超臨界二氧化碳流載干冰去污裝置研制

滕磊 孫志軍 張永領(lǐng)

摘要：本文簡(jiǎn)要回顧了核設(shè)施退役領(lǐng)域常用的去污方法及其利弊，介紹了傳統(tǒng)的干冰噴射去污工藝及其機(jī)理，提出了使用超臨界二氧化碳作為干冰顆粒的載送劑以提高去污效率的思路。在此基礎(chǔ)上，對(duì)超臨界二氧化碳流載干冰去污機(jī)理進(jìn)行了論述和分析，并自主研制了超臨界二氧化碳流載干冰去污裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核設(shè)施內(nèi)部大面積金屬污染表面進(jìn)行去污，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：核設(shè)施；去污；超臨界二氧化碳；干冰

前言

退役是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，退役過(guò)程中涉及到大量的放射性操作，良好的去污效果是保證操作人員輻射防護(hù)、保護(hù)公眾免受過(guò)量照射、保護(hù)環(huán)境的必要條件。

退役領(lǐng)域中常見(jiàn)的去污方法主要有機(jī)械剝離去污、高壓水射流去污、化學(xué)/電化學(xué)去污、干冰噴射去污等[1]。其中機(jī)械剝離去污和高壓水去污得到了更加廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械剝離去污適用于小面積深度污染，工作效率較低；高壓水去污中使用大量的水，會(huì)產(chǎn)生大量的二次廢物[2]甚至造成局部二次污染等。

近年來(lái)，在石油化工領(lǐng)域廣泛使用的干冰清洗技術(shù)克服了傳統(tǒng)清洗技術(shù)的不足，是一種真正的綠色清洗技術(shù)[3]。干冰清洗技術(shù)于80年代末期開(kāi)始應(yīng)用于美國(guó)國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、航空業(yè)、核電工業(yè)、食品加工等工業(yè)領(lǐng)域[4]。傳統(tǒng)的干冰噴射去污工藝，一般是使用空氣作為干冰顆粒的載送劑，且壓縮空氣壓力一般小于1MPa。主要原理是用二氧化碳制成干冰顆粒噴射處理物，利用各種物質(zhì)熱膨脹系數(shù)的不同對(duì)物體表面采用瞬間降溫，使處理物表面的污垢在極短的時(shí)間內(nèi)凍到脆化及爆裂，干冰顆粒鉆進(jìn)污垢的裂縫后隨即氣化，其體積亦在瞬間膨脹近800倍，從而把污垢帶離物體表面的方法[5，6]。但是，由于壓縮空氣提供的動(dòng)能較小，無(wú)法使干冰顆粒達(dá)到一定的速度，減弱了去污效果。

超臨界二氧化碳是壓力和溫度均高于其臨界值（Pc=7.39MPa，Tc=31.06℃）的二氧化碳流體，其性質(zhì)介于氣體與液體之間，具有粘度低、擴(kuò)散性強(qiáng)、溶解/溶質(zhì)性好、流動(dòng)、滲透和傳遞性能超強(qiáng)的特點(diǎn)。其密度為氣態(tài)二氧化碳的數(shù)百倍，接近液態(tài)二氧化碳的密度；其粘度與氣態(tài)二氧化碳相當(dāng)，只有液態(tài)二氧化碳的 1/10；其擴(kuò)散系數(shù)是液態(tài)二氧化碳的 100 倍，接近于氣態(tài)。因此，使用超臨界二氧化碳作為干冰顆粒的載送劑，可以使干冰顆粒獲得較高的動(dòng)能，去污效果會(huì)有一定提升。

1 去污裝置簡(jiǎn)介

根據(jù)超臨界二氧化碳的特點(diǎn)和去污機(jī)理，研制了超臨界二氧化碳流載干冰去污裝置，其主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分組成：一、機(jī)架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；二、干冰制備系統(tǒng)；三、超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)；四、噴射去污系統(tǒng)；五、回收系統(tǒng)；六、控制系統(tǒng)。

1.1機(jī)架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

干冰去污裝置機(jī)架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用，一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、設(shè)備、管道的集成布置，便于運(yùn)輸；二是將噴嘴送至指定位置進(jìn)行去污作業(yè)。

機(jī)架為整個(gè)原理樣機(jī)的基座，并實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)、設(shè)備之間的集成化布置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要作用是帶動(dòng)噴射去污系統(tǒng)的噴嘴做指定軌跡的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)去污作業(yè)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的自由度，噴嘴具備X軸、Y軸兩個(gè)方向的自由度。整個(gè)機(jī)架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可覆蓋作業(yè)空間500mm×500mm×100mm，定位精度可達(dá)1mm。

1.2干冰制備系統(tǒng)

干冰制備系統(tǒng)，主要是用來(lái)生產(chǎn)合適大小粒徑的干冰微粒。

干冰制備系統(tǒng)主要由二氧化碳?xì)馄俊⒏杀炝C(jī)、干冰破碎機(jī)、振動(dòng)篩以及連接系統(tǒng)管道、泵閥等設(shè)備組成?？芍苽渲睆?.5mm、0.75mm、1mm、2mm、3mm五種規(guī)格的干冰顆粒，產(chǎn)量可達(dá)1kg/min。

1.3超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)

超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)的功能：一是長(zhǎng)期安全存儲(chǔ)足夠數(shù)量的液態(tài)二氧化碳；二是生成滿足試驗(yàn)要求的超臨界二氧化碳。因?yàn)橹挥性诖_保二氧化碳為液態(tài)的條件下，才能保證其正常輸送。容器內(nèi)二氧化碳的壓力應(yīng)控制在10.0MPa，罐內(nèi)溫度為室溫，并安裝應(yīng)急與保護(hù)措施，以確保試驗(yàn)人員與試驗(yàn)設(shè)備安全。

超臨界二氧化碳制備部分包括二氧化碳?xì)馄?、氣瓶增壓器、二氧化碳補(bǔ)充泵、壓力表、液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐冷卻器、電加熱器以及系統(tǒng)回路管道、閥門組成。

增壓泵是超臨界二氧化碳制備系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備。超臨界二氧化碳?jí)毫υ礁?，去污能力越?qiáng)，去污效率越高。本裝置可以實(shí)現(xiàn)10～300MPa之間的壓力區(qū)域開(kāi)展去污。

1.4噴射去污系統(tǒng)

噴射去污系統(tǒng)的主要功能：一是形成高壓/超高壓超臨界二氧化碳干冰混流體，開(kāi)展去污試驗(yàn)；二是收集回收超臨界二氧化碳、固體廢物等雜質(zhì)。高壓/超高壓超臨界二氧化碳干冰采用后混形式，即在高壓/超高壓超臨界二氧化碳噴射管路的后端添加干冰顆粒，減少超臨界二氧化碳和干冰的接觸時(shí)間。高壓/超高壓超臨界二氧化碳流載干冰噴射去污試驗(yàn)在密閉箱體（類似手套箱結(jié)構(gòu)）內(nèi)開(kāi)展，箱體下端連接二氧化碳回收部分。

噴射去污系統(tǒng)主要有二氧化碳?xì)馄?、壓力表、風(fēng)機(jī)、噴射裝置、密閉箱體以及系統(tǒng)回路管道、閥門組成。

噴射裝置主要由槍體、加料管連接套、噴嘴、固定裝置、快速安裝套管、混料腔、聚焦管等構(gòu)成。它的功能是通過(guò)高壓/超高壓超臨界二氧化碳將干冰顆粒帶出，對(duì)物項(xiàng)進(jìn)行去污。由超高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓/超高壓超臨界二氧化碳射流，經(jīng)混沙腔與干冰顆?；旌虾笥蓢娚溲b置噴射口噴射至去污對(duì)象表面進(jìn)行去污。超臨界二氧化碳流載干冰去污原理樣機(jī)所用的干冰是經(jīng)專門篩選、大小一致的干冰顆粒。

噴嘴是噴射去污系統(tǒng)最核心的設(shè)備。本裝置采用如圖1所示的后混式干冰噴射噴嘴。

1.5回收系統(tǒng)

回收系統(tǒng)主要包括一級(jí)過(guò)濾器、二級(jí)過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、冷卻器、溫度傳感器、壓力傳感器、增壓泵以及系統(tǒng)回路管道、閥門組成。回收系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以滿足3000m3/h的能力；過(guò)濾器能去除凈化直徑0.3μm以上的固體雜質(zhì)。

2 總結(jié)及展望

由于傳統(tǒng)的去污方法普遍存在去污效率低、二次廢物產(chǎn)生量大等缺點(diǎn)，核設(shè)施退役去污領(lǐng)域正面臨著巨大挑戰(zhàn)。提出超臨界二氧化碳流載干冰去污工藝的創(chuàng)新點(diǎn)在于可以解決上述的兩個(gè)弊端，即可以提高去污效率，減少二次廢物產(chǎn)生量。因此，將超臨界二氧化碳流載干冰去污工藝作為下一代核設(shè)施退役去污技術(shù)符合發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出的超臨界二氧化碳流載干冰去污設(shè)備及其工藝，成本低，去污效率高，循環(huán)利用率高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核設(shè)施通風(fēng)管道內(nèi)表面、貯液槽罐表面、核設(shè)施墻地面覆面板等大面積金屬污染表面進(jìn)行去污，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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第一作者簡(jiǎn)介：

滕 磊（1987—），男，大學(xué)本科，助理研究員，主要從事核設(shè)施退役及反應(yīng)堆檢修工藝設(shè)計(jì)。