導(dǎo)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(diǎn)，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(shè)計(jì)，結(jié)合運(yùn)行狀況，總結(jié)出關(guān)于工藝排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，主要為負(fù)壓調(diào)節(jié)問題和液滴夾帶問題。通過對(duì)問題的分析，提出了關(guān)于工藝排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。對(duì)今后后處理廠工藝排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考作用。

[關(guān)鍵詞]后處理廠；廢氣；工藝排氣系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

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(shè)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(yùn)行時(shí)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(yán)重污染環(huán)境，必須經(jīng)過凈化處理，使其放射性水平達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)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(gè)問題是，系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓調(diào)節(jié)靈敏度略差。下面對(duì)于反映出的一些問題，分別進(jìn)行分析，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。

1負(fù)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(xì)致和復(fù)雜，可能造成的問題是各子系統(tǒng)之間的互相影響更加嚴(yán)重，流量和負(fù)壓調(diào)節(jié)難度加并通過一級(jí)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(dāng)二級(jí)空提的溢流管不滿流或一級(jí)空提停止時(shí)，空氣提升排氣就會(huì)與貯槽呼排相連通；當(dāng)輸液管不滿流或二級(jí)空提停止時(shí)，空氣提升排氣就會(huì)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?？諝馓嵘艢夂兔}沖排氣都有強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)，可能出現(xiàn)瞬時(shí)正壓，對(duì)集氣管附近的其他排氣負(fù)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(jìn)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(dú)收集排氣等方式進(jìn)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(jìn)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(shí)，兩類排氣仍保持分隔。但是這樣設(shè)計(jì)，有可能導(dǎo)致氣堵，使料液輸送不暢。大；同時(shí)，部分國外的后處理廠如法國的UP3廠、日本六個(gè)所廠是以設(shè)施為單位進(jìn)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(jìn)行凈化處理，會(huì)加重系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，降低調(diào)節(jié)的有效性和靈活性，也不利于風(fēng)險(xiǎn)的分散化。因此，對(duì)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(duì)獨(dú)立的工藝排氣系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)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(dāng)后處理廠的規(guī)模龐大時(shí)，放射性貯槽數(shù)量增多，空氣提升裝置也廣泛應(yīng)用在各種倒料場(chǎng)所，導(dǎo)致排氣的氣量大，各排氣支路錯(cuò)綜復(fù)雜，系統(tǒng)負(fù)壓調(diào)節(jié)難度高。針對(duì)貯槽呼排系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，采取相應(yīng)措施，提高系統(tǒng)負(fù)壓調(diào)控能力，保障系統(tǒng)負(fù)壓梯度，十分重要。首先，是對(duì)系統(tǒng)的規(guī)模大小進(jìn)行合理的劃分，減小貯槽呼。

1.2單獨(dú)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(dòng)較大時(shí)，會(huì)對(duì)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(dòng)較大的排氣，應(yīng)當(dāng)單獨(dú)收集后送入排氣系統(tǒng)。

1.3改進(jìn)排氣管接入排氣干管的形式

為避免排氣壓力波動(dòng)影響干管負(fù)壓，排氣管接入排氣干管時(shí)應(yīng)采取倒扣的形式，且長度應(yīng)該足夠長。這樣做既有利于液滴的回流，又能進(jìn)一步降低排氣流速，減輕排氣匯入干管時(shí)導(dǎo)致的壓力波動(dòng)。

1.4脈沖排氣設(shè)置穩(wěn)壓罐

脈沖排氣的流量和壓力波動(dòng)很大，除單獨(dú)收集和以倒扣形式接入排氣干管外，還應(yīng)在脈沖排氣接入排氣干管前設(shè)置穩(wěn)壓罐作為緩沖，避免脈沖排氣對(duì)貯槽呼排系統(tǒng)造成沖擊。按照這種思路設(shè)計(jì)改進(jìn)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(fù)荷，增強(qiáng)了系統(tǒng)的負(fù)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?yàn)閱卧獎(jiǎng)澐仲A槽呼排系統(tǒng)，可使子系統(tǒng)的排風(fēng)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(fù)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(yīng)措施，避免各類排氣間互相影響，以提高系統(tǒng)負(fù)壓調(diào)控能力和運(yùn)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(dòng)影響附近其他排氣。如通過二級(jí)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(xué)過程以及氣體與溶液劇烈混合的過程，所以會(huì)產(chǎn)生較多液體氣溶膠，液滴夾帶問題突出。因此，應(yīng)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(shè)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。空氣提升排氣系統(tǒng)是整個(gè)排氣系統(tǒng)中流量最大的一路。空氣提升排氣會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)壓空流量增大的情況，造成排氣管道內(nèi)的壓力波動(dòng)較大，影響整個(gè)空氣提升排氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)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(duì)于空氣提升裝置的設(shè)計(jì)，提出如下改進(jìn)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(shí)應(yīng)采取倒扣的形式，且距離應(yīng)足夠長。倒扣距離至少應(yīng)滿足300mm以上，在布置空間允許的情況下，建議距離達(dá)到400mm以上。(3)在氣液分離罐的頂部設(shè)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(guān)系，在操作中，對(duì)于設(shè)定的提升流量，應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)壓空的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行操作，不應(yīng)為減少操作時(shí)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(shè)備主要有：捕集器、旋風(fēng)分離器、不銹鋼絲網(wǎng)凈化器、泡罩塔、多管除塵器、核級(jí)中效過濾器以及核級(jí)高效過濾器等。放射性氣溶膠多是分散的，各種凈化設(shè)備對(duì)它的凈化效率是其粒譜分布的函數(shù)。對(duì)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(dòng)力學(xué)(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(fēng)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(jī)理的凈化設(shè)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(shè)備作為工藝排氣系統(tǒng)中的預(yù)處理手段是十分必要的。對(duì)氣溶膠凈化起關(guān)鍵作用的是核級(jí)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(kuò)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(diǎn)是對(duì)低濃度的超微米顆粒，凈化效率高達(dá)99.99%；流體阻力較??；能連續(xù)使用較長時(shí)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(diǎn)是濕后阻力變大而失效。所以在工藝排氣系統(tǒng)中，在進(jìn)入高效過濾器之前，應(yīng)盡量減少廢氣中的含水量。因此，為提高氣液分離效果，對(duì)于工藝排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出如下改進(jìn)：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(shè)氣體冷卻器。降低進(jìn)氣溫度可降低氣體的飽和濕含量，使夾帶的液滴在進(jìn)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(jí)高效過濾器之后，設(shè)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(fēng)機(jī))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(jié)下來、盡量降低濕含量，以減少放射性的流出。同時(shí)，由于在氣體排放干管上設(shè)置劑量監(jiān)測(cè)儀表來監(jiān)測(cè)排放氣體的放射性，溫度過高會(huì)影響劑量監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)改進(jìn)絲網(wǎng)捕集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。絲網(wǎng)捕集器對(duì)霧沫的捕集效率可以達(dá)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?cè)谠O(shè)計(jì)中，依然選用絲網(wǎng)捕集器作為氣體凈化的預(yù)處理手段，但為了提高凈化效果，對(duì)絲網(wǎng)捕集器做出如下設(shè)計(jì)改進(jìn)：(1)增加絲網(wǎng)厚度，以加強(qiáng)除霧效果。絲網(wǎng)厚度由100mm增加至150mm。(2)絲網(wǎng)形式由標(biāo)準(zhǔn)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(huì)形成二次夾帶當(dāng)絲網(wǎng)形式改為高效型絲網(wǎng)后，計(jì)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(shè)置噴淋盤管，設(shè)備上端設(shè)有清洗管口。2.2.3增加氣體預(yù)熱器為了防止過濾器濾芯被廢氣中的水分打濕，導(dǎo)致過濾器阻力過大而失效。需要在工藝排氣系統(tǒng)中，核級(jí)中、高效過濾器之前，設(shè)氣體預(yù)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(jìn)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(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)于有明顯壓力波動(dòng)的排氣系統(tǒng)，如空氣提升、脈沖排氣，設(shè)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(shè)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(jìn)

3.1蒸發(fā)尾氣凈化裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)

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(duì)凈化器中的金屬絲網(wǎng)腐蝕嚴(yán)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(jí)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(jí)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(huì)產(chǎn)生氮氧化物，雖然氮氧化物為非放廢氣，但依然屬于對(duì)環(huán)境有影響的污染物之一。即便達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，還是應(yīng)該本著廢物最小化為減少液滴夾帶的產(chǎn)生，對(duì)于空氣提升裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：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(shí)應(yīng)采取倒扣的形式，且距離應(yīng)足夠長；③在氣液分離罐的頂部設(shè)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(jìn)行絲網(wǎng)捕集器的設(shè)計(jì)改進(jìn)；③增加氣體預(yù)熱器；④進(jìn)行氣體緩沖罐的設(shè)計(jì)改進(jìn)。以及對(duì)于蒸發(fā)尾氣系統(tǒng)、氮氧化物處理裝置等其他設(shè)計(jì)改進(jìn)。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(jié)論

為了滿足放射性氣體的凈化系數(shù)要求，應(yīng)對(duì)后處理廠工藝排氣系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。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(fù)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(jìn)行分隔的設(shè)計(jì)改進(jìn)：①液封；②單獨(dú)收集各類排氣；③改進(jìn)排氣管接入排氣干管的形式；④脈沖排氣設(shè)置穩(wěn)壓罐。

參考文獻(xiàn)

[1]羅上庚．放射性廢物的最小化[J]．輻射防護(hù)，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(jī)部第二研究設(shè)計(jì)院，1981．

作者：楊欣靜 崔皎 單位：中國核電工程有限公司