導語：后處理廠工藝排氣系統(tǒng)問題分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]工藝排氣系統(tǒng)是乏燃料后處理廠的重要組成部分，根據(jù)目前后處理工藝排氣系統(tǒng)的設計，結合運行狀況，總結出關于工藝排氣系統(tǒng)的設計問題，主要為負壓調(diào)節(jié)問題和液滴夾帶問題。通過對問題的分析，提出了關于工藝排氣系統(tǒng)的設計改進。對今后后處理廠工藝排氣系統(tǒng)的設計有一定的參考作用。

[關鍵詞]后處理廠；廢氣；工藝排氣系統(tǒng)；設計

后處理廠產(chǎn)生的工藝廢氣包括氣態(tài)裂變產(chǎn)物和氣溶膠。主要來源于乏燃料在剪切及溶解、硝酸回收、工藝溶液及液體廢物蒸發(fā)濃縮、廢物煅燒等操作過程產(chǎn)生的氣體，以及處理放射性物質(zhì)的工藝設備的呼排氣體。這些工藝廢氣的放射性主要來自85Kr、3H、129I、14C等氣體裂變產(chǎn)物以及90Sr、137Cs、144Ce、106Ru等非揮發(fā)性裂變產(chǎn)物的氣溶膠[1]。工藝廢氣排放是后處理廠正常運行時向環(huán)境排放放射性物質(zhì)的主要渠道，后處理廠產(chǎn)生的工藝廢氣嚴重污染環(huán)境，必須經(jīng)過凈化處理，使其放射性水平達到排放標準后才能排放到大氣中。目前我國后處理廠工藝排氣系統(tǒng)最主要的問題是廢氣中液滴夾帶量較大。另一個問題是，系統(tǒng)內(nèi)的負壓調(diào)節(jié)靈敏度略差。下面對于反映出的一些問題，分別進行分析，并提出設計改進建議。

1負壓調(diào)節(jié)問題

國外后處理廠排氣大致都分為DOG系統(tǒng)和VOG系統(tǒng)，而我國的后處理廠的劃分更加細致和復雜，可能造成的問題是各子系統(tǒng)之間的互相影響更加嚴重，流量和負壓調(diào)節(jié)難度加并通過一級空提將萃余液送入貯槽的過程。分析該工藝過程，可以發(fā)現(xiàn)多種排氣之間存在竄氣的可能性：當二級空提的溢流管不滿流或一級空提停止時，空氣提升排氣就會與貯槽呼排相連通；當輸液管不滿流或二級空提停止時，空氣提升排氣就會與脈沖萃取柱呼排相連通。這樣，貯槽呼排、空氣提升排氣和脈沖萃取柱的呼排都有連通的可能。空氣提升排氣和脈沖排氣都有強烈的壓力波動，可能出現(xiàn)瞬時正壓，對集氣管附近的其他排氣負壓造成不良影響。為避免各類排氣間的互相影響，有效的做法是將各類排氣進行分隔。由于后處理廠的特殊性，系統(tǒng)不能采用閥門控制氣體流向，而多采用液封或單獨收集排氣等方式進行物理分隔：

1.1液封

為避免空氣提升排氣與貯槽呼排竄通，可將空氣提升的溢流管或輸液管插入貯槽液面以下進行液封。將溢流管或輸液管伸入液面以下，這樣，即使管內(nèi)不滿流或空氣提升停止時，兩類排氣仍保持分隔。但是這樣設計，有可能導致氣堵，使料液輸送不暢。大；同時，部分國外的后處理廠如法國的UP3廠、日本六個所廠是以設施為單位進行系統(tǒng)劃分，而我國的后處理廠則把相同的類型的排氣集中在一起進行凈化處理，會加重系統(tǒng)的工作負擔，降低調(diào)節(jié)的有效性和靈活性，也不利于風險的分散化。因此，對于具有工業(yè)規(guī)模的后處理廠，建議按照不同工序的功能來劃分工藝排氣系統(tǒng)，如剪切、溶解、共去污分離、钚純化和鈾純化等。相對獨立的工藝排氣系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)內(nèi)的負壓調(diào)節(jié)與控制，減輕不同工序之間的相互影響。貯槽呼排系統(tǒng)處理的排氣種類較多，包括放射性貯槽的呼吸排氣(OG3)、空氣提升排氣(OG2)、脈沖排氣(OG2)和脈沖萃取柱、混合澄清槽的呼排(OG1)，且各種排氣的排氣特性不同。當后處理廠的規(guī)模龐大時，放射性貯槽數(shù)量增多，空氣提升裝置也廣泛應用在各種倒料場所，導致排氣的氣量大，各排氣支路錯綜復雜，系統(tǒng)負壓調(diào)節(jié)難度高。針對貯槽呼排系統(tǒng)的這一特點，采取相應措施，提高系統(tǒng)負壓調(diào)控能力，保障系統(tǒng)負壓梯度，十分重要。首先，是對系統(tǒng)的規(guī)模大小進行合理的劃分，減小貯槽呼。

1.2單獨收集各類排氣

各類排氣有可能通過集氣管竄通，或者某類排氣壓力波動較大時，會對集氣管周圍其他排氣壓力造成影響。為避免這種情況的出現(xiàn)，每類排氣尤其是壓力波動較大的排氣，應當單獨收集后送入排氣系統(tǒng)。

1.3改進排氣管接入排氣干管的形式

為避免排氣壓力波動影響干管負壓，排氣管接入排氣干管時應采取倒扣的形式，且長度應該足夠長。這樣做既有利于液滴的回流，又能進一步降低排氣流速，減輕排氣匯入干管時導致的壓力波動。

1.4脈沖排氣設置穩(wěn)壓罐

脈沖排氣的流量和壓力波動很大，除單獨收集和以倒扣形式接入排氣干管外，還應在脈沖排氣接入排氣干管前設置穩(wěn)壓罐作為緩沖，避免脈沖排氣對貯槽呼排系統(tǒng)造成沖擊。按照這種思路設計改進后的貯槽呼排系統(tǒng)，可合理劃分系統(tǒng)規(guī)模，杜絕各類排氣間的互相影響，減輕了系統(tǒng)的工作負荷，增強了系統(tǒng)的負壓調(diào)控能力。上述的排氣間物理分隔方式，同排系統(tǒng)的排氣通量。以廠房或工序為單元劃分貯槽呼排系統(tǒng)，可使子系統(tǒng)的排風量大大降低，減輕系統(tǒng)的壓力損失和各類排氣之間的相互影響，可提高系統(tǒng)負壓調(diào)節(jié)的有效性和靈敏性。除此之外，在系統(tǒng)內(nèi)部也有必要采取相應措施，避免各類排氣間互相影響，以提高系統(tǒng)負壓調(diào)控能力和運行的穩(wěn)定性。排氣間的相互影響主要體現(xiàn)在竄氣或排氣壓力波動影響附近其他排氣。如通過二級空提將供料槽內(nèi)料液送入脈沖萃取柱，樣適用于其他排氣系統(tǒng)，如溶解排氣與貯槽呼排的分隔等。

2液滴夾帶問題

放射性氣溶膠本身就是不穩(wěn)定體系，它受重力、溫度、電荷、濃度等因素的影響，具有凝聚成較大顆粒的傾向。在后處理工藝中由于涉及許多化學過程以及氣體與溶液劇烈混合的過程，所以會產(chǎn)生較多液體氣溶膠，液滴夾帶問題突出。因此，應該主要從兩方面來著手解決：一方面是從源頭[收稿日期]2022-03-31來分析，減少產(chǎn)生的放射性液滴夾帶；另一方面，是要提高工藝排氣系統(tǒng)中凈化設備的氣液分離效果。

2.1減少產(chǎn)生的放射性液滴夾帶

廢氣中夾帶的微小液滴氣溶膠主要來自于貯槽排氣和空氣提升排氣。正常情況下，貯槽排氣的氣量比較穩(wěn)定?？諝馓嵘艢庀到y(tǒng)是整個排氣系統(tǒng)中流量最大的一路?？諝馓嵘艢鈺霈F(xiàn)瞬時壓空流量增大的情況，造成排氣管道內(nèi)的壓力波動較大，影響整個空氣提升排氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能會導致排氣中液滴夾帶量過大的問題。因此，為減少液滴夾帶的產(chǎn)生，對于空氣提升裝置的設計，提出如下改進建議：(1)增大氣液分離罐的體積，使液面以上留出足夠的空間來保證氣液分離的效果。目前的氣液分離罐氣液入口管位置距筒體頂部為100mm，建議增加液面上部空間，使氣液兩相分離充分。(2)氣液分離罐的排氣管接入排氣主管時應采取倒扣的形式，且距離應足夠長。倒扣距離至少應滿足300mm以上，在布置空間允許的情況下，建議距離達到400mm以上。(3)在氣液分離罐的頂部設置不銹鋼絲網(wǎng)。此外，由于空氣提升裝置中的壓空與提升液體流量呈線性關系，在操作中，對于設定的提升流量，應嚴格按照相應壓空的設計流量進行操作，不應為減少操作時間而加大壓空流量，以減少不必要的排氣量和液滴夾帶。

2.2提高氣液分離效果

在工藝排氣系統(tǒng)中使用的氣溶膠凈化設備主要有：捕集器、旋風分離器、不銹鋼絲網(wǎng)凈化器、泡罩塔、多管除塵器、核級中效過濾器以及核級高效過濾器等。放射性氣溶膠多是分散的，各種凈化設備對它的凈化效率是其粒譜分布的函數(shù)。對于不同性質(zhì)、不同粒譜分布的氣溶膠，每一種凈化器所表現(xiàn)出來的凈化能力是不同的。由于工藝排氣中放射性氣溶膠的粒子一般較小，其粒譜分布趨于亞微粒子區(qū)。例如：裂變產(chǎn)物硝酸溶液壓空攪拌排氣中氣溶膠的粒度分布圖[2]，如圖1所示，可以看出多數(shù)粒子分布在小粒徑區(qū)，氣溶膠的平均性中值空氣動力學(等效)直徑(AMAD)為1.85μm。因此工藝排氣凈化系統(tǒng)中的捕集器、旋風分離器、不銹鋼絲網(wǎng)凈化器，這類以慣性力或離心力為作用機理的凈化設備，凈化能力就低一些，一般凈化系數(shù)在10以下。但是為了延長后續(xù)玻璃纖維高效過濾器的壽命，這類凈化設備作為工藝排氣系統(tǒng)中的預處理手段是十分必要的。對氣溶膠凈化起關鍵作用的是核級高效過濾器，我們使用的是濾芯為玻璃纖維的高效過濾器。玻璃纖維有較大的比表面積，除了阻擋擴散作用之外，還有一定的吸附作用，所以能有效地捕集廢氣中的微粒，使廢氣得到高效凈化。其優(yōu)點是對低濃度的超微米顆粒，凈化效率高達99.99%；流體阻力較?。荒苓B續(xù)使用較長時間而不需要維修；更換下來的濾芯可作固體廢物處理。主要缺點是濕后阻力變大而失效。所以在工藝排氣系統(tǒng)中，在進入高效過濾器之前，應盡量減少廢氣中的含水量。因此，為提高氣液分離效果，對于工藝排氣系統(tǒng)的設計，提出如下改進：2.2.1增加氣體冷卻器在捕集器(或凈化器)之前，淋洗塔之后，設氣體冷卻器。降低進氣溫度可降低氣體的飽和濕含量，使夾帶的液滴在進入捕集器之前變大，沉降，有利于氣液分離。氣體飽和濕度隨氣體溫度的降低而減小，且氣體溫度越高，冷卻降低濕含量效果越明顯。因此，在冷卻器中，用冷卻水使氣體由35~40℃冷卻至20℃。不同溫度下飽和空氣中水蒸氣壓力及濕含量如表1所示。此外，在最后一級高效過濾器之后，設氣體冷卻器。由于通過中高效過濾器的廢氣被加熱至120℃，過濾之后的氣體將被氣體輸送裝置(壓空噴射器或風機)送至煙囪排放。因此，在排放之前，需要降低氣體溫度，使廢氣中的微小液滴凝結下來、盡量降低濕含量，以減少放射性的流出。同時，由于在氣體排放干管上設置劑量監(jiān)測儀表來監(jiān)測排放氣體的放射性，溫度過高會影響劑量監(jiān)測儀表的有效性，所以也需要將排放氣體溫度降低。因此，在冷卻器中，用冷卻水將排放氣體溫度由120℃冷卻至40℃。2.2.2絲網(wǎng)捕集器的設計改進絲網(wǎng)捕集器具有結構簡單、重量輕、孔隙率大、壓力降小、接觸面積大、除沫效率高、使用壽命長等優(yōu)點。絲網(wǎng)捕集器對霧沫的捕集效率可以達到約97%，能夠有效分離3~5μm的霧滴，正常情況下壓力降為200~500Pa。因此，我們在設計中，依然選用絲網(wǎng)捕集器作為氣體凈化的預處理手段，但為了提高凈化效果，對絲網(wǎng)捕集器做出如下設計改進：(1)增加絲網(wǎng)厚度，以加強除霧效果。絲網(wǎng)厚度由100mm增加至150mm。(2)絲網(wǎng)形式由標準型絲網(wǎng)改為高效性絲網(wǎng)；捕集器的臨界氣速(即超過此氣速會形成二次夾帶當絲網(wǎng)形式改為高效型絲網(wǎng)后，計算出操作氣速減小，絲網(wǎng)直徑減小。(3)絲網(wǎng)材質(zhì)選用鈦材，以減少絲網(wǎng)腐蝕。(4)捕集器內(nèi)絲網(wǎng)上方設置噴淋盤管，設備上端設有清洗管口。2.2.3增加氣體預熱器為了防止過濾器濾芯被廢氣中的水分打濕，導致過濾器阻力過大而失效。需要在工藝排氣系統(tǒng)中，核級中、高效過濾器之前，設氣體預熱器，利用蒸汽將廢氣加熱至120℃左右，使廢氣中的液滴充分氣化后，再進入中、高效過濾器，以保證高效過濾器的凈化效果。2.2.4氣體緩沖罐的設計改進對于有明顯壓力波動的排氣系統(tǒng)，如空氣提升、脈沖排氣，設置氣體緩沖罐是十分必要的，尤尤其是在空氣提升排氣中，液滴夾帶較明顯。因此，可以在氣體緩沖罐的頂部設置不銹鋼絲網(wǎng)，這樣可起到一定的凈化作用，減少排氣中的夾帶液滴。

3其他工藝問題改進

3.1蒸發(fā)尾氣凈化裝置的設計改進

將蒸發(fā)器尾氣處理中的金屬絲網(wǎng)凈化器改為泡罩塔。由于蒸發(fā)過程中，產(chǎn)生的氣體酸度較高，對凈化器中的金屬絲網(wǎng)腐蝕嚴重，因此，將金屬絲網(wǎng)凈化器改為同樣具有凈化效果的泡罩塔。

3.2蒸發(fā)尾氣增加一級高效過濾器

為了減少排放氣體中的放射性濃度，在蒸發(fā)排氣系統(tǒng)末端再新增一級高效過濾器。使主工藝排氣系統(tǒng)中，所有排氣凈化系統(tǒng)均通過中高效過濾器+高效過濾器的串聯(lián)形式，來保證排放氣體的凈化效果。

3.3增加氮氧化物處理裝置

在溶解、脫硝、钚純化和钚尾端等操作中都會產(chǎn)生氮氧化物，雖然氮氧化物為非放廢氣，但依然屬于對環(huán)境有影響的污染物之一。即便達到國家排放標準，還是應該本著廢物最小化為減少液滴夾帶的產(chǎn)生，對于空氣提升裝置的設計進行優(yōu)化改進：①增大氣液分離罐的體積，使液面以上留出足夠的空間來保證氣液分離的效果；②氣液分離罐的排氣管接入排氣主管時應采取倒扣的形式，且距離應足夠長；③在氣液分離罐的頂部設置不銹鋼絲網(wǎng)。為提高氣液分離效果，可①增加氣體冷卻器；②進行絲網(wǎng)捕集器的設計改進；③增加氣體預熱器；④進行氣體緩沖罐的設計改進。以及對于蒸發(fā)尾氣系統(tǒng)、氮氧化物處理裝置等其他設計改進。原則，考慮增加氮氧化物處理裝置，減少氮氧化物的排放量。

4結論

為了滿足放射性氣體的凈化系數(shù)要求，應對后處理廠工藝排氣系統(tǒng)進行合理設計。主要包括：按照不同工序的功能來劃分工藝排氣系統(tǒng)，來提高負壓調(diào)節(jié)的有效性和靈活性。為避免各類排氣間的互相影響，將各類排氣進行分隔的設計改進：①液封；②單獨收集各類排氣；③改進排氣管接入排氣干管的形式；④脈沖排氣設置穩(wěn)壓罐。

參考文獻

[1]羅上庚．放射性廢物的最小化[J]．輻射防護，2000，20(5)：308-311．

[2]張吉富．核燃料后處理工藝過程中放射性氣溶膠的凈化[M]．北京：二機部第二研究設計院，1981．

作者：楊欣靜 崔皎 單位：中國核電工程有限公司