談核通風凈化技術及工程應用

王躍勇　劉虎平

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊　050021)

0　引言

核輻射作用于人機體的方式主要分為外照射和內照射。內照射防護有封閉、稀釋和個人防護三種措施，其中，稀釋最主要的手段就是通風。在核工業領域，核通風與空氣的凈化處理是生產流程的重要組成部分。核通風的目的是通過通風換氣降低設施內放射性物質的濃度，保護操作人員免受內照射的危害；空氣凈化的目的是通過特定的技術手段，使排放的廢氣滿足排放標準，保護公眾和環境安全。引起內照射的物質包括放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體，三種物質的特點見表1。這些物質通過呼吸、飲食、傷口或皮膚進入人體，成為內照射源，有的還同時具有物理、化學性雙重的毒害作用[1]，故對其凈化的要求甚為嚴格。基于這些物質特有的物化特性，核通風凈化處理方法主要包括：貯存衰變、過濾、吸附、溶劑吸收等，在實際工程應用時，應根據具體處理的放射性廢氣的種類，合理選擇一種或聯合使用多種凈化技術，以達到理想的凈化效果。

表1　核通風廢氣情況一覽表

1　核通風凈化技術

1.1　放射性微塵和放射性氣溶膠的凈化

放射性氣溶膠的主要來源：1)鈾礦開采、選礦過程中產生的、以礦石粉塵為主的氣溶膠。2)核燃料制備過程中，產生的固態分散相氣溶膠；氣體擴散廠的氟化過程產生的霧狀氟化鈾酰(UO2F2)；機加工或溶化鈾钚過程中形成的金屬氧化物氣溶膠。3)反應堆運行過程中，氣體和空氣被活化，氣態裂變產物擴散，冷卻劑蒸發以及元件表面損傷使裂變產物外漏時，形成氣溶膠。4)核燃料后處理過程中，主要是從溶液形成氣溶膠，另一形成過程是在常溫下的氣相化學反應。5)放射性廢物處理過程中，蒸發、焚燒、固化等工藝產生氣溶膠。

目前，放射性微塵和放射性氣溶膠的凈化主要采用以玻璃纖維為濾料的空氣粒子過濾器，其凈化原理包括慣性碰撞、擴散、靜電吸引以及重力沉降[2]。自1940年在美國問世以來，以玻璃纖維為濾料的高效空氣過濾器HEPA(對≥0.5 μm微粒的過濾效率可達99.99%)和超高效空氣過濾器ULPA(對0.1 μm微粒的過濾效率可達99.999 999%)相繼問世，標志著過濾技術進入一個全新的階段[3]。

在核通風工程中，較為常見的放射性微塵、氣溶膠凈化系統流程如圖1所示。

對含塵廢氣的處理過程中各功能段的作用如下：1)預過濾：去除較大顆粒的放射性微塵，使微粒濃度降到后置過濾器的有效作用范圍內以延長其使用壽命。常用方法有干法除塵(旋風分離、袋式除塵和電除塵)和濕法除塵(文丘里洗滌、噴淋洗滌、鼓泡洗滌、液柱交叉流洗滌等)，若空氣中粉塵較少，也可以采用初效空氣過濾器，其濾料采用玻璃纖維或化學纖維，過濾效率一般為85%(計重法)，其設計簡單，占地面積小，初投資和運行費用低。2)預處理：調節溫、濕度，去除廢氣中的液滴。常用設備有預熱器、冷卻器、洗滌器和除霧器。3)高效過濾器：采用合成纖維或玻璃纖維作為過濾介質，對微粒進行高效捕集，是核通風凈化的主要設備。常選用的玻璃纖維高效過濾器對于0.5 μm顆粒捕集效率為99.99%(鈉焰法)。一般情況下，廢氣經過上述流程的處理即可滿足環保排放要求。

1.2　放射性氣體的凈化

放射性氣體是指一種或多種呈氣態的含放射性核素的物質，如鈾礦山和鈾礦水冶廠的氡氣體；鈾精制廠和核燃料元件加工廠產生的含鈾和含鈾氟化物及氟、氟化氫等；核反應堆中產生的氙、氦、氬、氪、碘等氣體；后處理廠產生的含有氚及以二氧化碳形式存在的14C等的廢氣。

放射性氣體的凈化與放射性微塵和氣溶膠不同，其粒徑屬分子或原子級別，難于采用高效過濾器的技術手段加以捕捉，應根據物質特性有針對性的予以處理。

1.2.1含碘廢氣

反應堆、核藥廠和放射性實驗室在生產、試驗過程中會產生含碘廢氣，常以多種形態存在，主要為元素碘和甲基碘。由于放射碘屬于親甲狀腺的高毒物質，極易通過呼吸道和食物迅速、高度地富集到人體甲狀腺中[4]，且裂變產額高、半衰期長[5]，嚴重威脅人類健康，因此，對含碘廢氣必須采取安全可靠的處理方法。活性炭、涂銀活性炭、銀銅合金網、銀網和堿性溶液都是其良好的吸收劑。工程上常用的一種除碘工藝是固體吸附法，常用設備是碘吸附器，其分為Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅲ型，在核電廠的使用情況如表2所示。

一套完整的活性炭吸附法如圖2所示。

上述工藝中，廢氣預熱是該工藝的關鍵技術之一。碘吸附器的吸附效率或凈化系數會因氣流相對濕度的改變發生顯著的變化，其特征是在相對濕度越小時吸附效率或凈化系數越高；當相對濕度升高時，由于空氣中的水蒸氣會被碘吸附器炭床中活性炭顆粒表面的微孔吸附而阻止其對碘元素的吸附，從而導致吸附效率或凈化系數的下降。碘吸附器凈化系數與相對濕度的關系見圖3。

表2　碘吸附器在核電廠的使用情況[6]

由圖3可以看出，在相對濕度小于40%時，碘吸附器能夠有較高而且穩定的凈化系數；而在相對濕度大于40%時，隨著相對濕度的升高，碘吸附器的凈化系數下降，特別是大于60%時，凈化系數顯著下降。所以在除碘通風系統中，通常控制通過碘吸附器氣流的相對濕度小于40%，保證其可以在高效區間內穩定工作。

另一方面，隨著通過其空氣溫度的升高，特別是當溫度達到121.1 ℃以上時，碘吸附器的解吸機理將顯著增強而導致吸附效率或凈化系數迅速降低，并且隨著氣流溫度的升高，火災風險也隨之增加。因此在實際應用中要嚴格控制通過碘吸附器的氣流溫度(一般將氣流加熱至約50 ℃)，減弱其解吸程度。

1.2.2短壽命核素氣體

核電廠是產生放射性氣體的主要場所，除3H,14C和85Kr外，其他大部分核素的半衰期都很短。針對這些短壽命核素，一般通過滯留使其衰變、達到環保標準后再高空排放。常用以下兩種方式處理：

1)單流程滯留衰變：廢氣依次通過兩級串聯的活性炭滯留床，將裂變產物吸附在活性炭上，滯留床出口排氣經檢驗合格后高架排放。一般單臺活性炭滯留床即可滿足凈化要求。出于安全備用的考慮，通常兩臺串聯，保證系統安全連續運行。AP1000堆型多采用此方式，其特點是安全性高、設備投資少、運行費用低[8]。

2)衰變箱壓縮貯存技術：含碘廢氣依次經過壓縮、冷卻除去冷凝水后貯存到衰變箱內，經過45 d～60 d后，放射性核素大幅衰變，再由輔助凈化系統除碘后高架排放。M310堆型常用該技術，其工藝簡單易行，但占地面積大，設備初投資高，箱體有泄漏風險。

2　設計和運行中需關注的若干問題

2.1　碘吸附器

為了保證通過碘吸附器通風氣流的相對濕度小于40%，在碘吸附器的上游，一般需設置電加熱器。考慮到吸附本身是個放熱過程，以及被捕集的裂變產物會產生衰變熱等因素，氣流溫度升高，有可能超過吸附器中活性炭材料的燃點(核級活性炭的燃點一般高于330 ℃)，引起燃燒甚至火災。

因此，除碘通風系統在電加熱器的下游、碘吸附器的上游和下游均設置感煙探測器，當空氣溫度超過70 ℃時即向主控室報警并連鎖關閉電加熱器。另外，在碘吸附器的上、下游各增設一個耐火極限2 h、熔斷溫度為140 ℃的防火閥，作為防火措施之一。在設計過程中，應加以重視。

2.2　過濾級別

嚴格來講，放射性排風系統的過濾級別、排放高度等應經輻射防護專業計算確定。而在實際工程中，通風專業通常根據標準規范、實際運行經驗和輻射工作場所的分區來確定：紅區(熱室、手套箱等)一般設兩級凈化，即在設備(室)或生產線出口設一級預過濾和第一級高效空氣粒子過濾，第二級高效空氣粒子過濾器設在排風中心，廢氣經兩級凈化后通過煙囪高架排放；橙區(紅區檢修區)一般設預過濾器和一級高效空氣粒子過濾器，廢氣可由高出本建筑物屋頂的排風管排入大氣，亦可引入高煙囪高架排放；綠區排風一般不凈化，可由高出屋頂的排風管排放。

上述凈化原則并非一成不變。由于核工程涉及范圍廣泛，從前端的鈾礦開采、選礦水冶、純化轉化到核電廠、研究堆、核技術利用，再到后端的后處理廠、核設施退役工程和放射性廢物處理設施，放射性污染程度迥異。特別是國標GB 18871—2002電離輻射防護與輻射源安全基本準則的頒布，摒棄了以往“白綠橙紅”的分區原則，將輻射工作場所分為監督區和控制區，使污染區域的劃分更加靈活。這就要求通風專業應與輻射防護人員密切配合，通過分析計算，選擇既合理又經濟的通風凈化方案，避免由于保守設計造成初投資增大、運行費用高昂等資源的浪費。

2.3　過濾器更換

過濾器和碘吸附器的更換及勞務工時費是核空氣凈化系統中基本運行費用之一，其設計合理性與管理規范性在很大程度上影響設施乃至整個廠區的安全生產和經濟運行。

預過濾器和高效空氣粒子過濾器大多屬于纖維過濾器，一般當終阻力達到初阻力的2倍時，應予以更換，但還應考慮如放射性劑量水平等因素。需強調的、也是很多設計人員很容易忽視的一點：預過濾器作為保護下游高效過濾器、延長其使用壽命的手段，過濾效率應適當提高，特別是如后處理廠或所處地區風沙較大時，可以達到事半功倍的效果。

與纖維過濾器不同，碘吸附器的上游通常設有高效空氣過濾器，其阻力在使用過程中基本不變，其失效主要來自于吸附劑的老化。碘吸附器沒有相對穩定的凈化效率，其隨時間的推移，不管使用與否，吸附劑總在逐漸老化，吸附能力逐漸減弱，當凈化效率達不到要求時應予以更換。這點應引起重視。

3　結語

核工程產生的放射性廢氣可能同時含有放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體，在實際應用中，應針對不同的工程特點，將多個方法聯合使用，以達到理想的凈化效果。同時，核設施廠區規模較大，通常建有獨立的通風中心，總風量達每小時數十萬立方米，是主要的耗電系統。因此，根據各設施產生的廢氣污染程度的不同，確定合理的凈化技術和過濾級別，在日益重視節能的當代，意義重大。

參考文獻:

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