安全殼過濾排放系統文丘里洗滌器除碘性能分析

王 稹，張計榮，白東進，繆騏遠，李永國，任宏正，王 佳，張淵，丘丹圭，侯建榮

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006；2.三門核電有限公司，浙江 三門 317100)

安全殼過濾排放系統主要功能是在嚴重事故工況下進行排氣，以降低安全殼內壓力,并對排放氣體中的放射性碘及氣溶膠進行有效去除[1]。目前，我國在役反應堆多數采用以文丘里洗滌器+金屬纖維過濾器為基礎的濕式過濾排放系統[2]。文丘里洗滌器用于去除氣體中較大顆粒尺寸的放射性碘及氣溶膠，工作原理如圖1所示：氣流從入口流入喉部位置，形成高速流體，喉部吸液口形成負壓，將洗滌液引射入喉部內，并與高速流體接觸。洗滌液經過高速氣流的剪切力作用后被霧化成液滴。氣流中的粉塵顆粒在霧化形成的液滴表面沉降，同時氣流中的放射性碘與洗滌液中NaOH和Na2S2O3充分混合并發生化學反應，生成可溶性物質滯留在洗滌液中。

圖1 文丘里洗滌器工作原理

目前針對核電廠用文丘里洗滌器的研究較少。ALI等[3]研究了液相流量對過濾效率的影響，并指出過濾效率在一定范圍內與液相流量成正相關性。Mayinger等[4]對氣相流速、過濾介質顆粒直徑、液位高度等因素對效率影響做了一定研究。周艷民等[5]在實驗室建立了對文丘里水洗器性能研究裝置，數據顯示氣相壓力是影響引射量的重要因素。Naoki Horiguchi等[6]通過數值計算對兩相流特性做了一定研究，驗證了液膜的存在。Lehner[7]對引射量和流動阻力隨喉部流速的變化規律進行了實驗研究。Ahmadvand等[8]對微觀液滴分布進行了CFD(計算流體動力學)數值模擬。

本文使用CFD數值模擬方法，對安全殼過濾排放系統文丘里洗滌器運行工況進行模擬。探討文丘里洗滌器氣液兩相瞬態流動特性及凈化機理；研究氣相流量、系統壓力對文丘里洗滌器引射特性的影響；分析洗滌器除碘性能影響因素。

1 實驗

本次研究搭建了實驗室規模安全殼過濾排放系統回路。實驗回路可模擬真實事故時安全殼大氣環境[9]，設計最大壓力為0.8 MPa，最高溫度200 ℃。實驗中碘配送濃度按照反應堆嚴重事故24小時后安全殼大氣中碘濃度，約為7.3 mg/m3。圖2為實驗回路示意圖。實驗回路主要包括：(1)尾氣處理器；(2)下游電磁閥；(3)下游采樣點；(4)溫濕度探頭；(5)安全殼過濾系統模擬樣機(內部安裝單個文丘里洗滌器)；(6)上游電磁閥；(7)上游采樣點；(8)示蹤劑注入點；(9)溫度控制系統；(10)蒸汽發生器；(11)空氣壓縮機。

圖2 實驗回路示意圖

2 模擬計算

2.1 兩相流模型

本文采用CFD模擬軟件Fluent對文丘里洗滌器運行過程進行數值模擬。文丘里內部氣液流動呈現湍流狀態，選擇湍流模型RNG k-ε，近壁標準壁面方程[10]。

本研究中計算模型基于以下假設以簡化計算過程：(1)文丘里洗滌器氣液兩相之間傳熱、傳質忽略不計。(2)氣相與液相均為連續不可壓縮流體。

選擇Euler雙流體模型解決兩相流問題，控制方程如下：

連續性方程：

(1)

(2)

動量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

2.2 模型與網格

圖3(a)、(b)分別為文丘里洗滌器噴嘴三維數學模型圖與網格劃分圖。過濾系統運行時，整個噴嘴浸沒在NaOH和Na2S2O3洗滌液中。試驗介質(即氣相)從inlet 1進入，洗滌液(即液相)從inlet 2進入，氣液混合物從outlet流出。網格劃分采用三角形非結構化網格，通過調節網格精細度，使計算趨于穩定，不受網格尺寸影響。

圖3 文丘里噴嘴模型圖與網格劃分圖

2.3 邊界條件

為模擬文丘里洗滌器真實運行工況，氣相入口設置為速度入口邊界，液相入口設置為壓力入口，氣液混合出口設置為壓力出口邊界。

3 結果與分析

3.1 文丘里洗滌器液相瞬態流動特性

圖4為CFD模擬文丘里洗滌器液相流線圖，圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別記錄瞬態1 s、3 s、5 s、7 s時液相流動過程及形態。可見文丘里噴嘴工作過程中，液相由氣相流動所形成的負壓從吸液管吸入喉部位置，在噴嘴內壁以液態薄膜形式連續流動，并在靠近喉部位置流速達到最大值。

圖4 文丘里洗滌器液相流線圖

3.2 文丘里洗滌器入口流速對引射量的影響

圖5為CFD模擬文丘里洗滌器引射量隨入口氣相流速變化的計算結果。由圖5可見，隨氣相流速逐漸增大，洗滌液引射量近似線性增長。

圖5 文丘里洗滌器引射量與入口流速關系

圖6為文丘里洗滌器吸液管內外側壓差隨入口氣相流速變化的計算結果。分析可知，隨氣相流速的增大，吸液管內外側壓差呈現近似拋物線規律。壓差與流速之間表現為二次函數關系。結合文丘里噴嘴引射機理可知，氣相流速變化引起的吸液管內外側壓差是影響文丘里洗滌器引射性能的重要因素。

圖7為在碘配送濃度為7.3 mg/m3，不同氣相入口流速下，洗滌器對單質碘的凈化效率。結果表明：在流速0～20 m/s范圍內，凈化效率與引射量增長趨勢保持一致，證明文丘里洗滌器引射能力是提高除碘性能的重要因素。隨流速提升，在15 m/s之后凈化效率將不再繼續增加，穩定在95%以上。分析原因：凈化效率取決于氣相與液相傳質過程，當引射量達到一定量時，氣液混合足夠充分，碘與硫代硫酸鈉反應較為完全，凈化效率將趨于穩定。將入口流速15 m/s按照某核電廠安全殼排放系統尺寸換算成體積流量約為3 300 m3/h，小于此風量下的排放工況，除碘效率將很難保證在較高水平。

圖7 文丘里洗滌器除碘效率與入口流速關系

3.3 文丘里洗滌器系統壓力對引射量的影響

模擬計算了在不同系統壓力下，引射量隨氣流流速變化規律，結果如圖8所示。分析可知，噴嘴在系統壓力0.1～0.5 MPa范圍內變化時，隨入口流速增大，引射量明顯增大，并且高流量區比低流量區更為明顯。在可壓縮流中，系統壓力的增大，將導致氣相密度近似等比例增大，使得入口壓力提高，進一步影響吸液壓差，提高引射量。

圖8 系統壓力對引射量的影響

4 結論

本文通過CFD數值模擬方法，對安全殼過濾排放系統文丘里洗滌器不同流速、系統壓力進行了數值計算，結合實驗方法對除碘效率的測定，得到以下結論：

(1)在瞬態計算中發現文丘里洗滌器內液相以液態薄膜形式緊靠內壁連續流動，并在靠近喉部位置流速達到最大值。

(2)在入口流速0～20 m/s范圍內，碘配送濃度7.3 mg/m3條件下，引射量呈現近似線性增長關系；吸液管內外側壓差呈現近似拋物線規律，二者表現為近似二次函數關系；系統除碘效率在初始階段與引射量的增長趨勢保持一致，隨后在引射量達到一定水平后趨于穩定。為保證較高除碘效率，建議系統排放風量應保持在3 300 m3/h以上。

(3)在系統壓力0.1～0.5 MPa范圍內變化時，除碘效率均可保持在較高水平，壓力增大有助于引射量提升，并且在高流量區提高更加明顯。