核電廠14C處理用CO2吸收劑性能研究

顧林峰 白杉 葛云瑞

摘? 要：文章對適用于核電廠14C廢氣處理技術的CO2固體吸收劑性能參數、吸收原理、影響因素進行了研究。試驗結果表明，常溫水浴下復合吸收劑吸收效果較佳，復合吸收劑對CO2的比吸收效率隨流速的增大而減小，隨吸收劑床層高度的增加而增大，較小的吸收劑粒徑有助于比吸收效率的提升。

關鍵詞：碳14;核電;復合吸收劑

中圖分類號：TM623 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0013-04

Abstract： The performance of combined absorbent used in the Carbon-14 absorbing process in nuclear power plant is investigated in this research. The absorbing principle and the factors affecting the performance of combined absorbent is studied. The results show that water bath under normal temperature will improve the performance of combined absorbent remarkably. Lower flow rate， shorter absorbent height， and smaller particle size will also optimize the combined absorbent performance.

Keywords： Carbon-14; nuclear power; combined absorbent

1 概述

核電站在核電發生過程中會產生放射性核素-碳14（14C），碳14具有弱的β放射性，但其半衰期長達5730年[1]。以14CO2形態存在的碳14，如果無控制措施直接排放到大氣中，會和空氣中的非放射性CO2混合，參與植物的光合作用，從而進入到生物圈中;如果通過呼吸或擴散吸附到人體組織內，將形成人體經受長期內照射的風險。

目前國內外，對于核電廠碳14處理技術的研究很少，僅有的部分研究工作還處于實驗室階段，無論是在建還是在運機組均未有裝備氣態碳14處理裝置。因此，對于該問題的相關研究和應用，具有重要的科學和工程意義。

CO2捕集技術（CCS）在工業、醫學、航天等領域有著廣泛的技術開發和應用需求，針對不同的應用條件，可以選擇不同的處理方法，如干法吸收、濕法吸收或吸附分離等[2]。對于核電站排放的14C廢氣，則需要根據實際排放的工況條件，特別要著重在安全、環保方面，開發適用的工藝技術及設備裝置。綜合比較當前工業CCS不同技術特點，干法吸收是最合適用于核電14C廢氣處理的技術路線，具有安全可靠、可直接固化處理、無二次污染等顯著特點。

本文重點對干式吸收劑的性能參數、吸收原理、影響因素等方面展開研究。

2 實驗條件

在實驗室中模擬配氣條件如下：

-氣體組分：CO2/N2

-氣體處理量：0-0.5m3/h

-更換周期：評價

-CO2定量濃度：0-1500ppmv，根據實驗具體情況可適當擴展。

本項目為模擬14CO2吸收模塊技術及設備開發，主要實驗條件如表1所示。

表1 模擬CO2吸收實驗條件列表

設計了干式吸收實驗裝置及其測試方法，分別如圖1所示。

反應氣由空壓機提供壓縮空氣，經質量流量計控制流量后，與高濃度CO2氣體按配比混合，通過濕度調節器調節試驗氣體濕度，至此完成實際氣體組分條件的模擬，得到CO2目標濃度?；旌蠚怏w流速，由混合氣管線質量流量計實現調節，混合氣濕度由混合氣管線濕度調節器進行調節。

實驗中，為了方便評價吸收劑的性能，定義以下內容：

穿透濃度與穿透時間：

在吸收實驗中，當反應出口的CO2濃度超過進氣濃度的20ppm時，停止吸收實驗，即設定20ppmv為本吸收實驗的吸收穿透濃度，穿透的時間為穿透時間。

吸收量與比吸收效率：

通過比較不同吸收劑的實驗吸收量，評價吸收劑對低濃度CO2的吸收性能，在吸收穿透之前的CO2吸收量稱為實驗吸收量，與按照化學反應方程式完全吸收CO2的理論計算值進行比較，定義實驗吸收量與理論吸收量的比值為比吸收率（η），用%表示。

3 實驗內容

通過不同測試條件（CO2濃度、濕度、顆粒、線速度等）的變化，考察吸收劑的特性。

3.1 升溫加濕氣體吸收效率與氣量的關系

配置380ppmvCO2濃度的氣體，設定不同流量條件（1-7 LPM），分別對干燥、常溫水浴、50℃水浴工況進行試驗。試驗氣進入吸收反應器，記錄吸收劑的濃度穿透曲線，如圖2所示，考察吸收劑的吸收特性，測試結果見表2。

在干燥氣條件下，隨著吸收流速的增加，吸收劑對CO2的比吸收效率下降明顯，在流速3LPM和6LPM時，吸收劑的比吸收效率變化不大，說明此流速條件下吸收劑對CO2的傳質速度是制約因素。

在常溫水浴條件下，吸收劑的比吸收率隨氣體流速的變化而快速減小;在1.2LPM條件下，吸收劑較干燥氣體的比吸收率提高到5.7倍，穿透時間增加到3.2倍;加濕條件下，明顯利于吸收劑對CO2的吸收反應。

在50℃水浴條件下，低流速時吸收劑的比吸收率較常溫加濕有明顯降低了29.6%，而在高流速時，其比吸收率略有增加。在該部分實驗中發現，吸收劑反應器的底部會在10-12h左右出現冷凝水聚集現象，水的出現引起了吸收劑的板結，導致吸收劑與氣體的接觸面積顯著減少，便出現了過大濕度對吸收反應的負面影響，而當流速持續變大時，其水汽的夾帶及其冷凝現象相對變弱，便使得吸收劑比吸收率又有所增加。

3.2 吸收劑厚度、CO2濃度與吸收效率的關系

CO2的初始濃度對于吸收劑的處理效果有重要的影響，體現在穿透時間的變化上，本部分實驗分別考察吸收劑在不同CO2濃度條件下的穿透特性。另一方面，吸收劑床層厚度是吸收反應器的一個重要設計參數，通常要大于吸收劑穿透曲線的軸向距離。

選取常溫加濕作為吸收劑的評價條件，分別配置

380ppmv、600ppmv、1000ppmv CO2濃度的氣體，在1.2 LPM流量條件下，通過常溫水浴加濕，進入吸收反應器，變化不同的吸收劑床層厚度，觀察吸收后的CO2濃度變化。記錄吸收劑的濃度穿透曲線（圖3，穿透濃度定義為20ppm），考察吸收劑的吸收特性，測試結果見表3。

圖4給出了在不同CO2初始濃度下，吸收劑比吸收效率與床層厚度的變化關系。隨著床層厚度的增加，比吸收效率成線性增加，但是不同濃度下其比吸收效率的變化不大，說明不同進口濃度對于特定床層厚度的吸收劑的比吸收率影響不明顯。

通常，進口濃度越高，其吸收穿透曲線越短，了解和設定穿透曲線（圖5），是吸收床層放大設計的最重要參數之一。

根據本部分實驗結果，可以計算出不同濃度的穿透曲線長度及速率，分析結果如表4所示。在1.2LPM（5.8×10-2m/s）的吸收線速度下，吸收劑的穿透曲線隨進口濃度的增大呈上升趨勢，濃度增大到1000ppm時，基本維持在110mm左右。

對于特定的氣體流速、吸收劑、溫濕度條件，穿透曲線是固定的，吸收劑內分布的氣體濃度呈下拋物線狀。隨著吸收反應時間的增加而沿氣流方向推進，如圖5所示，當穿透曲線逐漸推進到吸收床的出口時，出口濃度逐漸升高，即完成了吸收劑的使用過程，需要重新更換。

3.3 吸收劑粒徑與吸收效率的關系

CO2與吸收劑的中和反應，首先發生在吸收劑與氣體的界面，反應界面與吸收劑的粒徑大小成反向關系，因此提供更多的反應界面會提高吸收反應速度，增加吸收效率;另一方面，吸收劑的體積過小，在實際應用過程中，會更容易發生因吸水所致的板結現象。

在本部分實驗中，配置380ppmv CO2濃度的氣體，在1.2 LPM流量條件下，通過常溫水浴加濕，進入吸收反應器，變化不同的吸收劑顆粒粒徑，觀察吸收后的CO2濃度變化。記錄吸收劑的濃度穿透曲線（圖6，穿透濃度定義為20ppm），考察吸收劑的吸收特性，測試結果見表5。

吸收劑顆粒減小，參加吸收反應的有效面積增大，吸收劑的比吸收率顯著增大，約增加117.5%，如果進一步延長吸收劑的使用壽命，可以通過減小吸收劑的顆粒徑來實現。

4 結論

通過CO2固體吸收劑性能參數的影響因素試驗分析，可得出如下結論：常溫加濕較干燥或升溫加濕條件，更利于CO2在復合吸收劑NaOH-CaO上的吸收反應。復合吸收劑對CO2的比吸收效率隨流速的增大而減小，隨吸收劑床層高度的增加而增大;隨CO2濃度的增加，在同等溫濕度、流速條件下，復合吸收劑的比吸收效率呈下降趨勢;不同CO2濃度條件下，相同復合吸收劑床層高度對應的比吸收效率變化不大;1.2LPM（5.8×10-2m/s）流速下，380-1000ppmv的CO2濃度對應復合吸收劑的穿透曲線長度約90-111mm;復合吸收劑的粒徑越小，越利于提高吸收劑的比吸收效率，2-4mm粒徑較4-6mm粒徑的吸收劑的比吸收效率增加117.5%。

參考文獻：

[1]方棟，李紅.環境中氚和碳-14[J].輻射防護，2002（01）：51-56.

[2]譚璞，周國豐，白杉，等.壓水堆核電廠～（14）C產生機理與處理技術探討[J].綠色科技，2016（06）：8-11.

[3]周國豐，白杉，黃永雄，等.單一與復合固體吸收劑去除低濃度CO2的性能比較[J].能源環境保護，2016，30（03）：23-26.