“華龍一號”廢氣處理系統活性炭延遲衰變工藝研究

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(1. 中國核電工程有限公司，北京　100840；2.中國輻射防護研究院，山西　太原　030006)

在壓水堆核電廠運行期間，一回路會產生放射性惰性氣體氪(Kr)和氙(Xe)等裂變產物，這些放射性惰性氣體通過一回路反應堆冷卻劑下泄和疏水產生含氫廢氣。

“華龍一號”廢氣處理系統含氫廢氣主要來源于反應堆冷卻劑脫除的氣體，以及容積控制箱、穩壓器卸壓箱和反應堆冷卻劑疏水箱等設備的覆蓋和吹掃氣體。

由于“華龍一號”廢氣處理系統含氫廢氣流量較大，以及對活性炭吸附關鍵參數掌握不足，因此福建福清核電站5、6號機組等仍采用壓縮貯存衰變處理惰性氣體Kr和Xe。

放射性廢氣壓縮貯存衰變處理技術存在設備體積龐大、易泄漏、操作復雜和易燃爆等缺點，已逐漸在歐美發達國家核電站限制使用。活性炭延遲衰變處理技術的流程簡單、安全性高和自動化運行等優點，得到了國內外新建核電站的大量應用。AP1000和EPR等先進三代核電站則采用活性炭延遲衰變處理技術，利用Kr和Xe等放射性核素在活性炭表面進行動態吸附(吸附、解吸、再吸附和再解吸)，從而達到足夠的延遲和衰變時間[1]。為了推動“華龍一號”實現“走出去”的國家戰略，應盡快研究和開發廢氣處理系統活性炭延遲衰變技術，并在“華龍一號”核電機組中應用。

本文通過研究溫度、壓力、相對濕度、流速以及活性炭床長徑比等參數對活性炭動態吸附性能的影響，獲得華龍一號廢氣處理系統最佳工藝條件，由此設計活性炭延遲衰變處理的工藝流程。

1　系統參數對活性炭吸附性能影響

活性炭是經過活化處理的多孔物質，具有孔隙結構發達、比表面積大和吸附性能強等優點[2]。惰性氣體Kr和Xe的放射性衰變程度取決于活性炭對Kr和Xe的延遲時間。根據ANSI/ANS 55.4[3]，惰性氣體的延遲時間(T)與動態吸附系數(Kd)、活性炭質量(M)和載氣流量(F)存在以下方程式：

T=KdM/F

式中：T——延遲時間，s；

Kd——動態吸附系數，mL/g；

M——活性炭質量，g；

F——載氣流量，mL/s。

活性炭對Kr和Xe的動態吸附系數取決于活性炭類型、相對濕度、溫度和壓力等。[3]

雖然目前國內有較多研究已經得到了活性炭吸附性能影響因素[4-7]，但研究范圍不能覆蓋“華龍一號”廢氣處理系統的工藝條件。因此通過研究某活性炭樣品在溫度、壓力、相對濕度、流速以及活性炭床長徑比等單一參數變化下對Kr的性能影響，獲得華龍一號活性炭延遲衰變最佳工藝條件。

1.1　溫度

在常壓、相對濕度低于5%和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在溫度為10～50 ℃對Kr的動態吸附系數(Kd)。

Kd的對數隨氣流溫度變化趨勢如圖1所示。隨著氣流溫度的升高，動態吸附系數逐漸下降明顯，動態吸附系數的對數與溫度呈線性關系。

圖1　不同氣流溫度下Kr的動態吸附系數Fig.1　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow temperatures

1.2　壓力

在室溫20 ℃、相對濕度低于5%和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在壓力為常壓至0.8 MPa(表壓)之間對Kr的動態吸附系數(Kd)。

Kd隨氣流壓力的變化趨勢如圖2，當系統壓力逐漸增大時，活性炭對Kr的動態吸附系數逐漸增大。在一定壓力范圍內，動態吸附系數與壓力成二次曲線關系。

圖2　不同氣流壓力下Kr的動態吸附系數Fig.2　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow pressures

1.3　相對濕度

在室溫、常壓和流速為0.24 cm/s下，研究某活性炭樣品在相對濕度為0～80%對Kr的動態吸附系數。隨著氣流相對濕度逐漸增大，活性炭首先會吸附水蒸氣從而使得對Kr的吸附性能下降。

Kd隨氣流相對濕度的變化趨勢如圖3，在相對濕度低于20%時，動態吸附系數變化較小。一旦相對濕度高于20%，氣流相對濕度越高，動態吸附系數下降越明顯。

圖3　不同氣流相對濕度下Kr的動態吸附系數Fig.3　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow relative humidities

1.4　流速

在室溫20 ℃、常壓和相對濕度低于5%下，研究某活性炭樣品分別在不同載氣流速下對Kr的動態吸附系數。

Kd隨氣流相對濕度的變化趨勢如圖4，在流速低于0.05 cm/s時，動態吸附系數明顯下降。當流速由0.06 cm/s逐步增大至5 cm/s，動態吸附系數基本不變。然而當流速達到5.5 cm/s時，動態吸附系數大大降低。因此，在保證載氣流速在0.06～5 cm/s時，活性炭對Kr的吸附性能基本無影響。

圖4　不同氣流流速下Kr的動態吸附系數Fig.4　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow rates

1.5　活性炭床長徑比

在工程應用過程中，首先需要設計活性炭床的結構，即活性炭床的直徑和長度。在一定的溫度、壓力、相對濕度和流速下，研究某活性炭不同的長度與直徑之比對Kr的動態吸附系數的影響。

Kd隨氣活性炭床長徑比的變化趨勢如圖5，活性炭床長徑比從1∶1增加到5∶1，活性炭對Kr的動態吸附系數有小幅度增大，直增加到3∶1后變化很小。

圖5　不同活性炭床長徑比下Kr的動態吸附系數Fig.5　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different length to diameter ratios of activated carbon bed

2　活性炭延遲衰變最佳工藝條件

根據惰性氣體Kr和Xe在活性炭的吸附存在相關性[8]，活性炭在不同系統參數下對Xe的動態吸附性能影響與以上對Kr的動態吸附性能影響是相似的，因此研究結果表明：

1)活性炭對惰性氣體的吸附系數隨著溫度的升高而減小，考慮到低溫需要冷凍水以及保溫措施，通常選擇室溫即可確保較高的動態吸附系數；

2)活性炭對惰性氣體的吸附系數隨著系統壓力的增加而明顯增大，當壓力升至0.7 MPa(表壓)以后動態吸附系數變化較小，由此建議處理量小時采用常壓，而處理量大時為避免活性炭床尺寸龐大采用加壓至不高于0.7 MPa(表壓)；

3)活性炭對惰性氣體的吸附系數隨著相對濕度的升高而減小，當相對濕度低于20%時，活性炭的吸附性能影響較小，建議氣流相對濕度控制低于20%；

4)當氣流流速保持在一定范圍內，流速對活性炭影響較小，同時考慮活性炭床的長徑比影響，建議炭床長徑比不低于3∶1，此時確定碳床直徑后保證流速不低于0.05 cm/s或高于5 cm/s即可。

由上分析可知，“華龍一號”廢氣處理系統活性炭延遲衰變最佳工藝條件為在常溫、壓力為0.7 MPa(表壓)、相對濕度低于20%以及合適穩定的氣流流速下，活性炭對Kr和Xe惰性氣體有很高的動態吸附性能。

3　活性炭延遲衰變處理工藝流程

根據“華龍一號”廢氣處理系統含氫廢氣主要來源，上游最大廢氣流量為76 Nm3/h。由于廢氣處理量較大，設計兩條活性炭延遲衰變處理線，可減小活性炭裝量和設備大小。正常工況下一用一備，高峰期兩條處理線同時運行。

廢氣處理系統活性炭延遲處理工藝流程見圖6。

圖6　“華龍一號”廢氣處理系統活性炭延遲處理工藝流程簡圖Fig.6　The simplified flow chart of activated carbon delay processing of the waste gas treatment system

含氫廢氣由管道收集后，首先進入緩沖罐，平衡壓力后進入含氫廢氣壓縮機升壓至0.7 MPa(表壓)。壓縮后的廢氣用壓縮氣體冷卻器冷卻至10 ℃，再通過氣水分離器分離掉冷凝液。

隨后含氫廢氣再進入保護床，進一步除濕和去除化學毒物，以保證下游活性炭的吸附效率。在保護床后設置溫度和相對濕度監測，確保進入延遲床廢氣的溫度保持在室溫，相對濕度低于20%。

最后廢氣通過幾臺串聯的延遲床滯留衰變惰性氣體Kr和Xe，當其中任何一臺延遲床需要更換活性炭時可旁通。處理后的氣態流出物經在線輻射監測后由廠房通風系統的煙囪，向環境排放。

根據惰性氣體的延遲時間計算方程式[3]，在保證足夠的活性炭裝量時，華龍一號廢氣處理系統延遲衰變處理工藝對Kr和Xe的延遲衰變時間將分別大于3天和42天。

4　結論

惰性氣體活性炭延遲衰變工藝由于其特有的優點，已經逐漸在第三代核電廠AP1000和EPR核電機組上應用，同時也得到核電站評審、設計和運營人員的認可。

本文通過研究華龍一號廢氣處理系統工藝條件(如溫度、壓力、相對濕度、流速和炭床長徑比等)對活性炭動態吸附性能的影響，確定了最佳的工藝運行條件。按照最佳工藝運行條件，設計華龍一號惰性氣體活性炭延遲衰變工藝流程，該工藝處理流程簡單、設備占地小、安全性高和可自動運行等優點。該工藝流程能確保對Kr和Xe有足夠延遲衰變時間，保證氣態流出物的放射性排放滿足國家標準GB 6249的要求[9]。

廢氣處理系統采用活性炭延遲衰變處理后，由于設備占地小可節省投資成本，同時自動化運行則大大降低運行期間人員的輻射照射。與加壓貯存衰變相比，不存在貯存大量含氫廢氣時易燃易爆風險，大大提高系統安全性。因此，華龍一號廢氣處理系統采用活性炭延遲衰變工藝可帶來較大的經濟效益和提高安全性。

隨著“華龍一號”走出去的國家戰略，本文的惰性氣體活性炭延遲衰變將作為出口海外的可選工藝，能滿足國外相關的法規要求。