰度箭头表示超临界二氧化碳流体的流动方向；(5)在图2和图4中，圆形表示颗粒；(6)在图8中，黑色箭头表示超临界二氧化碳流体的流动方向，所述超临界二氧化碳流体工质既可以在高温气冷反应堆中流动也可以在回路中流动；(7)图2为图1在A-A处的轴向水平截面图；(8)图4为图1在B-B处的轴向竖直截面图，其中，B-B处的截面与A-A处的截面垂直。

[0103] 本发明所具有的有益效果包括：

[0104] (1)本发明所提供的颗粒脱除器结构简单，适合大规模生产应用；

[0105] (2)本发明所提供的颗粒脱除器能够脱除粒径小于2.5μm的小颗粒物；

[0106] (3)本发明所提供的颗粒脱除器在管道中心进行颗粒收集，有效防止了细小颗粒物粘附在管道内壁的问题；

[0107] (4)本发明所提供的颗粒脱除器可以与一切以超临界二氧化碳为工质的高温气冷堆和布雷顿能量转化技术的设备配套使用。

[0108] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0109] 以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。