一种手套箱除氚净化处理系统及其使用方法与流程

本发明涉及除氚净化处理技术领域，具体涉及一种手套箱除氚净化处理系统及其使用方法。

背景技术：

聚变能源是以氘氚聚变反应为基础的一种新型、清洁、可持续能源。氚是重要的宝贵资源，在氘氚聚变反应中用量极大，手套箱是氘氚聚变试验中重要的次级包容组成部分，作为设备保护的第二级屏障，目前并未针对其内工艺操作释放气以及手套箱包容体中的含氢废气作处理，不管是常规条件下氚处理设备的渗透或泄漏，还是在氚处理设施发生大量氚漏入手套箱的事故状态时，都没有能力快速除氚，从而导致氚泄漏从手套箱中泄漏，导致职业工作人员暴露在氚过量环境中，影响职业工作人员的身体健康，甚至造成巨大经济和财产损失，对公众和环境造成巨大影响和灾难性破坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种手套箱除氚净化处理系统，通过设置氚检测模块和除氚系统，一键实现自动运行，针对一些工艺操作释放气以及手套箱包容体中含氢废气进行处理，去除常规条件下氚处理设备的渗透或泄漏，并且在氚处理设施发生大量氚漏入手套箱的事故状态时，具有充足的能力快速除氚，用以解决现有手套箱存在的氚泄漏的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种手套箱除氚净化处理系统，包括手套箱，还包括用于检测手套箱内部氚含量的氢氚测量仪、用于提供动力的气体循环泵以及处理含氚废氢的除氚净化处理系统，所述除氚净化处理系统的进气口和出气口均与手套箱内部相连通，除氚净化处理系统从进气口到出气口还依次包括过滤器、催化氧化器、冷凝器、吸附床。

作为优选地，所述气体循环泵设在手套箱与催化氧化器之间的气路上。

作为优化的，所述氢氚测量仪、气体循环泵通过自动控制系统信号连接，对氚浓度进行在线监测反馈，及时自动进行处理，进一步减少氚泄漏的危险性。

作为优化的，所述催化氧化器设有并联安装的两组，以方便交替工作和更换；所述吸附床为分子筛吸附床，设有并联安装的两组，可实现一个在使用，另外一个再生功能，再生流程如下：分子筛采用干燥空气或热氮气吹扫在线再生模式。当某一个分子筛床吸水饱和出现水蒸汽穿透时，由外部系统引入氮气，通过电加热器加热，加热到可以将氚水解吸的温度以上，然后自下至上通过需要再生的分子筛床，热气流将载带出分子筛吸附的水，由冷凝器进行冷却，过饱和水汽将在冷凝器以液态水形式析出，液态水在测量罐中暂存，由取样器进行氚活度测量，并根据氚化水活度高低分流入不同的存储罐，通过以上的方式气体继续反复的循环载带。当分子筛分解吸气体的水含量低于-76℃露点值时，表明分子筛脱水达到平衡，认为分子筛床再生完成。分子筛采用自然冷却方式降至常温。

作为优化的，所述催化氧化器、吸附床均装有温度控制器，便于控制处理温度。

作为优化的，所述除氚净化处理系统中的管路均为全不锈钢管，管路上的阀门采用全金属波纹管阀门，阀门均采用全焊接方式连接，系统的整体漏率优于1×10^-8pa·m³s^-1。

作为优化的，所述除氚净化处理系统中设有加氢或加湿装置，分子筛吸附法干燥气体后常压露点约-70℃，含水量为2.584ppm，高于催化反应后的气体中氚化水含量。因此，在除氚过程中需要添加加氢装置或湿润装置，该手套箱除氚净化处理系统分别设计了加氢和加湿装置，根据处理情况进行选择加氢或加湿来增加气体含水量，提高除氚效率；当氧超过设定值，利用加氢装置向气流中加氢，再通过催化反应器完全去除手套箱中的氧。

作为优化的，所述手套箱或除氚净化处理系统还设有氧氮加入装置，为维持手套箱内惰性气氛而进行加氮。当出现大量的含氚气体泄漏进入手套箱时，为了使催化氧化快速回收含氚气体，进行氧加注。

作为优化的，所述手套箱还连有含氚废气回收罐，所述含氚废气回收罐连接除氚净化处理系统，手套箱除氚净化处理系统的设计采用分区浓度限值回收储存处理和手套箱循环直接处理两种方式，主要是由于氚泄漏事故工况和手套箱内所用的初级包容系统中缓慢渗透出的氚量无法完全确定，手套箱内操作过程的错误等，再加上手套箱通常是采用含玻璃观察窗部件，手套箱内所能承受的正压负压能力较差，一般都设置自带保护功能，频繁的进行排气和补气是应尽量避免的。因此在处理异常事故工况手套箱中高浓度废气过程中，保持手套箱内的微弱压差，通过进气口注入干燥空气或惰性气体将其中的含氚废气置换导入到除氚系统的回收罐中暂存，当手套箱内的氚浓度低于管理限值之后密封手套箱，然后单独对存储罐中的废气进行除氚循环处理。设计中当氚泄漏渗透氚浓度在一定低量值范围内采用手套箱循环处理直接除氚。

分区浓度限值回收储存处理具体处理：整个含氚气氛收集过程中对氚浓度进行在线监测反馈，根据监测反馈的氚浓度进行区域划分，设计将氚浓度在≤3.7×10⁷bq/m³的气体进行直接排放或通过除氚系统深度处理后进行直接排放；将氚浓度在3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³范围的含氚气体划分为低浓度区域，将其导入到除氚净化处理系统处理流程进行除氚；当监测出来的氚浓度高于3.7×10¹⁰bq/m³时，通过进气口注入干燥空气或惰性气体将其中的含氚废气置换导入到除氚系统的含氚废气回收罐中暂存，同时多次干燥空气或惰性气体置换，则把氚浓度降低至3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³范围内，继续采用除氚净化处理系统处理流程进行除氚。此设计工艺流程可以避免高低浓度含氚气体交叉混合，也可以避免高浓度的含氚气体对除氚系统本底的影响，也可以保证有足够的时间来对含氚气体进行处理。

手套箱除氚净化处理系统的使用方法，包括如下步骤：

(1)氢氚测量仪监测手套箱内的含氢同位素气氛浓度超于限值时，从手套箱引出含氢同位素的工艺废气；

(2)含氢同位素的工艺废气经过过滤器过滤掉气体中的固体杂质，得到除尘气体；

(3)除尘气体在气体循环泵的驱动下进入催化氧化器中，反应温度为50℃～150℃，采用内置加热棒加热，并外置加热或保温套保温，加热范围为室温至300℃，氚被转化成氚水蒸汽；

(4)氚水蒸汽经冷凝器中冷凝后，再进入吸附床中去除气体中的氚化水汽后回到手套箱，再进行循环处理，直到含氢气氛浓度降低到合格限值后，停止系统循环处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明填补手套箱除氚净化处理工艺空白，工艺流程简单明了，操作方便，可满足紧急状态下一键启动自动运行功能。

(2)本发明采用催化氧化吸附除氚工艺，除氚效率高(除氚效率>99％)。

(3)本发明催化氧化床及吸附床采用一备一用，能满足长时间运行的需求，工艺稳定性高，使用寿命长，对催化氧化床及吸附床的反应器尺寸和材料装填量进行严格计算设计。

(4)本发明监测点位较多，装置运行更加安全可靠，获取的数据更加真实有效。

(5)本发明抽空可设置成三段，便于每部分独立抽空、保持、检漏等，效率更高，速度更快，避免误操作，同时真空计设置在每部分抽空检测的远端，检测的真空数值更加准确可靠。

(6)本发明设计了三个不同位置的氢(氚)浓度监测点和三个不同位置的取样点，便于采取分析整个除氚过程中不同位置的含氢(氚)气氛的浓度和变化情况。

(7)本发明为撬装结构，底部安装带方向的抗震滚轮便于移动，机架采用铝合金缕空结构，方便操作和维护。

(8)本发明操作方式满足应急自动运行+手动维护+模式切换,满足各种操作需要。

(9)本发明采用催化氧化和分子筛吸附的方式，催化氧化和吸附工作效率较高，且可以重复使用。反应柱内填料价格较低，使用成本低。

(10)本发明为了提高氚净化处理的效率，系统设计了加氧、加氮、加氢及加湿的装置，根据不同的工况进行选择加注，此类处理办法大大提高了氚净化处理的效率，节约时间，保证了系统的安全可靠稳定运行。

(11)本发明设计采用了分区浓度限值回收储存处理和手套箱循环直接处理两种方式，设计整个含氚气氛收集过程中对氚浓度进行在线监测反馈，根据监测反馈的氚浓度进行区域划分，此设计工艺流程可以避免高低浓度含氚气体交叉混合，避免高浓度的含氚气体对除氚净化处理系统本底的影响，也可以保证有足够的时间来对含氚气体进行处理。

附图说明

图1为本发明系统的工作流程示意图；

图2为设计的系统实物图；

其中，附图标记对应的名称为：

v01～v19为全金属波纹管气动阀，hv01～hv12为高温型全金属波纹管气动阀，pt01～pt08为压力传感器，pg01～pg07为压力显示表，zv01～zv04为手动阀门，tt01～tt19为温度传感器，mfc01～mfc03为流量控制计，gl01～gl05为过滤器，t-01～t-02为催化反应床，t-03～t-04为吸附床，e-01为冷凝器，tic01～tic04为温度控制器，wft-01～wft-03为露点变送器，c-01为变频风机，c-02为真空泵，va1～va3为抽空接口，pgv为真空计。

具体实施方式

下面结合各实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

手套箱除氚净化处理系统实物如图2，包括手套箱，还包括用于检测手套箱内部氚含量的氢氚测量仪、气体循环泵以及处理含氚废氢的除氚净化处理系统，所述除氚净化处理系统的进气口和出气口均与手套箱内部相连通，除氚净化处理系统从进气口到出气口还依次包括过滤器、催化氧化器、冷凝器、吸附床。

作为优选方案，所述气体循环泵设在手套箱与催化氧化器之间的气路上。循环泵是带增压功能的，先从手套箱出口端引出气体，通过增压泵增压，然后经过催化床，再是吸附床，最后回手套箱，由于增压泵设置催化氧化器前，就能最大限度地保证进入催化氧化器的流速，进而得到较好的反应速率和效果，经过催化氧化器、吸附床后会有气阻和压降，使得回到手套箱内的气体压力微正压，不影响手套箱的使用。

作为优选方案，所述氢氚测量仪、气体循环泵通过自动控制系统信号连接，对氚浓度进行在线监测反馈，及时自动进行处理，进一步减少氚泄漏的危险性。

作为优选方案，所述催化氧化器设有并联安装的两组，以方便交替工作和更换；所述吸附床为分子筛吸附床，设有并联安装的两组，可实现一个在使用，另外一个再生功能，再生流程如下：分子筛采用干燥空气或热氮气吹扫在线再生模式，当某一个分子筛床吸水饱和出现水蒸汽穿透时，由外部系统引入氮气，通过电加热器加热，加热到可以将氚水解吸的温度以上，然后自下至上通过需要再生的分子筛床，热气流将载带出分子筛吸附的水，由冷凝器进行冷却，过饱和水汽将在冷凝器以液态水形式析出，液态水在测量罐中暂存，由取样器进行氚活度测量，并根据氚化水活度高低分流入不同的存储罐，通过以上的方式气体继续反复的循环载带。当分子筛分解吸气体的水含量低于-76℃露点值时，表明分子筛脱水达到平衡，认为分子筛床再生完成。分子筛采用自然冷却方式降至常温。

作为优选方案，所述催化氧化器、吸附床均装有温度控制器，便于控制处理温度。

作为优选方案，所述除氚净化处理系统中的管路均为全不锈钢管，管路上的阀门采用全金属波纹管阀门，阀门均采用全焊接方式连接，系统的整体漏率优于1×10^-8pa·m³s^-1。

作为优选方案，所述除氚净化处理系统中设有加氢或加湿装置，分子筛吸附法干燥气体后常压露点约-70℃，含水量为2.584ppm，高于催化反应后的气体中氚化水含量。因此，在除氚过程中需要添加加氢装置或湿润装置，该手套箱除氚净化处理系统分别设计了加氢和加湿装置，根据处理情况进行选择加氢或加湿来增加气体含水量，提高除氚效率；当氧超过设定值，利用加氢装置向气流中加氢，再通过催化反应器完全去除手套箱中的氧。

作为优选方案，所述手套箱或除氚净化处理系统还设有氧氮加入装置，为维持手套箱内惰性气氛而进行加氮。当出现大量的含氚气体泄漏进入手套箱时，为了使催化氧化快速回收含氚气体，进行氧加注。

作为优选方案，所述手套箱还连有含氚废气回收罐，所述含氚废气回收罐连接除氚净化处理系统。由于氚泄漏事故工况和手套箱内所用的初级包容系统中缓慢渗透出的氚量无法完全确定，手套箱内操作过程的错误等，再加上手套箱通常是采用含玻璃观察窗部件，手套箱内所能承受的正压负压能力较差，一般都设置自带保护功能，频繁的进行排气和补气是应尽量避免的。因此在处理异常事故工况手套箱中高浓度废气过程中，保持手套箱内的微弱压差，通过进气口注入干燥空气或惰性气体将其中的含氚废气置换导入到除氚系统的回收罐中暂存，当手套箱内的氚浓度低于管理限值之后密封手套箱，然后单独对存储罐中的废气进行除氚循环处理。

分区浓度限值回收储存处理具体处理：整个含氚气氛收集过程中对氚浓度进行在线监测反馈，根据监测反馈的氚浓度进行区域划分，设计将氚浓度在≤3.7×10⁷bq/m³的气体进行直接排放或通过除氚系统深度处理后进行直接排放；将氚浓度在3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³范围的含氚气体划分为低浓度区域，将其导入到除氚净化处理系统处理流程进行除氚；当监测出来的氚浓度高于3.7×10¹⁰bq/m³时，通过进气口注入干燥空气或惰性气体将其中的含氚废气置换导入到除氚系统的含氚废气回收罐中暂存，同时多次干燥空气或惰性气体置换，则把氚浓度降低至3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³范围内，继续采用除氚净化处理系统处理流程进行除氚。此设计工艺流程可以避免高低浓度含氚气体交叉混合，也可以避免高浓度的含氚气体对除氚系统本底的影响，也可以保证有足够的时间来对含氚气体进行处理。

实施例1

本发明工作参数和工作流程如图1所示，该手套箱除氚净化处理系统及其制作方法和使用方法：首先要保证阀门、流量计、变频风机、真空泵处于关闭状态，打开气动阀供气系统(供气压力大于0.5mpa)；采用氦质谱检漏仪对所述手套箱除氚净化处理系统检漏，当整体漏率低于1×10^-8pa·m³s^-1时进行下一步；开启真空泵，对系统进行分段抽空、保持，检验系统气密性，将系统真空抽至1pa，停止抽空；对催化氧化床和吸附床进行加热和气体冲洗，冲洗气体采用工业纯氮气，气体流量控制在33l/min左右，升温速率控制在每3.3℃/min以内，温度升至300℃，保温2～4小时；停止气体冲洗和反应床加热，开启真空泵对反应床进行抽空处理，直至反应床降至常温后进行下一步；当监测到手套箱内的氚浓度达到启动阈值(3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³)便马上启动除氚系统，首先打开气动阀门v19；经过压力表pg07；经过过滤器gl05(用于过滤气流中的固体粉尘和杂质，防止系统后续处理的组件堵塞)；打开变频风机c-01(主要是为氚处理系统气体流动提供动力，采用变频风机主要是为了调节气体的流量)；打开气动阀门v01；经过氢(氚)气体监测仪01、温度传感器tt17、压力显示表pg01、压力传感器pt01(监测气体浓度含量，监测气体压力和系统管路温度)；打开气动阀门v04，经过质量流量控制器mfc-01(调节和控制气体流量)；打开气动阀门v05；经过露点变送器wft-01(监测气体中的露点含量)；打开气动阀门v07；经过催化反应床t-01(使气流中的元素态氚与氧气在150℃复合为氚化水，出于安全和可靠性要求，催化反应床采用一备一用的模式)；经过过滤器gl01；打开高温气动阀门hv01；(或者经过备用催化反应床v08、t-02、gl02、hv02)；再经过冷凝器e-01(将气流从150℃冷却至常温)；经过温度监测tt18、流量计mfc-02、氢(氚)气体监测仪02、露点变送器wft-02、压力传感器pt04、压力显示表pg04；打开气动阀门v12；打开气动阀门v15；打开气动高温阀门hv05；经过吸附床t-03(采用吸附的方式去除气相中的含氚水，出于安全和可靠性要求，吸附床采用一备一用的模式，吸附床采用两套工作互不干扰模式，一套进行正常工作，另一套则可进行再生)；经过过滤器gl03；打开高温气动阀门hv07和hv09；(或者经过备用吸附床v16、hv06、t-04、gl04、hv08和hv10)；再经过温度传感器tt19、压力显示表pg05、压力传感器pt05、露点变送器wft-03、流量计mfc-03、氢(氚)气体监测仪03；打开气动阀门v18；最后将处理完后的气体返回到手套箱中，按照以上流程反复进行循环处理，直到含氢气氛浓度降低到合格目标限值(低于3.7×10⁷bq/m³)后，停止系统循环处理。

该系统的关机次序为停止变频风机、停止催化反应床和吸附床加热、关闭流量计、关闭所有阀门。

实施例2

手套箱除氚净化处理系统关键部件的设计及计算

以流量为20m³/h流量进行循环处理来设计。主要设计计算净化处理系统的管路大小、反应器的大小、装填料的大小、密封方式、加热等。

管路设计：

采用预定流速法(hg/t20570.06和gb50316-2000)设计管路的直径。

当按预定介质流速来确定管径时，采用下式初选管径：

d＝18.81w^0.5u^-0.5ρ^-0.5

或

d＝18.81v0^0.5u^-0.5

式中：

d-管道内径，mm；

w-管内介质的质量流量，kg/h；

v0-管内介质的体积流量，nm³/h；

ρ-介质在工作条件下的密度，kg/m³；

u-介质在管内的平均流速，m/s。

手套箱除氚净化处理系统在20m³/h流量进行循环处理时管径大小选择为40mm全金属316不锈钢较为合适。

催化氧化反应催化剂用量和反应器高度设计：

催化剂用量可采用动力学方法或催化反应器空速方法得到，床层设计的基本原则：催化剂的装填料大于计算值。催化反应器空速方法(工业实践方法)如下：

式中：

vr——催化剂体积(m³)；

v0——原料气进气流量(nm³/h)；

sv——空速(h^-1)。

根据sv报道值，对于元素氚和碳氢化合物(甲烷)分别为6000(l/h)和3000(l/h)。

确定催化剂床层体积后，进一步确定床层截面积和床层高度，在确定床层截面积时，首先要选择一个合适的空床气体流速u0，床层截面积为：

式中：

fr——床层截面积(m²)；

u0——空床体线速度(m/s)；

hr——床层高度(m)。

按照长径比一般取6～12的要求来设计，催化氧化反应器的尺寸设计为φ140mm×1400mm较为合适，除去一根内置加热棒φ28mm×1400mm，催化剂有效装填量为20.6l。反应器材质为316l，催化氧化床的反应温度在50～150℃，设计加热炉加热功率3kw，尺寸φ260mm×1400mm，加热方式为内外加热，中间加热棒外绕电阻丝。催化氧化床采用固定床结构，外加不锈钢开合式保温桶。

催化剂更换：手套箱除氚净化处理系统的催化氧化反应器采用一用一备的方式，催化剂铂本身无损耗，加上系统内气体无杂质，除非系统组件损坏，正常工况下不会有毒化现象，催化剂反复无限使用，更换催化剂材料的条件：在处理过程中，氚浓度在3.7×10⁷bq/m³～3.7×10¹⁰bq/m³范围，2小时内除氚效率无法达到95％时可以更换催化剂填料。在设计中催化反应器塔体上下设置填装料装卸口，装卸口采用cf40法兰密封，塔体内设上下胎板，下胎板为锥度设计便于卸料时能将塔体内填料全部卸出，卸料口管道连接到胎板内部，进出气口连接到胎板外侧。

吸附床分子筛用量和反应器高度设计：

吸附水分所需的吸附剂装填量可按下式计算。

m＝g/a(kg/h)

式中：

m——每小时吸附剂需求量，kg/h；

g——空气水含量，kg/h；

a——动吸附值，8～15％。

m'＝mt'θ

式中：

m'——实际吸附剂填充量，kg；

t'——吸附周期，h；

θ——余量，常为1.3。

在上式中空气水含量g按保守取2g/h，动吸附值a取10％；

干燥塔的塔体直径可按下式确定塔径：

u——空塔线速，分子筛常为0.05～0.2m/s；

q'——通过干燥塔的在有压状态下的空气体积流量，m³/s；

q——标准状态下空气的体积流量即干燥器名义处理量，nm³/s；

p——标准状态下空气的绝对压力，pa；

p'——压缩空气的绝对压力，pa。

按照长径比一般取6～12的要求来设计，吸附床的尺寸设计为φ130mm×1300mm较为合适，除去一根内置加热棒，吸附剂有效装填量为16.2l。吸附床反应器材质为316l，吸附床的加热温度在350℃，设计加热炉加热功率4kw，尺寸φ250mm×1300mm，加热方式为内外加热，中间加热棒外绕电阻丝。吸附床采用固定床结构，外加不锈钢开合式保温桶。

分子筛吸附床寿命：分子筛吸附床采用一备一用，且分子筛吸附饱和可再生。分子筛吸附床解吸气体的含水量不能达到低于-76℃的露点值时，说明分子筛再生脱水已经达不到平衡，更换分子筛填料。在设计中吸附床塔体上下设置填装料装卸口，装卸口采用cf40法兰密封，塔体内设上下胎板，下胎板为锥度设计便于卸料时能将塔体内填料全部卸出，卸料口管道连接到胎板内部，进出气口连接到胎板外侧。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。