放射性廢氣處理系統(tǒng)活性炭滯留單元工程規(guī)模裝置性能研究

李永國(guó)，劉 羽，丘丹圭，劉 群，于偉躍， 常 森，胡 波，俞 杰，韓麗紅，侯建榮

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006； 2.中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 075214)

0 引言

核電站運(yùn)行過(guò)程中，氣態(tài)裂變產(chǎn)物部分通過(guò)乏燃料組件缺陷釋放進(jìn)入一回路冷卻系統(tǒng)，并在脫氣處理時(shí)隨著氮?dú)饣蛘邭錃忉尦?。廢氣中放射性貢獻(xiàn)較大的主要是Xe、Kr等惰性氣體的放射性同位素、放射性碘和氣溶膠等[1-3]。此類放射性廢氣如果不經(jīng)過(guò)處理而直接排放會(huì)造成大氣環(huán)境的污染與人員的輻射照射。對(duì)于碘和氣溶膠，通過(guò)碘吸附器和高效過(guò)濾器可有效去除，但放射性惰性氣體一般通過(guò)滯留一定的時(shí)間，使短半衰期核素自然衰變至可接受水平再排放。

自20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究單位通過(guò)吸附滯留技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，固體吸附劑可以通過(guò)物理作用對(duì)放射性廢氣中的惰性氣體核素進(jìn)行吸附，從而使惰性氣體核素與其他載氣介質(zhì)逐漸分離[4-6]。因活性炭具有強(qiáng)的吸附活性且價(jià)格低廉而備受關(guān)注[7-10]?；钚蕴繙艄に嚨脑頌楹蟹派湫院怂氐臍怏w經(jīng)過(guò)活性炭時(shí)，Kr-85、Xe-133等核素因分子量較大而易被活性炭?jī)?yōu)先吸附，不斷形成吸附、解吸、再吸附、再解吸的動(dòng)態(tài)平衡，放射性核素在此過(guò)程中不斷衰變，活度濃度降低至環(huán)境可接受水平，最終隨載氣一起排出?；钚蕴繙艄に嚥恍枰獙?duì)非放射性載氣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高壓貯存，可大大降低設(shè)備容積和對(duì)廠房空間的占用。美國(guó)、俄羅斯以及法國(guó)等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)一直致力于活性炭滯留技術(shù)的研究與成套設(shè)備開(kāi)發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品已在不同核電廠廢氣處理系統(tǒng)得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在運(yùn)行田灣核電廠、秦山三期核電廠以及引進(jìn)三代核電堆型均使用活性炭滯留技術(shù)處理放射性廢氣[11]。國(guó)內(nèi)中國(guó)輻射防護(hù)研究院、清華大學(xué)、上海核工程研究設(shè)計(jì)院以及南華大學(xué)等開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究[7-10]，但目前國(guó)內(nèi)絕大部分核電站采用的放射性氣體活性炭滯留系統(tǒng)均由NUCON、AREVA等國(guó)外供貨商供貨。

為實(shí)現(xiàn)活性炭滯留技術(shù)成套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，中國(guó)輻射防護(hù)研究院從惰性氣體的吸附機(jī)理、核心吸附材料的選型制備、吸附材料與滯留單元性能評(píng)價(jià)方法等方面進(jìn)行了大量的研究，研制得到了一套工程規(guī)模的樣機(jī)裝置。同時(shí)模擬核電廠工藝氣體參數(shù)條件，對(duì)該工程樣機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的性能實(shí)驗(yàn)研究，為成套設(shè)備的工程化應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。最終研制得到可用于不同核設(shè)施放射性廢氣處理系統(tǒng)的活性炭滯留工藝相關(guān)核心材料及成套設(shè)備。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工程樣機(jī)流程圖

活性炭滯留工程樣機(jī)裝置組成模塊以及流程示于圖1，包括氣流模擬單元、冷凝除濕系統(tǒng)、冷凝水制備系統(tǒng)、氣水分離器系統(tǒng)、液體收集單元、干燥單元、氣流加熱單元以及兩級(jí)活性炭延遲單元。運(yùn)行過(guò)程中，上游氣流經(jīng)過(guò)氣流模擬單元后，形成一定的參數(shù)條件，經(jīng)過(guò)冷凝除濕進(jìn)行預(yù)干燥，再進(jìn)入硅膠干燥單元二次除濕后進(jìn)入活性炭延遲單元。干燥床再生時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)氣流加熱單元后，一定溫度的干燥氣流進(jìn)入干燥單元進(jìn)行脫水干燥。

圖1 活性炭滯留工程樣機(jī)流程圖Fig.1 Schematic diagram of activated carbon delay system

1.2 干燥床單元設(shè)計(jì)

硅膠干燥床的功能是進(jìn)一步降低廢氣的濕度，控制進(jìn)入活性炭滯留床的氣體相對(duì)濕度≤15%，保證活性炭的吸附性能和使用壽命。硅膠干燥床采用不銹鋼制造的立式壓力容器，示于圖2。除濕時(shí)，廢氣自下而上流經(jīng)硅膠干燥床。硅膠干燥床內(nèi)填充硅膠干燥劑作為吸附劑，為了達(dá)到最佳干燥效果，選用吸水性能好的不同類型硅膠干燥劑混合裝填的方式，同時(shí)裝填使用前對(duì)干燥劑進(jìn)行預(yù)處理。利用硅膠干燥床頂部的裝卸料口，可在硅膠干燥劑不可用之后進(jìn)行更換。硅膠干燥床的泄漏率低于10-6mbar·L/s，本項(xiàng)目工程樣機(jī)硅膠干燥劑總裝填量為43 kg。

圖2 工程樣機(jī)干燥床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram for drying bed structure

1.3 延遲單元設(shè)計(jì)與吸附劑裝填

滯留單元的廢氣滯留部分由2臺(tái)串聯(lián)的不銹鋼活性炭滯留床壓力容器組成，采用緊湊性W型結(jié)構(gòu)形式，活性炭裝填總量為2.46 t，活性炭滯留床泄漏率低于10-6mbar·L/s。氣體自活性炭床上端進(jìn)入，流經(jīng)炭床后自床體上端流出，降低活性炭顆粒被夾帶流出的可能性。

活性炭滯留床頂部設(shè)有三個(gè)裝卸料管口，分別位于罐體頂部位置，管口與管道采用法蘭連接，便于活性炭的裝填和更換。工程樣機(jī)吸附裝填采用真空全密封操作，避免裝填過(guò)程中人員吸入粉塵以及活性炭吸附環(huán)境中水分而導(dǎo)致性能降低，工藝流程示于圖3。

1.4 工程樣機(jī)整機(jī)集成

研制得到的活性炭滯留工程規(guī)模裝置包括氣流參數(shù)模擬、冷凝水制備、氣體冷卻器、氣水分離器、干燥床、延遲床模塊等，相關(guān)儀表設(shè)備集成為三個(gè)模塊。實(shí)物示于圖4。

1.5 主要模塊設(shè)計(jì)功能試驗(yàn)

1.5.1氣體冷卻器功能試驗(yàn)

根據(jù)特定氣流參數(shù)條件，模擬指定工況下的進(jìn)氣參數(shù)和冷卻劑性質(zhì)，測(cè)試不同工況下的氣體、冷卻劑出口溫度。試驗(yàn)工況與性能指標(biāo)列于表1。

表1 氣體冷卻器試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions for gas cooler

圖3 活性炭裝填過(guò)程流程圖Fig.3 Flow chart of activated carbon filling process

圖4 活性炭滯留單元工程樣機(jī)裝置Fig.4 A photo for prototype delay bed of activated carbon

1.5.2硅膠干燥床除濕性能

模擬體積流量為1 m3/h、25 ℃、相對(duì)濕度大于95%以及微正壓氣流參數(shù)工況下進(jìn)行試驗(yàn)。在上游氣體濕度、溫度穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)，分析硅膠干燥床出口氣體濕度，最終繪制出口氣體濕度隨時(shí)間變化的擬合曲線，從而得到一定氣流參數(shù)條件干燥單元單次可持續(xù)使用時(shí)間。

1.5.3硅膠干燥床再生性能

干燥床使用過(guò)程中，當(dāng)硅膠床出口氣體濕度達(dá)到設(shè)定值15%時(shí)，對(duì)硅膠床進(jìn)行再生。利用對(duì)進(jìn)氣管道加熱吹掃硅膠床，試驗(yàn)工況列于表2。再生過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間記錄一次出口氣體相對(duì)濕度值，當(dāng)出口濕度低于3.0%時(shí)再生完成。并繪制出口氣體相對(duì)濕度隨時(shí)間變化曲線，分析不同工況條件下干燥劑再生時(shí)間。

1.5.4滯留床惰性氣體滯留能力試驗(yàn)

模擬進(jìn)氣參數(shù)，測(cè)定指定條件下，活性炭床對(duì)放射性Kr-85的滯留性能。

打開(kāi)放射性惰性氣體測(cè)量?jī)x，儀器測(cè)量腔室本底30～45 min；打開(kāi)氣源，試驗(yàn)回路通入壓縮空氣，當(dāng)溫濕度等條件參數(shù)穩(wěn)定后，注入示蹤劑，保證載氣快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。如使用一個(gè)試驗(yàn)床進(jìn)行測(cè)試，在前一次測(cè)試完后應(yīng)對(duì)炭床內(nèi)放射性核素進(jìn)行空氣吹掃(5 m3/h)，確保不會(huì)對(duì)下一次試驗(yàn)造成影響。

表2 硅膠干燥床再生工況參數(shù)Tab.2 Regeneration conditions for silica gel bed

活性炭的吸附性能由其對(duì)惰性氣體的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Kd表示，Kd通過(guò)式(1)計(jì)算得出[7]：

(1)

式中，Kd為動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)，mL/g；F為氣體流量； mL/min；M為活性炭質(zhì)量，g；t為平均滯留時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

2.1 核心吸附材料動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)

試驗(yàn)采用椰殼活性炭對(duì)放射性Kr和Xe進(jìn)行吸附試驗(yàn)，在20 ℃、氣流比速0.12 cm/s、相對(duì)壓力0.014 MPa以及氣流相對(duì)濕度5.0%條件下，對(duì)用于滯留單元工程樣機(jī)的活性炭樣品進(jìn)行了放射性惰性氣體氪氙的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)的測(cè)量，結(jié)果列于表3。由表3結(jié)果可知，該活性炭對(duì)氪氙具有良好的吸附滯留性能，遠(yuǎn)高于美國(guó)核管會(huì)要求的氪和氙動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)18.5 mL/g和330 mL/g的要求。

表3 活性炭氪氙動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Tab.3 Dynamic adsorption efficiency of activated carbon in delay bed

2.2 氣體冷卻器性能實(shí)驗(yàn)

活性炭滯留單元工程樣機(jī)氣體預(yù)處理單元?dú)怏w冷卻器采用套管盤(pán)管式設(shè)計(jì)，套管內(nèi)部為氣流。試驗(yàn)過(guò)程對(duì)兩種不同工況氣體狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果列于表4。上游氣體經(jīng)冷卻器冷凝除濕后，進(jìn)入汽水分離系統(tǒng)，樣機(jī)汽水分離采用旋風(fēng)分離方式設(shè)計(jì)。由表4結(jié)果可知，一定條件的氣流經(jīng)過(guò)氣體冷卻器后，溫度明顯降低，同時(shí)壓降值較小。

表4 氣體冷卻器性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Performance test results of gas cooler

2.3 硅膠干燥床除濕性能試驗(yàn)

進(jìn)氣氣流參數(shù)條件為相對(duì)濕度95%～100%、相對(duì)壓力0.014 MPa·g、體積流量為1 m3/h、溫度25 ℃條件下，出口氣流濕度控制小于15%。結(jié)果可知，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，干燥床出口濕度逐漸增大，硅膠干燥床單次使用時(shí)間為710 h以上，出口濕度變化曲線示于圖5。

圖5 硅膠干燥劑吸附出口濕度變化曲線圖Fig.5 Variation of outlet humidity of silica gel desiccant

2.4 硅膠干燥床再生性能試驗(yàn)

經(jīng)工程樣機(jī)干燥單元實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，100 ℃條件下再生完成總時(shí)間為18.5 h；120 ℃條件下再生完成總時(shí)間為17.6 h。隨著再生溫度的提高，再生耗時(shí)越短，但溫度過(guò)高容易對(duì)干燥劑造成損害。圖6(a)、(b)分別為100 ℃、120 ℃條件下再生曲線。

圖6 再生溫度100 ℃和120 ℃時(shí)硅膠 干燥劑再生出口濕度變化曲線圖Fig.6 Variation of outlet humidity of silica gel desiccant regenerated at 100 ℃ (a) and 120 °C (b)

2.5 工程樣機(jī)活性炭床滯留性能試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程對(duì)不同流量、不同溫度以及常壓條件下單床、雙床進(jìn)行了放射性Kr-85滯留時(shí)間試驗(yàn)(示于圖7)。由圖7可見(jiàn)，1 m3/h、25 ℃條件下兩級(jí)活性炭床串聯(lián)平均滯留時(shí)間為113 h(如圖7-A所示)；1 m3/h、25 ℃條件下單級(jí)活性炭床滯留時(shí)間為58 h(如圖7-B所示)；10 m3/h、25 ℃條件下單級(jí)活性炭床滯留時(shí)間為368 min(如圖8-C所示)；20 m3/h、25 ℃條件下單級(jí)活性炭床滯留時(shí)間為176 min(如圖8-D所示)。 另通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步得到，30 m3/h、25 ℃條件下單級(jí)活性炭床滯留時(shí)間為126 min；1 m3/h、40 ℃條件下兩級(jí)活性炭床串聯(lián)滯留時(shí)間為54 h。在25 ℃條件下、0.014 MPa條件下活性炭對(duì)放射性Xe-133動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)為985 mL/g，計(jì)算可知單級(jí)活性炭床對(duì)Xe-133滯留時(shí)間可達(dá)52 d。

核電廠對(duì)放射性Kr-85與Xe-133滯留時(shí)間一般要求大于40 h與40 d，由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，該工程規(guī)?；钚蕴繙粞b置對(duì)惰性氣體滯留性能遠(yuǎn)高于核電廠設(shè)計(jì)要求。

A—兩級(jí)滯留床；B—單級(jí)滯留床。圖7 流速 1 m3/h時(shí)兩種滯留床滯留時(shí)間曲線Fig.7 Retention times of two delay beds at 1 m3/h flow rate

圖8 流速10 m3/h(C)與20 m3/h(D)時(shí)單級(jí)滯留床滯留時(shí)間曲線Fig.8 Retention time of a single-stage delay bed at 10 m3/h (C)and 20 m3/h (D)flow rates

3 結(jié)語(yǔ)

研制的放射性廢氣處理系統(tǒng)活性炭滯留單元工程樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用于模擬不同氣流參數(shù)條件下滯留單元性能評(píng)價(jià)。該工程樣機(jī)活性炭滯留床對(duì)放射性氪滯留時(shí)間≥110 h；硅膠床出口氣體濕度≤15%，干燥床單次使用時(shí)間可達(dá)710 h；在氣流溫度100 ℃條件下， 硅膠干燥床18.5 h可完成再生。研發(fā)的配套全密封式活性炭裝卸料系統(tǒng)，避免了滯留床活性炭裝卸過(guò)程吸附劑失效與人員粉塵吸入。研制的工程樣機(jī)滿足工程應(yīng)用要求，具備實(shí)際工程應(yīng)用條件。