王榮東，杜海鷗，王國芝，樸 君，徐永興

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413)

鈉冷快堆使用液態(tài)金屬鈉作為冷卻工質(zhì)，金屬鈉化學(xué)性質(zhì)活潑，高溫的液態(tài)鈉和空氣接觸后會發(fā)生燃燒，生成一種濃密的白色煙霧——鈉氣溶膠。鈉氣溶膠是一種平均粒徑為2～20 μm，具有腐蝕性和高黏附性的顆粒[1]。當(dāng)發(fā)生事故導(dǎo)致管道或設(shè)備破損，高溫的液態(tài)鈉有可能泄漏到空氣中發(fā)生燃燒，生成大量有害的鈉氣溶膠。因此需使用除塵凈化裝置對鈉氣溶膠進(jìn)行去除凈化，以減少排放到環(huán)境的放射性劑量和鈉氣溶膠濃度?？於焉嫌糜谌コc氣溶膠的主要設(shè)備包括靜電除塵器、旋風(fēng)除塵器、洗滌式除塵器、過濾式除塵器等。靜電除塵器具有除去鈉氣溶膠的能力，但在快堆上的應(yīng)用經(jīng)驗較少。這是由于靜電除塵器能耗大、運行維護(hù)過程復(fù)雜、啟動可靠性不高，且尚缺乏有效的將鈉氣溶膠從電極上除去的方法[2-4]。洗滌式除塵器是使含塵氣體與水或其他液體接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞等作用將塵粒從氣流中分離出來的設(shè)備。濕式除塵設(shè)備在快堆上的事故排煙系統(tǒng)上的應(yīng)用較廣，其優(yōu)點是除塵效率高，氣溶膠容量大，但是具有單級濕式除塵器除塵效率不高的缺點，需多級串聯(lián)使用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制難度[5]。中國實驗快堆(CEFR)采用沖激式水浴除塵器去除鈉氣溶膠，經(jīng)過驗證試驗發(fā)現(xiàn)，沖激式水浴除塵器的除塵效率在30%～90%之間[6]。過濾式除塵器是通過使含塵氣體過濾，以除去其中粉塵的裝置。該除塵器除塵效率很高，塵粒在0.1 μm以上除塵效率可達(dá)99%以上。但是過濾除塵單元的除塵容量較小，占用的體積龐大且費用昂貴。因此在快堆事故排煙系統(tǒng)中一般作為將鈉氣溶膠和大氣環(huán)境隔離的最后一道屏障，用于去除經(jīng)過前級除塵后剩下的極少部分鈉氣溶膠[7-8]。

旋風(fēng)除塵器利用旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力使塵粒從氣流中分離，用來分離粒徑大于1～10 μm以上的顆粒物，對于捕集、分離5～10 μm粉塵的效率較高，一般可達(dá)85%。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作和維護(hù)簡單、動力消耗不大、操作彈性大、性能穩(wěn)定、不受含塵氣體的濃度和溫度影響等特點[9]。由于缺乏可靠的試驗數(shù)據(jù)，要在快堆事故排煙系統(tǒng)上使用還需經(jīng)過進(jìn)一步研發(fā)和驗證。本文通過設(shè)計一套由旋風(fēng)除塵器和過濾式除塵器組合構(gòu)成的鈉氣溶膠去除系統(tǒng)，驗證該系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性。

1 旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)采用干式氣固分離路線，采用多筒并聯(lián)旋風(fēng)分離器后接高效過濾器的組合式除塵設(shè)計方案。當(dāng)事故發(fā)生后，只需將事故環(huán)境外的引風(fēng)機(jī)開啟并調(diào)到一定流量，除塵系統(tǒng)將自動運行并進(jìn)行鈉氣溶膠顆粒的去除。鈉氣溶膠通過管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器入口，經(jīng)旋風(fēng)分離器氣固分離后，大部分鈉氣溶膠顆粒被捕集，未被捕集的少量細(xì)顆粒將隨氣流進(jìn)入過濾除塵器，在過濾除塵器中被高效攔截捕集。最終，滿足安全環(huán)保排放要求的凈化后的氣體將排入大氣，整個過程操作簡單、響應(yīng)迅速。

1.2 旋風(fēng)分離器和過濾除塵器樣機(jī)設(shè)計

旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)形式選用PV型高效旋風(fēng)分離器，并結(jié)合快堆鈉火氣溶膠去除工況特點作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。PV型旋風(fēng)分離器是一種結(jié)構(gòu)簡單、靠尺寸優(yōu)化來獲得高效率的新型高效旋風(fēng)分離器，在操作彈性和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯[10]。迄今旋風(fēng)分離器的設(shè)計還沒有固定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但從大量的工程實踐總結(jié)得出的結(jié)論為設(shè)計者提供了經(jīng)驗的尺寸比例和合適的參數(shù)。用于去除鈉氣溶膠的事故排煙系統(tǒng)是處理鈉火事故的應(yīng)急裝置，采用非在線脈沖反吹再生的過濾器，以簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時增加可靠性和安全性。考慮到過濾器需有較大的納污容塵量和較高的過濾分離效率和低壓降，最終設(shè)計選用單層排列方式的高溫多管過濾器。圖1為本系統(tǒng)選用的旋風(fēng)分離器和過濾除塵器結(jié)構(gòu)及示意圖。

a——旋風(fēng)分離器；b——過濾除塵器

2 旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)鈉火環(huán)境試驗

2.1 試驗裝置

為了考察旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)及主要設(shè)備在真實鈉火環(huán)境下的性能指標(biāo)，設(shè)計并建造了模擬真實鈉火環(huán)境的工藝間和試驗回路，通過試驗研究金屬鈉燃燒過程中鈉氣溶膠濃度變化、粒徑分布、壓降、去除效率等主要參數(shù)。鈉氣溶膠濃度及粒徑分布通過Welas-3000粒度儀測量，該儀器可對0.18～40 μm范圍內(nèi)的顆粒進(jìn)行精確測量，可輸出粒徑分布和鈉氣溶膠濃度。圖2為試驗裝置示意圖。其中，鈉火工藝間溫度測點在距燃燒盤正上方2 m位置，實驗中燃燒的金屬鈉為10 kg，模擬的鈉火工藝間有效容積約為45 m3。

圖2 試驗裝置示意圖

2.2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

1)試驗現(xiàn)象

試驗開始前將金屬鈉用濾網(wǎng)過濾，去除煤油，并將金屬鈉放入燃燒盤中，利用噴槍進(jìn)行點火。鈉燃燒22 min后，關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥；鈉燃燒46 min后，打開工藝間進(jìn)氣閥，從進(jìn)氣口可觀察到工藝間內(nèi)已無火光；第49 min時，打開工藝間房門，可看到內(nèi)部白色煙霧濃烈；第60 min，打開房門，將第2組金屬鈉倒入工藝間燃燒盤中；第87 min，打開房門，同樣可看到工藝間內(nèi)部煙霧濃烈；第91 min，打開工藝間進(jìn)氣閥，進(jìn)入工藝間內(nèi)用鏟子翻鏟金屬鈉，依然可看到有較多煙霧，燃燒盤內(nèi)可見少量火星；第116 min，繼續(xù)進(jìn)入工藝間翻鏟金屬鈉，此時燃燒盤已無明火，說明金屬鈉已完全燃燒；第130 min，房間內(nèi)基本無煙霧。在整個試驗過程中，未觀察到有鈉氣溶膠煙霧從工藝間泄漏。試驗結(jié)束后，整理試驗儀器和過濾器濾芯，發(fā)現(xiàn)皮托管、旋風(fēng)分離器儲料罐和濾芯上粘有白色顆粒，遇空氣后迅速潮解(圖3)。

圖3 鈉氣溶膠顆粒

2)工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度

在第2組鈉已燃燒37 min時(即鈉火試驗第97 min)開始監(jiān)測工藝間內(nèi)的鈉氣溶膠濃度，濃度監(jiān)測點設(shè)在旋風(fēng)主入口管下方400 mm的位置。圖4為第2組鈉燃燒過程中，工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化，可看出，工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度逐漸降低，最終接近于0。

圖4 工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化

3)旋風(fēng)分離器壓降

圖5為兩組鈉燃燒過程中旋風(fēng)分離器壓降隨鈉燃燒時間的變化，旋風(fēng)分離器壓降隨鈉燃燒時間的變化是波動的(最大壓降為2 720 Pa，最小壓降為2 240 Pa)，這是由于從主入口管進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣量、鈉氣溶膠濃度和溫度不斷變化。

1——打開工藝間房門進(jìn)行金屬鈉點火；2——點火完成，第1組鈉開始燃燒；3——關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥門；4——打開工藝間進(jìn)氣閥門；5——打開工藝間房門倒入金屬鈉，第2組鈉開始燃燒；6——關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥門；7——打開工藝間房門和進(jìn)氣房門，翻鏟燃燒盤中的金屬鈉；8——試驗結(jié)束

4)旋風(fēng)分離器出口濃度和粒徑分布

圖6為第1組鈉燃燒過程中旋風(fēng)分離器出口管(過濾器入口管)內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化(第1組鈉剛開始燃燒后即進(jìn)行在線監(jiān)測)，隨金屬鈉的燃燒進(jìn)程，旋風(fēng)分離器出口管鈉氣溶膠濃度呈現(xiàn)先增加后降低，最終趨于平穩(wěn)的趨勢，且旋風(fēng)分離器出口管鈉氣溶膠濃度最大僅為12.03 mg/m3，燃燒進(jìn)行到25 min后，出口管鈉氣溶膠濃度基本在1.5 mg/m3以下。

圖6 旋風(fēng)分離器出口管內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化

同樣，將試驗過程中監(jiān)測的旋風(fēng)分離器出口多組鈉氣溶膠濃度和粒度進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出如圖7所示的旋風(fēng)分離器出口處粒徑分布。旋風(fēng)分離器出口鈉氣溶膠中位粒徑約為0.29 μm，且0.7 μm以上顆?；颈煌耆M。

圖7 旋風(fēng)分離器出氣管處粒徑分布

5)過濾器壓降

圖8為兩組鈉燃燒過程中過濾器壓降隨鈉燃燒時間的變化，可看出，過濾器壓降隨鈉燃燒時間的變化是波動的。0～32 min過濾器壓降隨時間迅速增大，32～50 min壓降有所降低，50～80 min過濾器壓降緩慢增加，燃燒進(jìn)行到80 min后，過濾器壓降隨時間基本無變化。過濾器起始壓降為600 Pa左右，鈉燃燒完全后，最終過濾器壓降穩(wěn)定在1 290 Pa左右。

圖8 過濾器壓降隨鈉燃燒時間的變化

6)過濾器出氣管濃度和粒徑分布

圖9為第2組鈉燃燒過程中，過濾器出氣管處氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化，隨著金屬鈉的燃燒，過濾器出氣管的鈉氣溶膠濃度很低，基本在0.002 mg/m3以下，完全滿足工業(yè)中5 mg/m3的安全排放要求。

圖9 過濾器出氣管處鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時間的變化

同樣，將試驗過程中監(jiān)測的過濾器出氣管處的多組鈉氣溶膠濃度和粒度進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出如圖10所示的過濾器出氣管處粒徑分布?？煽闯?，過濾器出氣管處鈉氣溶膠計數(shù)中位粒徑約為0.2 μm，且粒徑0.3 μm以上的顆粒所占比例基本為0，鈉氣溶膠基本被除盡。

圖10 過濾器出氣管處的粒徑分布

7)旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)參數(shù)變化

系統(tǒng)的總?cè)コ士捎稍囼炦^程中監(jiān)測的工藝間和過濾器出氣管處的多組鈉氣溶膠濃度進(jìn)行統(tǒng)計分析，分別取一段時間內(nèi)的平均值，可計算出樣機(jī)系統(tǒng)對鈉氣溶膠的去除效率大于99.5%。圖11為兩組鈉燃燒過程中，樣機(jī)系統(tǒng)的氣體流量隨鈉燃燒時間的變化。由于從主入口進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)氣量、鈉氣溶膠濃度及溫度是變化的，因此樣機(jī)系統(tǒng)總進(jìn)氣量也是隨著時間不斷波動的，樣機(jī)系統(tǒng)總進(jìn)氣量最大值為734 m3/h，最小值為705 m3/h。

圖11 樣機(jī)系統(tǒng)的氣體流量隨鈉燃燒時間的變化

圖12為兩組鈉燃燒過程中，樣機(jī)系統(tǒng)壓力隨鈉燃燒時間的變化?？煽闯觯瑯訖C(jī)系統(tǒng)壓力隨鈉燃燒時間的變化也是波動的，但整體呈現(xiàn)先增加后緩慢變化的趨勢。金屬鈉燃燒過程中，樣機(jī)系統(tǒng)壓力最大值為4 755 Pa，最小值為3 800 Pa。

圖12 樣機(jī)系統(tǒng)總壓力隨鈉燃燒時間的變化

3 結(jié)論

本文設(shè)計并建立了鈉火工藝間和旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)，通過試驗考察了鈉火燃燒工況下樣機(jī)系統(tǒng)的分離性能和壓降等，驗證了該氣溶膠去除系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性，得到如下結(jié)論。

1)旋風(fēng)分離器與過濾器結(jié)合的鈉氣溶膠去除系統(tǒng)對真實鈉火工況下產(chǎn)生的鈉氣溶膠具有很好的去除功能，樣機(jī)系統(tǒng)總?cè)コ蚀笥?9.5%，優(yōu)于已應(yīng)用到中國實驗快堆的水浴除塵系統(tǒng)90%的去除性能，具有很好的工程應(yīng)用可行性。

2)鈉氣溶膠的平均粒徑為2～20 μm，而在旋風(fēng)分離器出氣管處已基本沒有粒徑大于0.7 μm的氣溶膠顆粒，說明樣機(jī)系統(tǒng)中的旋風(fēng)分離器對較大顆粒的鈉氣溶膠具有很好的去除功能。

3)樣機(jī)系統(tǒng)的壓降主要包括旋風(fēng)分離器壓降、過濾器壓降、管路沿程阻力損失和管路局部阻力損失。在試驗過程中，樣機(jī)系統(tǒng)的壓力在3 800～4 755 Pa之間波動，旋風(fēng)分離器+過濾器壓降則在3 090～4 010 Pa之間波動，其余部分為管路系統(tǒng)阻力，約占總壓降的15%～20%，工程應(yīng)用階段風(fēng)機(jī)選型需綜合考慮風(fēng)機(jī)性能曲線和管路系統(tǒng)阻力兩方面的因素。