“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)活性炭延遲衰變工藝研究

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(1. 中國核電工程有限公司，北京　100840；2.中國輻射防護(hù)研究院，山西　太原　030006)

在壓水堆核電廠運(yùn)行期間，一回路會(huì)產(chǎn)生放射性惰性氣體氪(Kr)和氙(Xe)等裂變產(chǎn)物，這些放射性惰性氣體通過一回路反應(yīng)堆冷卻劑下泄和疏水產(chǎn)生含氫廢氣。

“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)含氫廢氣主要來源于反應(yīng)堆冷卻劑脫除的氣體，以及容積控制箱、穩(wěn)壓器卸壓箱和反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱等設(shè)備的覆蓋和吹掃氣體。

由于“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)含氫廢氣流量較大，以及對活性炭吸附關(guān)鍵參數(shù)掌握不足，因此福建福清核電站5、6號機(jī)組等仍采用壓縮貯存衰變處理惰性氣體Kr和Xe。

放射性廢氣壓縮貯存衰變處理技術(shù)存在設(shè)備體積龐大、易泄漏、操作復(fù)雜和易燃爆等缺點(diǎn)，已逐漸在歐美發(fā)達(dá)國家核電站限制使用?；钚蕴垦舆t衰變處理技術(shù)的流程簡單、安全性高和自動(dòng)化運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外新建核電站的大量應(yīng)用。AP1000和EPR等先進(jìn)三代核電站則采用活性炭延遲衰變處理技術(shù)，利用Kr和Xe等放射性核素在活性炭表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附(吸附、解吸、再吸附和再解吸)，從而達(dá)到足夠的延遲和衰變時(shí)間[1]。為了推動(dòng)“華龍一號”實(shí)現(xiàn)“走出去”的國家戰(zhàn)略，應(yīng)盡快研究和開發(fā)廢氣處理系統(tǒng)活性炭延遲衰變技術(shù)，并在“華龍一號”核電機(jī)組中應(yīng)用。

本文通過研究溫度、壓力、相對濕度、流速以及活性炭床長徑比等參數(shù)對活性炭動(dòng)態(tài)吸附性能的影響，獲得華龍一號廢氣處理系統(tǒng)最佳工藝條件，由此設(shè)計(jì)活性炭延遲衰變處理的工藝流程。

1　系統(tǒng)參數(shù)對活性炭吸附性能影響

活性炭是經(jīng)過活化處理的多孔物質(zhì)，具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大和吸附性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。惰性氣體Kr和Xe的放射性衰變程度取決于活性炭對Kr和Xe的延遲時(shí)間。根據(jù)ANSI/ANS 55.4[3]，惰性氣體的延遲時(shí)間(T)與動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)(Kd)、活性炭質(zhì)量(M)和載氣流量(F)存在以下方程式：

T=KdM/F

式中：T——延遲時(shí)間，s；

Kd——?jiǎng)討B(tài)吸附系數(shù)，mL/g；

M——活性炭質(zhì)量，g；

F——載氣流量，mL/s。

活性炭對Kr和Xe的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)取決于活性炭類型、相對濕度、溫度和壓力等。[3]

雖然目前國內(nèi)有較多研究已經(jīng)得到了活性炭吸附性能影響因素[4-7]，但研究范圍不能覆蓋“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)的工藝條件。因此通過研究某活性炭樣品在溫度、壓力、相對濕度、流速以及活性炭床長徑比等單一參數(shù)變化下對Kr的性能影響，獲得華龍一號活性炭延遲衰變最佳工藝條件。

1.1　溫度

在常壓、相對濕度低于5%和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在溫度為10～50 ℃對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)(Kd)。

Kd的對數(shù)隨氣流溫度變化趨勢如圖1所示。隨著氣流溫度的升高，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)逐漸下降明顯，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)的對數(shù)與溫度呈線性關(guān)系。

圖1　不同氣流溫度下Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Fig.1　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow temperatures

1.2　壓力

在室溫20 ℃、相對濕度低于5%和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在壓力為常壓至0.8 MPa(表壓)之間對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)(Kd)。

Kd隨氣流壓力的變化趨勢如圖2，當(dāng)系統(tǒng)壓力逐漸增大時(shí)，活性炭對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)逐漸增大。在一定壓力范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)與壓力成二次曲線關(guān)系。

圖2　不同氣流壓力下Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Fig.2　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow pressures

1.3　相對濕度

在室溫、常壓和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在相對濕度為0～80%對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)。隨著氣流相對濕度逐漸增大，活性炭首先會(huì)吸附水蒸氣從而使得對Kr的吸附性能下降。

Kd隨氣流相對濕度的變化趨勢如圖3，在相對濕度低于20%時(shí)，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)變化較小。一旦相對濕度高于20%，氣流相對濕度越高，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)下降越明顯。

圖3　不同氣流相對濕度下Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Fig.3　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow relative humidities

1.4　流速

在室溫20 ℃、常壓和相對濕度低于5%下，研究某活性炭樣品分別在不同載氣流速下對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)。

Kd隨氣流相對濕度的變化趨勢如圖4，在流速低于0.05 cm/s時(shí)，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)明顯下降。當(dāng)流速由0.06 cm/s逐步增大至5 cm/s，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)基本不變。然而當(dāng)流速達(dá)到5.5 cm/s時(shí)，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)大大降低。因此，在保證載氣流速在0.06～5 cm/s時(shí)，活性炭對Kr的吸附性能基本無影響。

圖4　不同氣流流速下Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Fig.4　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow rates

1.5　活性炭床長徑比

在工程應(yīng)用過程中，首先需要設(shè)計(jì)活性炭床的結(jié)構(gòu)，即活性炭床的直徑和長度。在一定的溫度、壓力、相對濕度和流速下，研究某活性炭不同的長度與直徑之比對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)的影響。

Kd隨氣活性炭床長徑比的變化趨勢如圖5，活性炭床長徑比從1∶1增加到5∶1，活性炭對Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)有小幅度增大，直增加到3∶1后變化很小。

圖5　不同活性炭床長徑比下Kr的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Fig.5　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different length to diameter ratios of activated carbon bed

2　活性炭延遲衰變最佳工藝條件

根據(jù)惰性氣體Kr和Xe在活性炭的吸附存在相關(guān)性[8]，活性炭在不同系統(tǒng)參數(shù)下對Xe的動(dòng)態(tài)吸附性能影響與以上對Kr的動(dòng)態(tài)吸附性能影響是相似的，因此研究結(jié)果表明：

1)活性炭對惰性氣體的吸附系數(shù)隨著溫度的升高而減小，考慮到低溫需要冷凍水以及保溫措施，通常選擇室溫即可確保較高的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)；

2)活性炭對惰性氣體的吸附系數(shù)隨著系統(tǒng)壓力的增加而明顯增大，當(dāng)壓力升至0.7 MPa(表壓)以后動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)變化較小，由此建議處理量小時(shí)采用常壓，而處理量大時(shí)為避免活性炭床尺寸龐大采用加壓至不高于0.7 MPa(表壓)；

3)活性炭對惰性氣體的吸附系數(shù)隨著相對濕度的升高而減小，當(dāng)相對濕度低于20%時(shí)，活性炭的吸附性能影響較小，建議氣流相對濕度控制低于20%；

4)當(dāng)氣流流速保持在一定范圍內(nèi)，流速對活性炭影響較小，同時(shí)考慮活性炭床的長徑比影響，建議炭床長徑比不低于3∶1，此時(shí)確定碳床直徑后保證流速不低于0.05 cm/s或高于5 cm/s即可。

由上分析可知，“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)活性炭延遲衰變最佳工藝條件為在常溫、壓力為0.7 MPa(表壓)、相對濕度低于20%以及合適穩(wěn)定的氣流流速下，活性炭對Kr和Xe惰性氣體有很高的動(dòng)態(tài)吸附性能。

3　活性炭延遲衰變處理工藝流程

根據(jù)“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)含氫廢氣主要來源，上游最大廢氣流量為76 Nm3/h。由于廢氣處理量較大，設(shè)計(jì)兩條活性炭延遲衰變處理線，可減小活性炭裝量和設(shè)備大小。正常工況下一用一備，高峰期兩條處理線同時(shí)運(yùn)行。

廢氣處理系統(tǒng)活性炭延遲處理工藝流程見圖6。

圖6　“華龍一號”廢氣處理系統(tǒng)活性炭延遲處理工藝流程簡圖Fig.6　The simplified flow chart of activated carbon delay processing of the waste gas treatment system

含氫廢氣由管道收集后，首先進(jìn)入緩沖罐，平衡壓力后進(jìn)入含氫廢氣壓縮機(jī)升壓至0.7 MPa(表壓)。壓縮后的廢氣用壓縮氣體冷卻器冷卻至10 ℃，再通過氣水分離器分離掉冷凝液。

隨后含氫廢氣再進(jìn)入保護(hù)床，進(jìn)一步除濕和去除化學(xué)毒物，以保證下游活性炭的吸附效率。在保護(hù)床后設(shè)置溫度和相對濕度監(jiān)測，確保進(jìn)入延遲床廢氣的溫度保持在室溫，相對濕度低于20%。

最后廢氣通過幾臺串聯(lián)的延遲床滯留衰變惰性氣體Kr和Xe，當(dāng)其中任何一臺延遲床需要更換活性炭時(shí)可旁通。處理后的氣態(tài)流出物經(jīng)在線輻射監(jiān)測后由廠房通風(fēng)系統(tǒng)的煙囪，向環(huán)境排放。

根據(jù)惰性氣體的延遲時(shí)間計(jì)算方程式[3]，在保證足夠的活性炭裝量時(shí)，華龍一號廢氣處理系統(tǒng)延遲衰變處理工藝對Kr和Xe的延遲衰變時(shí)間將分別大于3天和42天。

4　結(jié)論

惰性氣體活性炭延遲衰變工藝由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸在第三代核電廠AP1000和EPR核電機(jī)組上應(yīng)用，同時(shí)也得到核電站評審、設(shè)計(jì)和運(yùn)營人員的認(rèn)可。

本文通過研究華龍一號廢氣處理系統(tǒng)工藝條件(如溫度、壓力、相對濕度、流速和炭床長徑比等)對活性炭動(dòng)態(tài)吸附性能的影響，確定了最佳的工藝運(yùn)行條件。按照最佳工藝運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)華龍一號惰性氣體活性炭延遲衰變工藝流程，該工藝處理流程簡單、設(shè)備占地小、安全性高和可自動(dòng)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。該工藝流程能確保對Kr和Xe有足夠延遲衰變時(shí)間，保證氣態(tài)流出物的放射性排放滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6249的要求[9]。

廢氣處理系統(tǒng)采用活性炭延遲衰變處理后，由于設(shè)備占地小可節(jié)省投資成本，同時(shí)自動(dòng)化運(yùn)行則大大降低運(yùn)行期間人員的輻射照射。與加壓貯存衰變相比，不存在貯存大量含氫廢氣時(shí)易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)，大大提高系統(tǒng)安全性。因此，華龍一號廢氣處理系統(tǒng)采用活性炭延遲衰變工藝可帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和提高安全性。

隨著“華龍一號”走出去的國家戰(zhàn)略，本文的惰性氣體活性炭延遲衰變將作為出口海外的可選工藝，能滿足國外相關(guān)的法規(guī)要求。