多级串联径向流吸附床对氦氢气体中氢气吸附研究

作     者：唐彦 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈玉安;占勤

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 082701[工学-核能科学与工程] 

主      题：径向流 氦氢 串联 吸附 

摘      要：核能作为高能量、无污染、储量大的能量来源已经被部分国家使用。核能分为两种形式:核裂变和核聚变。核聚变是由氘氚粒子在极高的温度和压力下聚合成质量更大的粒子氦,并释放大量能量的过程。但是聚变反应的激活和维持所需超高温条件是当今技术无法达到的。为彻底攻破聚变反应技术难题,中国、欧盟、美国、日本、韩国、印度、俄罗斯七国联手国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor),简称ITER,地点设在法国南部小城卡达拉舍。为保证核聚变反应长期稳定进行,反应堆内部设置氚增殖单位。增值单元利用聚变产生的中子轰击周围的Li产生氘氚,产生的氘氚用氦气载带出来,通对对氘氚氦混合气体进行分离,得到新的氚燃料,保证聚变堆长期有效的运行。本实验用氢代替氘氚作为实验用气,研究高效的将氦氢混合气体分离出来的方式,为氦氘氚气体分离提供理论基础。为得到的氦氢气体中氢气吸附规律,本实验开展以下几项工作:(1)氦氢分离所用吸附床结构设计:通过对现阶段气体吸附床结构和ITER中TBM氚提取系统的氦氚混合气体参数进行调研,以及实验室所研发的氦氢混合气体装置的结构参数作为参考依据,作者自主设计满足氦氢分离实验所需功能的气密性良好、吸附效率高、方便拆装的多级串联径向流吸附床结构,并根据厂家生产的多空不锈钢尺寸及标准密封材料的尺寸确定吸附床内部尺寸,购买相关材料进行加工制作。最终制作出一个吸附剂填充层高度50 mm、吸附层厚度5、10、14mm,最大级数三级的多级串联径向流吸附床。多级串联结构在使用过程中可根据回收效率和吸附量的改变自行增减级数。多级串联径向流床对混合气体的回收效率I,通过实验测量得到不同使用条件下的单级吸附层的回收效率,从而可计算得到满足混合气体吸附要求的最小填装级数,减少实验测量的工作量。(2)氦氢分离吸附剂性能的测量:本实验选取ZrTiCo粉末作为氦氢混合气体中氢气吸附的材料。实验前对ZrTiCo粉末吸放氢前后粒径分布情况测量,得到其吸气前后粉末颗粒的直径分布情况以及比表面的变化,粉末平均粒径由吸氢前55.5μm变为吸氢后的26.3μm。表面积未吸氢前为0.258 m/g,充分吸氢后比表面积变为0.634 m/g,吸氢后材料的粉化变小现象明显。对ZrTiCo吸放氢前后的成分、物相进行测量,吸氢后的形成的测得材料中主要为ZrCo相,其次为TiCo相,还有少量的FeZr。吸氢后由于歧化反应生成的ZrCo和ZrH高温下不分解,聚留在粉末中,使得粉末材料的总吸氢量随吸放氢次数增加而逐渐减少。通过对ZrTiCo粉末进行振击实验,获得ZrTiCo粉末材料堆积孔隙率随振击次数增加的变化规律。实验测得粉末的孔隙率随振击次数的增加而减少,粉末粒径越小孔隙率变化越大,变化范围幅度随振击次数增加而逐渐减少,振击次数达到100后粉末孔隙率的变化量随振击次数增加该变量小。对ZrTiCo粉末材料的吸氢性能进行测量,ZrTiCo粉末进行活化处理可提高低压(0-5 Pa)条件下的吸氢速率与吸氢量,材料在一个大气压下可以达到最大吸氢量的95%,10 bar氢压下吸氢至饱和,吸氢速率随吸氢量和吸氢温度的增加而减少。在ZrTiCo装填进吸附床后需要对填装层进行100次左右的振击保证床体在进行组装和搬运工程中不会因为震动而改变体积,影响吸附效果。进行氦氢混合气体吸附前对材料进行活化处理可以提高对H的回收效率。(3)氦氢气体中氢气吸附测量:本实验进行的氦氢分离实验在团队自主研发的氦氢混合气体系统上进行,实验气路的设计及连接由本人参与完成。通过手动开关阀门及流量计参数条件得到不同条件下(气流速度(1-3 L/min)、氢气浓度(0.1-2at.%、吸附层厚度5/10/14 mm)的氢气回收效率曲线。吸附床的回收效率随气流速度增加而减少,随氢浓度增加先后减少,随吸附层厚度增加而增大。测量吸附床穿透曲线可知,当ZrTiCo吸氢量达到10%前,吸附床回收效率高,吸附效率随H/M(氢/金属)比变化不大。吸氢量在10-80%内,回收效率缓慢降低。当吸氢氢超过80%后,氢气的吸附效果显著降低。ZrTiCo作为吸氢材料,影响吸氢速度的主要因素为H/M(氢/金属)比。ZrTiCo吸氢量达到10%以上时,吸附速率下降,但仍具备一定吸氢能力,在满足回收效率的级数条件下可适当增加吸附剂填充级数,使得已穿透的吸附层可继续进行吸附氢气,提高吸附床对吸附剂的利用率。