安全殼過濾排放系統(tǒng)文丘里洗滌器除碘性能分析

王 稹，張計榮，白東進(jìn)，繆騏遠(yuǎn)，李永國，任宏正，王 佳，張淵，丘丹圭，侯建榮

(1.中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006；2.三門核電有限公司，浙江 三門 317100)

安全殼過濾排放系統(tǒng)主要功能是在嚴(yán)重事故工況下進(jìn)行排氣，以降低安全殼內(nèi)壓力,并對排放氣體中的放射性碘及氣溶膠進(jìn)行有效去除[1]。目前，我國在役反應(yīng)堆多數(shù)采用以文丘里洗滌器+金屬纖維過濾器為基礎(chǔ)的濕式過濾排放系統(tǒng)[2]。文丘里洗滌器用于去除氣體中較大顆粒尺寸的放射性碘及氣溶膠，工作原理如圖1所示：氣流從入口流入喉部位置，形成高速流體，喉部吸液口形成負(fù)壓，將洗滌液引射入喉部內(nèi)，并與高速流體接觸。洗滌液經(jīng)過高速氣流的剪切力作用后被霧化成液滴。氣流中的粉塵顆粒在霧化形成的液滴表面沉降，同時氣流中的放射性碘與洗滌液中NaOH和Na2S2O3充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性物質(zhì)滯留在洗滌液中。

圖1 文丘里洗滌器工作原理

目前針對核電廠用文丘里洗滌器的研究較少。ALI等[3]研究了液相流量對過濾效率的影響，并指出過濾效率在一定范圍內(nèi)與液相流量成正相關(guān)性。Mayinger等[4]對氣相流速、過濾介質(zhì)顆粒直徑、液位高度等因素對效率影響做了一定研究。周艷民等[5]在實(shí)驗室建立了對文丘里水洗器性能研究裝置，數(shù)據(jù)顯示氣相壓力是影響引射量的重要因素。Naoki Horiguchi等[6]通過數(shù)值計算對兩相流特性做了一定研究，驗證了液膜的存在。Lehner[7]對引射量和流動阻力隨喉部流速的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗研究。Ahmadvand等[8]對微觀液滴分布進(jìn)行了CFD(計算流體動力學(xué))數(shù)值模擬。

本文使用CFD數(shù)值模擬方法，對安全殼過濾排放系統(tǒng)文丘里洗滌器運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。探討文丘里洗滌器氣液兩相瞬態(tài)流動特性及凈化機(jī)理；研究氣相流量、系統(tǒng)壓力對文丘里洗滌器引射特性的影響；分析洗滌器除碘性能影響因素。

1 實(shí)驗

本次研究搭建了實(shí)驗室規(guī)模安全殼過濾排放系統(tǒng)回路。實(shí)驗回路可模擬真實(shí)事故時安全殼大氣環(huán)境[9]，設(shè)計最大壓力為0.8 MPa，最高溫度200 ℃。實(shí)驗中碘配送濃度按照反應(yīng)堆嚴(yán)重事故24小時后安全殼大氣中碘濃度，約為7.3 mg/m3。圖2為實(shí)驗回路示意圖。實(shí)驗回路主要包括：(1)尾氣處理器；(2)下游電磁閥；(3)下游采樣點(diǎn)；(4)溫濕度探頭；(5)安全殼過濾系統(tǒng)模擬樣機(jī)(內(nèi)部安裝單個文丘里洗滌器)；(6)上游電磁閥；(7)上游采樣點(diǎn)；(8)示蹤劑注入點(diǎn)；(9)溫度控制系統(tǒng)；(10)蒸汽發(fā)生器；(11)空氣壓縮機(jī)。

圖2 實(shí)驗回路示意圖

2 模擬計算

2.1 兩相流模型

本文采用CFD模擬軟件Fluent對文丘里洗滌器運(yùn)行過程進(jìn)行數(shù)值模擬。文丘里內(nèi)部氣液流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，選擇湍流模型RNG k-ε，近壁標(biāo)準(zhǔn)壁面方程[10]。

本研究中計算模型基于以下假設(shè)以簡化計算過程：(1)文丘里洗滌器氣液兩相之間傳熱、傳質(zhì)忽略不計。(2)氣相與液相均為連續(xù)不可壓縮流體。

選擇Euler雙流體模型解決兩相流問題，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

(2)

動量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

2.2 模型與網(wǎng)格

圖3(a)、(b)分別為文丘里洗滌器噴嘴三維數(shù)學(xué)模型圖與網(wǎng)格劃分圖。過濾系統(tǒng)運(yùn)行時，整個噴嘴浸沒在NaOH和Na2S2O3洗滌液中。試驗介質(zhì)(即氣相)從inlet 1進(jìn)入，洗滌液(即液相)從inlet 2進(jìn)入，氣液混合物從outlet流出。網(wǎng)格劃分采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)格精細(xì)度，使計算趨于穩(wěn)定，不受網(wǎng)格尺寸影響。

圖3 文丘里噴嘴模型圖與網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件

為模擬文丘里洗滌器真實(shí)運(yùn)行工況，氣相入口設(shè)置為速度入口邊界，液相入口設(shè)置為壓力入口，氣液混合出口設(shè)置為壓力出口邊界。

3 結(jié)果與分析

3.1 文丘里洗滌器液相瞬態(tài)流動特性

圖4為CFD模擬文丘里洗滌器液相流線圖，圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別記錄瞬態(tài)1 s、3 s、5 s、7 s時液相流動過程及形態(tài)?？梢娢那鹄飮娮旃ぷ鬟^程中，液相由氣相流動所形成的負(fù)壓從吸液管吸入喉部位置，在噴嘴內(nèi)壁以液態(tài)薄膜形式連續(xù)流動，并在靠近喉部位置流速達(dá)到最大值。

圖4 文丘里洗滌器液相流線圖

3.2 文丘里洗滌器入口流速對引射量的影響

圖5為CFD模擬文丘里洗滌器引射量隨入口氣相流速變化的計算結(jié)果。由圖5可見，隨氣相流速逐漸增大，洗滌液引射量近似線性增長。

圖5 文丘里洗滌器引射量與入口流速關(guān)系

圖6為文丘里洗滌器吸液管內(nèi)外側(cè)壓差隨入口氣相流速變化的計算結(jié)果。分析可知，隨氣相流速的增大，吸液管內(nèi)外側(cè)壓差呈現(xiàn)近似拋物線規(guī)律。壓差與流速之間表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系。結(jié)合文丘里噴嘴引射機(jī)理可知，氣相流速變化引起的吸液管內(nèi)外側(cè)壓差是影響文丘里洗滌器引射性能的重要因素。

圖7為在碘配送濃度為7.3 mg/m3，不同氣相入口流速下，洗滌器對單質(zhì)碘的凈化效率。結(jié)果表明：在流速0～20 m/s范圍內(nèi)，凈化效率與引射量增長趨勢保持一致，證明文丘里洗滌器引射能力是提高除碘性能的重要因素。隨流速提升，在15 m/s之后凈化效率將不再繼續(xù)增加，穩(wěn)定在95%以上。分析原因：凈化效率取決于氣相與液相傳質(zhì)過程，當(dāng)引射量達(dá)到一定量時，氣液混合足夠充分，碘與硫代硫酸鈉反應(yīng)較為完全，凈化效率將趨于穩(wěn)定。將入口流速15 m/s按照某核電廠安全殼排放系統(tǒng)尺寸換算成體積流量約為3 300 m3/h，小于此風(fēng)量下的排放工況，除碘效率將很難保證在較高水平。

圖7 文丘里洗滌器除碘效率與入口流速關(guān)系

3.3 文丘里洗滌器系統(tǒng)壓力對引射量的影響

模擬計算了在不同系統(tǒng)壓力下，引射量隨氣流流速變化規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。分析可知，噴嘴在系統(tǒng)壓力0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)變化時，隨入口流速增大，引射量明顯增大，并且高流量區(qū)比低流量區(qū)更為明顯。在可壓縮流中，系統(tǒng)壓力的增大，將導(dǎo)致氣相密度近似等比例增大，使得入口壓力提高，進(jìn)一步影響吸液壓差，提高引射量。

圖8 系統(tǒng)壓力對引射量的影響

4 結(jié)論

本文通過CFD數(shù)值模擬方法，對安全殼過濾排放系統(tǒng)文丘里洗滌器不同流速、系統(tǒng)壓力進(jìn)行了數(shù)值計算，結(jié)合實(shí)驗方法對除碘效率的測定，得到以下結(jié)論：

(1)在瞬態(tài)計算中發(fā)現(xiàn)文丘里洗滌器內(nèi)液相以液態(tài)薄膜形式緊靠內(nèi)壁連續(xù)流動，并在靠近喉部位置流速達(dá)到最大值。

(2)在入口流速0～20 m/s范圍內(nèi)，碘配送濃度7.3 mg/m3條件下，引射量呈現(xiàn)近似線性增長關(guān)系；吸液管內(nèi)外側(cè)壓差呈現(xiàn)近似拋物線規(guī)律，二者表現(xiàn)為近似二次函數(shù)關(guān)系；系統(tǒng)除碘效率在初始階段與引射量的增長趨勢保持一致，隨后在引射量達(dá)到一定水平后趨于穩(wěn)定。為保證較高除碘效率，建議系統(tǒng)排放風(fēng)量應(yīng)保持在3 300 m3/h以上。

(3)在系統(tǒng)壓力0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)變化時，除碘效率均可保持在較高水平，壓力增大有助于引射量提升，并且在高流量區(qū)提高更加明顯。