[发明专利]一种聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法及装置

权利要求书

1.一种聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）清洗去污工艺：将可挥发性清洗介质干冰颗粒在助推气体高压二氧化碳的助推下，喷射在待清洗表面，在碰撞待清洗表面的同时可挥发性颗粒破碎气化，撞击和挥发气化时产生的压力将清洗表面黏连附着的污染物与清洗表面分离，在密闭的清洗室内形成具有一定压力的载带着放射性颗粒的混合气体，可挥发性颗粒不断升华，使得清洗室内压力升高，之后以气流为依托，载带从污染表面清洗分离下的放射性颗粒离开清洗室，进入固态和液态杂质过滤净化工艺流程；

（2）固态和液态杂质过滤净化工艺：对载带着放射性颗粒的混合气体首先进行前置除尘过滤，除去废气中的固体放射性颗粒的同时，集中收集防止其扩散，完成前置除尘过滤；再进行除油过滤处理，除去废气中夹杂的油脂类物质，之后进入微热再生气体干燥器除去混合气中的氚水蒸气，完成除水过滤，最后再经过后置除尘过滤二次过滤固态杂质；上述工艺完成后，混合气体完成了固态和液态相杂质的分离，剩下的混合气体中主要含有作为助推气体和清洗介质升华后的二氧化碳气体和需要除去的放射性核燃料氚以及微量的无害冷却剂氦和其他无害微量杂质, 包括氦气、氮气对环境无影响不属于有害物质可留存；

（3）二氧化碳深冷精馏分离工艺：对经过步骤（2）的前置除尘、除油、除水和后置除尘四重过滤后的混合气体中的放射性核燃料氚送入-50℃--77℃深冷精馏塔，利用混合气体不同组分之间液化温度的差异，通过物理变化精确控制深冷精馏塔温度将液化温度最高的二氧化碳降温液化后与其他杂质气体进行分离，得到洁净的液态二氧化碳，之后进入储罐保存备用；

（4）低温动力气体制备工艺：由步骤（3）分离净化后洁净液态二氧化碳经过汽化、增压形成低温高压气体，通过管路输送至高压储罐，调温后转化为-20℃—-50℃低温动力气体，在需要使用时作为气力输送和清洗去污工艺中的动力源推送可挥发性清洗干冰颗粒，吹扫清洗室使用；

（5）可挥发性颗粒再生工艺：由步骤（3）所制备的洁净的液态二氧化碳由管路通入外冷源冷却的深冷结晶器，在结晶器内逐渐凝固成雪花状固体干冰，再由造粒机挤压成型成为干冰颗粒，即为可挥发性清洗介质干冰颗粒；

（6）可挥发性颗粒远距离气力输送工艺：以步骤（4）产生的低温气体为动力源，采用气力输送的方式，将步骤（5）中制备的可挥发性颗粒清洗介质干冰颗粒远距离吹送进清洗室中的喷射器，在喷射器内再引一路由步骤（4）产生的高压助推气体混合二次加速后，喷射出喷射器，在清洗室内喷向待清洗部件的表面完成清洗任务；所述步骤（1）助推气体高压二氧化碳的压力为10-500bar。

2.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于：所述步骤（2）中经前置除尘过滤采用HEPA高效过滤器除尘，净化废气气体的同时，还能够实现对放射性颗粒进行收集，防止其扩散。

3.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于：所述步骤（2）中微热再生气体干燥器对吸收后的氚水可以再生，以备提取核燃料氚使用，使用时微热再生气体干燥器一开一备，当水分接近20mg/L，则启用备份微热再生气体干燥器，运行着的微热再生气体干燥器退出再生，再生时电加热器加热至250-300℃时氚水蒸气再生，当再生气出口温度≥120℃时，再生结束，水蒸气冷却到常温成液态供分离同位素核燃料使用。

4.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于：所述步骤（3）具体操作如下：干燥过滤后混合气体进入深冷精馏塔，二氧化碳在混合气体各组液化温度最高，在外冷源的驱动下，在换热盘管-50℃--77℃冷却温度的作用下相变液化，以液态的形式集聚在深冷精馏塔底部，放出后留存，未液化的气体杂质集聚在塔顶，通过顶部管路进入废气储罐，实现气态杂质分离，含有大量放射性核燃料氚的未液化杂质气体，经过相关废气处理工艺提氚后回收核燃料，其余气体达到清洁解控标准后排放。

5.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于：所述步骤（3）中，可以同时使用多个深冷精馏塔提高分离效率，也可以采用多级深冷精馏分离工艺，提高产品纯度。

6.根据权利要求1所述的聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用方法，其特征在于：所述步骤（5）中深冷结晶器的深冷温度低于-90℃。

7.一种聚变堆热室清洗废气深冷精馏净化再生利用装置，其特征在于：包括清洗去污单元、固态和液态杂质过滤净化单元、二氧化碳深冷精馏分离单元、低温动力气体制备单元、可挥发性颗粒再生单元、可挥发性颗粒远距离气力输送单元；

所述清洗去污单元包括：喷射器、包覆容器、运输装置和吹扫喷淋装置；喷射器与可挥发性颗粒远距离气力输送单元中的低温气力输送器相连，运输装置和吹扫喷淋装置均在包覆容器内部，包覆容器为一密封部件，包覆容器外部为热室内环境，内腔体与固态和液态杂质过滤净化单元相连，清洗作业时，运输装置将待清洗部件运输至距离喷射器合适位置，经过干冰爆破清洗和高压气体吹扫后完成清洗作业，清洗作业所产生的废气通过管路输送至固态和液态杂质过滤净化单元；

所述固态和液态杂质过滤净化单元包括前置除尘过滤器、除油过滤器、微热再生气体干燥器、后置除尘过滤器和第一增压泵、阀；上述部件之间采用串联关系:前置除尘过滤器上级与清洗室相连，下级依次连接除油过滤器、微热再生气体干燥器、后置除尘过滤器和第一增压泵，清洗废气首先经过前置除尘过滤器除去放射性颗粒物，紧接着通过除油过滤器除去油脂类杂质，然后通过微热再生气体干燥器除去氚水，最后通过后置除尘过滤器再脱一次固态杂质，这其中微热再生气体干燥器可以再生出氚水供提取核燃料氚；

所述二氧化碳深冷精馏分离单元包括混合气体缓冲罐、第二增压泵、深冷精馏塔、外冷源、液态二氧化碳缓冲罐、相关远程连锁控制阀；上述设备之间采取串联方式连接：混合气体缓冲罐上级连接固态和液态杂质过滤净化单元，下级连接第二增压泵、深冷精馏塔，深冷精馏塔设置有外冷源驱动的换热盘管，制冷剂即冷媒从深冷精馏塔上部流入从下部流出，深冷精馏塔底部设置有液态二氧化碳排出管路与液态二氧化碳缓冲罐相连接；除去固态和液态杂质的混合气体进入深冷精馏塔，在外冷源的驱动下，在换热盘管-50℃--77℃冷却的作用下相变液化，以液态的形式集聚在深冷精馏塔底部，放出后留存，未液化的气体杂质集聚在深冷精馏塔塔顶，通过顶部管路进入废气储罐，实现气态杂质分离，含有大量放射性核燃料氚的未液化杂质气体，经过相关废气处理工艺提氚后回收核燃料，其余气体达到清洁解控标准后排放；

所述低温动力气体制备单元包括汽化器、第三增压泵、低温高压气体储罐；上述设备采取依次串联方式连接：汽化器与上级二氧化碳深冷精馏分离单元中液态二氧化碳缓冲罐相连，下级依次连接第三增压泵和低温高压气体储罐；液化分离后液态二氧化碳经过缓冲存储之后，输入汽化器之后汽化变成气体，再通过第三增压泵增压通过管路输送至低温高压储罐保冷储存，在需要使用时作为清洗去污工艺中的动力源，供清洗时推送可挥发性颗粒干冰使用；

所述可挥发性颗粒再生单元包括深冷结晶罐、外冷源、干冰造粒机；上述设备依次串联：深冷结晶罐上级与二氧化碳深冷精馏分离单元的液态二氧化碳缓冲罐相连，下级连接干冰造粒机，外冷源与深冷结晶罐中的换热盘管相连，将净化后的液态二氧化碳通过管路输送进深冷结晶罐，在外冷源的冷却作用下利用低温低压固化过程，将二氧化碳进一步迅速冷却，深冷温度低至-90℃甚至更低，通过旋转的叶片将冷凝的固态干冰甩离叶片后在重力的作用下滑落至容器底部，深冷结晶罐底部与干冰成型机相连接，通过螺旋输送机挤压通过模具成型后成为圆柱状胚件，之后通过两个带螺旋孔形模具的轧辊相互交叉配置，以相同方向旋转，带动圆形轧件反向旋转并前进，轧件在螺旋孔型作用下，直径压缩轴向延伸，轧制成所需的圆形颗粒；

所述可挥发性颗粒远距离气力输送单元包括低温气力输送器；低温气力输送器上级分别与可挥发性颗粒再生单元的干冰造粒机和低温动力气体制备单元的低温高压气体储罐相连，下级与清洗去污单元内的喷射器相连；工作时以制备的低温动力气体为动力利用气力输送的方式将再生出的干冰颗粒，远距离输送进清洗室内的喷射器中，在喷射器混合室内再次与低温高压气体二次混合加速后，喷射进清洗室中的待清洗部件的污染表面完成清洗任务。