核電廠14C處理用CO2吸收劑性能研究

顧林峰 白杉 葛云瑞

摘? 要：文章對(duì)適用于核電廠14C廢氣處理技術(shù)的CO2固體吸收劑性能參數(shù)、吸收原理、影響因素進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫水浴下復(fù)合吸收劑吸收效果較佳，復(fù)合吸收劑對(duì)CO2的比吸收效率隨流速的增大而減小，隨吸收劑床層高度的增加而增大，較小的吸收劑粒徑有助于比吸收效率的提升。

關(guān)鍵詞：碳14;核電;復(fù)合吸收劑

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0013-04

Abstract： The performance of combined absorbent used in the Carbon-14 absorbing process in nuclear power plant is investigated in this research. The absorbing principle and the factors affecting the performance of combined absorbent is studied. The results show that water bath under normal temperature will improve the performance of combined absorbent remarkably. Lower flow rate， shorter absorbent height， and smaller particle size will also optimize the combined absorbent performance.

Keywords： Carbon-14; nuclear power; combined absorbent

1 概述

核電站在核電發(fā)生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生放射性核素-碳14（14C），碳14具有弱的β放射性，但其半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年[1]。以14CO2形態(tài)存在的碳14，如果無(wú)控制措施直接排放到大氣中，會(huì)和空氣中的非放射性CO2混合，參與植物的光合作用，從而進(jìn)入到生物圈中;如果通過(guò)呼吸或擴(kuò)散吸附到人體組織內(nèi)，將形成人體經(jīng)受長(zhǎng)期內(nèi)照射的風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外，對(duì)于核電廠碳14處理技術(shù)的研究很少，僅有的部分研究工作還處于實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)論是在建還是在運(yùn)機(jī)組均未有裝備氣態(tài)碳14處理裝置。因此，對(duì)于該問題的相關(guān)研究和應(yīng)用，具有重要的科學(xué)和工程意義。

CO2捕集技術(shù)（CCS）在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天等領(lǐng)域有著廣泛的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用需求，針對(duì)不同的應(yīng)用條件，可以選擇不同的處理方法，如干法吸收、濕法吸收或吸附分離等[2]。對(duì)于核電站排放的14C廢氣，則需要根據(jù)實(shí)際排放的工況條件，特別要著重在安全、環(huán)保方面，開發(fā)適用的工藝技術(shù)及設(shè)備裝置。綜合比較當(dāng)前工業(yè)CCS不同技術(shù)特點(diǎn)，干法吸收是最合適用于核電14C廢氣處理的技術(shù)路線，具有安全可靠、可直接固化處理、無(wú)二次污染等顯著特點(diǎn)。

本文重點(diǎn)對(duì)干式吸收劑的性能參數(shù)、吸收原理、影響因素等方面展開研究。

2 實(shí)驗(yàn)條件

在實(shí)驗(yàn)室中模擬配氣條件如下：

-氣體組分：CO2/N2

-氣體處理量：0-0.5m3/h

-更換周期：評(píng)價(jià)

-CO2定量濃度：0-1500ppmv，根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況可適當(dāng)擴(kuò)展。

本項(xiàng)目為模擬14CO2吸收模塊技術(shù)及設(shè)備開發(fā)，主要實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 模擬CO2吸收實(shí)驗(yàn)條件列表

設(shè)計(jì)了干式吸收實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)試方法，分別如圖1所示。

反應(yīng)氣由空壓機(jī)提供壓縮空氣，經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)控制流量后，與高濃度CO2氣體按配比混合，通過(guò)濕度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)試驗(yàn)氣體濕度，至此完成實(shí)際氣體組分條件的模擬，得到CO2目標(biāo)濃度?；旌蠚怏w流速，由混合氣管線質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，混合氣濕度由混合氣管線濕度調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中，為了方便評(píng)價(jià)吸收劑的性能，定義以下內(nèi)容：

穿透濃度與穿透時(shí)間：

在吸收實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)反應(yīng)出口的CO2濃度超過(guò)進(jìn)氣濃度的20ppm時(shí)，停止吸收實(shí)驗(yàn)，即設(shè)定20ppmv為本吸收實(shí)驗(yàn)的吸收穿透濃度，穿透的時(shí)間為穿透時(shí)間。

吸收量與比吸收效率：

通過(guò)比較不同吸收劑的實(shí)驗(yàn)吸收量，評(píng)價(jià)吸收劑對(duì)低濃度CO2的吸收性能，在吸收穿透之前的CO2吸收量稱為實(shí)驗(yàn)吸收量，與按照化學(xué)反應(yīng)方程式完全吸收CO2的理論計(jì)算值進(jìn)行比較，定義實(shí)驗(yàn)吸收量與理論吸收量的比值為比吸收率（η），用%表示。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)不同測(cè)試條件（CO2濃度、濕度、顆粒、線速度等）的變化，考察吸收劑的特性。

3.1 升溫加濕氣體吸收效率與氣量的關(guān)系

配置380ppmvCO2濃度的氣體，設(shè)定不同流量條件（1-7 LPM），分別對(duì)干燥、常溫水浴、50℃水浴工況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)氣進(jìn)入吸收反應(yīng)器，記錄吸收劑的濃度穿透曲線，如圖2所示，考察吸收劑的吸收特性，測(cè)試結(jié)果見表2。

在干燥氣條件下，隨著吸收流速的增加，吸收劑對(duì)CO2的比吸收效率下降明顯，在流速3LPM和6LPM時(shí)，吸收劑的比吸收效率變化不大，說(shuō)明此流速條件下吸收劑對(duì)CO2的傳質(zhì)速度是制約因素。

在常溫水浴條件下，吸收劑的比吸收率隨氣體流速的變化而快速減小;在1.2LPM條件下，吸收劑較干燥氣體的比吸收率提高到5.7倍，穿透時(shí)間增加到3.2倍;加濕條件下，明顯利于吸收劑對(duì)CO2的吸收反應(yīng)。

在50℃水浴條件下，低流速時(shí)吸收劑的比吸收率較常溫加濕有明顯降低了29.6%，而在高流速時(shí)，其比吸收率略有增加。在該部分實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，吸收劑反應(yīng)器的底部會(huì)在10-12h左右出現(xiàn)冷凝水聚集現(xiàn)象，水的出現(xiàn)引起了吸收劑的板結(jié)，導(dǎo)致吸收劑與氣體的接觸面積顯著減少，便出現(xiàn)了過(guò)大濕度對(duì)吸收反應(yīng)的負(fù)面影響，而當(dāng)流速持續(xù)變大時(shí)，其水汽的夾帶及其冷凝現(xiàn)象相對(duì)變?nèi)?，便使得吸收劑比吸收率又有所增加?/p>

3.2 吸收劑厚度、CO2濃度與吸收效率的關(guān)系

CO2的初始濃度對(duì)于吸收劑的處理效果有重要的影響，體現(xiàn)在穿透時(shí)間的變化上，本部分實(shí)驗(yàn)分別考察吸收劑在不同CO2濃度條件下的穿透特性。另一方面，吸收劑床層厚度是吸收反應(yīng)器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，通常要大于吸收劑穿透曲線的軸向距離。

選取常溫加濕作為吸收劑的評(píng)價(jià)條件，分別配置

380ppmv、600ppmv、1000ppmv CO2濃度的氣體，在1.2 LPM流量條件下，通過(guò)常溫水浴加濕，進(jìn)入吸收反應(yīng)器，變化不同的吸收劑床層厚度，觀察吸收后的CO2濃度變化。記錄吸收劑的濃度穿透曲線（圖3，穿透濃度定義為20ppm），考察吸收劑的吸收特性，測(cè)試結(jié)果見表3。

圖4給出了在不同CO2初始濃度下，吸收劑比吸收效率與床層厚度的變化關(guān)系。隨著床層厚度的增加，比吸收效率成線性增加，但是不同濃度下其比吸收效率的變化不大，說(shuō)明不同進(jìn)口濃度對(duì)于特定床層厚度的吸收劑的比吸收率影響不明顯。

通常，進(jìn)口濃度越高，其吸收穿透曲線越短，了解和設(shè)定穿透曲線（圖5），是吸收床層放大設(shè)計(jì)的最重要參數(shù)之一。

根據(jù)本部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出不同濃度的穿透曲線長(zhǎng)度及速率，分析結(jié)果如表4所示。在1.2LPM（5.8×10-2m/s）的吸收線速度下，吸收劑的穿透曲線隨進(jìn)口濃度的增大呈上升趨勢(shì)，濃度增大到1000ppm時(shí)，基本維持在110mm左右。

對(duì)于特定的氣體流速、吸收劑、溫濕度條件，穿透曲線是固定的，吸收劑內(nèi)分布的氣體濃度呈下拋物線狀。隨著吸收反應(yīng)時(shí)間的增加而沿氣流方向推進(jìn)，如圖5所示，當(dāng)穿透曲線逐漸推進(jìn)到吸收床的出口時(shí)，出口濃度逐漸升高，即完成了吸收劑的使用過(guò)程，需要重新更換。

3.3 吸收劑粒徑與吸收效率的關(guān)系

CO2與吸收劑的中和反應(yīng)，首先發(fā)生在吸收劑與氣體的界面，反應(yīng)界面與吸收劑的粒徑大小成反向關(guān)系，因此提供更多的反應(yīng)界面會(huì)提高吸收反應(yīng)速度，增加吸收效率;另一方面，吸收劑的體積過(guò)小，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)更容易發(fā)生因吸水所致的板結(jié)現(xiàn)象。

在本部分實(shí)驗(yàn)中，配置380ppmv CO2濃度的氣體，在1.2 LPM流量條件下，通過(guò)常溫水浴加濕，進(jìn)入吸收反應(yīng)器，變化不同的吸收劑顆粒粒徑，觀察吸收后的CO2濃度變化。記錄吸收劑的濃度穿透曲線（圖6，穿透濃度定義為20ppm），考察吸收劑的吸收特性，測(cè)試結(jié)果見表5。

吸收劑顆粒減小，參加吸收反應(yīng)的有效面積增大，吸收劑的比吸收率顯著增大，約增加117.5%，如果進(jìn)一步延長(zhǎng)吸收劑的使用壽命，可以通過(guò)減小吸收劑的顆粒徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)CO2固體吸收劑性能參數(shù)的影響因素試驗(yàn)分析，可得出如下結(jié)論：常溫加濕較干燥或升溫加濕條件，更利于CO2在復(fù)合吸收劑NaOH-CaO上的吸收反應(yīng)。復(fù)合吸收劑對(duì)CO2的比吸收效率隨流速的增大而減小，隨吸收劑床層高度的增加而增大;隨CO2濃度的增加，在同等溫濕度、流速條件下，復(fù)合吸收劑的比吸收效率呈下降趨勢(shì);不同CO2濃度條件下，相同復(fù)合吸收劑床層高度對(duì)應(yīng)的比吸收效率變化不大;1.2LPM（5.8×10-2m/s）流速下，380-1000ppmv的CO2濃度對(duì)應(yīng)復(fù)合吸收劑的穿透曲線長(zhǎng)度約90-111mm;復(fù)合吸收劑的粒徑越小，越利于提高吸收劑的比吸收效率，2-4mm粒徑較4-6mm粒徑的吸收劑的比吸收效率增加117.5%。

參考文獻(xiàn)：

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