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

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006； 2.中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 075214)

0 引言

核電站運行過程中，氣態(tài)裂變產物部分通過乏燃料組件缺陷釋放進入一回路冷卻系統(tǒng)，并在脫氣處理時隨著氮氣或者氫氣釋出。廢氣中放射性貢獻較大的主要是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過處理而直接排放會造成大氣環(huán)境的污染與人員的輻射照射。對于碘和氣溶膠，通過碘吸附器和高效過濾器可有效去除，但放射性惰性氣體一般通過滯留一定的時間，使短半衰期核素自然衰變至可接受水平再排放。

自20世紀以來，國內外研究單位通過吸附滯留技術研究發(fā)現(xiàn)，固體吸附劑可以通過物理作用對放射性廢氣中的惰性氣體核素進行吸附，從而使惰性氣體核素與其他載氣介質逐漸分離[4-6]。因活性炭具有強的吸附活性且價格低廉而備受關注[7-10]?；钚蕴繙艄に嚨脑頌楹蟹派湫院怂氐臍怏w經過活性炭時，Kr-85、Xe-133等核素因分子量較大而易被活性炭優(yōu)先吸附，不斷形成吸附、解吸、再吸附、再解吸的動態(tài)平衡，放射性核素在此過程中不斷衰變，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Ψ欠派湫暂d氣進行長時間高壓貯存，可大大降低設備容積和對廠房空間的占用。美國、俄羅斯以及法國等相關研究機構一直致力于活性炭滯留技術的研究與成套設備開發(fā)，相關產品已在不同核電廠廢氣處理系統(tǒng)得到應用。國內在運行田灣核電廠、秦山三期核電廠以及引進三代核電堆型均使用活性炭滯留技術處理放射性廢氣[11]。國內中國輻射防護研究院、清華大學、上海核工程研究設計院以及南華大學等開展了相關技術的研究[7-10]，但目前國內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等國外供貨商供貨。

為實現(xiàn)活性炭滯留技術成套設備國產化，中國輻射防護研究院從惰性氣體的吸附機理、核心吸附材料的選型制備、吸附材料與滯留單元性能評價方法等方面進行了大量的研究，研制得到了一套工程規(guī)模的樣機裝置。同時模擬核電廠工藝氣體參數(shù)條件，對該工程樣機進行了相應的性能實驗研究，為成套設備的工程化應用提供技術基礎。最終研制得到可用于不同核設施放射性廢氣處理系統(tǒng)的活性炭滯留工藝相關核心材料及成套設備。

1 實驗部分

1.1 工程樣機流程圖

活性炭滯留工程樣機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活性炭延遲單元。運行過程中，上游氣流經過氣流模擬單元后，形成一定的參數(shù)條件，經過冷凝除濕進行預干燥，再進入硅膠干燥單元二次除濕后進入活性炭延遲單元。干燥床再生時，氣流經過氣流加熱單元后，一定溫度的干燥氣流進入干燥單元進行脫水干燥。

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

1.2 干燥床單元設計

硅膠干燥床的功能是進一步降低廢氣的濕度，控制進入活性炭滯留床的氣體相對濕度≤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，廢氣自下而上流經硅膠干燥床。硅膠干燥床內填充硅膠干燥劑作為吸附劑，為了達到最佳干燥效果，選用吸水性能好的不同類型硅膠干燥劑混合裝填的方式，同時裝填使用前對干燥劑進行預處理。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行更換。硅膠干燥床的泄漏率低于10-6mbar·L/s，本項目工程樣機硅膠干燥劑總裝填量為43 kg。

圖2 工程樣機干燥床結構示意圖Fig.2 Schematic diagram for drying bed structure

1.3 延遲單元設計與吸附劑裝填

滯留單元的廢氣滯留部分由2臺串聯(lián)的不銹鋼活性炭滯留床壓力容器組成，采用緊湊性W型結構形式，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入，流經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有三個裝卸料管口，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。工程樣機吸附裝填采用真空全密封操作，避免裝填過程中人員吸入粉塵以及活性炭吸附環(huán)境中水分而導致性能降低，工藝流程示于圖3。

1.4 工程樣機整機集成

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，相關儀表設備集成為三個模塊。實物示于圖4。

1.5 主要模塊設計功能試驗

1.5.1氣體冷卻器功能試驗

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

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

圖3 活性炭裝填過程流程圖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 ℃、相對濕度大于95%以及微正壓氣流參數(shù)工況下進行試驗。在上游氣體濕度、溫度穩(wěn)定后開始試驗，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)使用時間。

1.5.3硅膠干燥床再生性能

干燥床使用過程中，當硅膠床出口氣體濕度達到設定值15%時，對硅膠床進行再生。利用對進氣管道加熱吹掃硅膠床，試驗工況列于表2。再生過程中，每隔一定的時間記錄一次出口氣體相對濕度值，當出口濕度低于3.0%時再生完成。并繪制出口氣體相對濕度隨時間變化曲線，分析不同工況條件下干燥劑再生時間。

1.5.4滯留床惰性氣體滯留能力試驗

模擬進氣參數(shù)，測定指定條件下，活性炭床對放射性Kr-85的滯留性能。

打開放射性惰性氣體測量儀，儀器測量腔室本底30～45 min；打開氣源，試驗回路通入壓縮空氣，當溫濕度等條件參數(shù)穩(wěn)定后，注入示蹤劑，保證載氣快速進入穩(wěn)定狀態(tài)。如使用一個試驗床進行測試，在前一次測試完后應對炭床內放射性核素進行空氣吹掃(5 m3/h)，確保不會對下一次試驗造成影響。

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惰性氣體的動態(tài)吸附系數(shù)Kd表示，Kd通過式(1)計算得出[7]：

(1)

式中，Kd為動態(tài)吸附系數(shù)，mL/g；F為氣體流量； mL/min；M為活性炭質量，g；t為平均滯留時間，min。

2 結果與討論

2.1 核心吸附材料動態(tài)吸附系數(shù)

試驗采用椰殼活性炭對放射性Kr和Xe進行吸附試驗，在20 ℃、氣流比速0.12 cm/s、相對壓力0.014 MPa以及氣流相對濕度5.0%條件下，對用于滯留單元工程樣機的活性炭樣品進行了放射性惰性氣體氪氙的動態(tài)吸附系數(shù)的測量，結果列于表3。由表3結果可知，該活性炭對氪氙具有良好的吸附滯留性能，遠高于美國核管會要求的氪和氙動態(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 氣體冷卻器性能實驗

活性炭滯留單元工程樣機氣體預處理單元氣體冷卻器采用套管盤管式設計，套管內部為氣流。試驗過程對兩種不同工況氣體狀態(tài)進行了驗證，結果列于表4。上游氣體經冷卻器冷凝除濕后，進入汽水分離系統(tǒng)，樣機汽水分離采用旋風分離方式設計。由表4結果可知，一定條件的氣流經過氣體冷卻器后，溫度明顯降低，同時壓降值較小。

表4 氣體冷卻器性能試驗結果Tab.4 Performance test results of gas cooler

2.3 硅膠干燥床除濕性能試驗

進氣氣流參數(shù)條件為相對濕度95%～100%、相對壓力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%。結果可知，隨著實驗的進行，干燥床出口濕度逐漸增大，硅膠干燥床單次使用時間為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

經工程樣機干燥單元實驗驗證可知，100 ℃條件下再生完成總時間為18.5 h；120 ℃條件下再生完成總時間為17.6 h。隨著再生溫度的提高，再生耗時越短，但溫度過高容易對干燥劑造成損害。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 工程樣機活性炭床滯留性能試驗

試驗過程對不同流量、不同溫度以及常壓條件下單床、雙床進行了放射性Kr-85滯留時間試驗(示于圖7)。由圖7可見，1 m3/h、25 ℃條件下兩級活性炭床串聯(lián)平均滯留時間為113 h(如圖7-A所示)；1 m3/h、25 ℃條件下單級活性炭床滯留時間為58 h(如圖7-B所示)；10 m3/h、25 ℃條件下單級活性炭床滯留時間為368 min(如圖8-C所示)；20 m3/h、25 ℃條件下單級活性炭床滯留時間為176 min(如圖8-D所示)。 另通過試驗進一步得到，30 m3/h、25 ℃條件下單級活性炭床滯留時間為126 min；1 m3/h、40 ℃條件下兩級活性炭床串聯(lián)滯留時間為54 h。在25 ℃條件下、0.014 MPa條件下活性炭對放射性Xe-133動態(tài)吸附系數(shù)為985 mL/g，計算可知單級活性炭床對Xe-133滯留時間可達52 d。

核電廠對放射性Kr-85與Xe-133滯留時間一般要求大于40 h與40 d，由以上試驗結果可知，該工程規(guī)?；钚蕴繙粞b置對惰性氣體滯留性能遠高于核電廠設計要求。

A—兩級滯留床；B—單級滯留床。圖7 流速 1 m3/h時兩種滯留床滯留時間曲線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)時單級滯留床滯留時間曲線Fig.8 Retention time of a single-stage delay bed at 10 m3/h (C)and 20 m3/h (D)flow rates

3 結語

研制的放射性廢氣處理系統(tǒng)活性炭滯留單元工程樣機實驗平臺，可用于模擬不同氣流參數(shù)條件下滯留單元性能評價。該工程樣機活性炭滯留床對放射性氪滯留時間≥110 h；硅膠床出口氣體濕度≤15%，干燥床單次使用時間可達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程吸附劑失效與人員粉塵吸入。研制的工程樣機滿足工程應用要求，具備實際工程應用條件。