后处理厂工艺排气系统问题分析

[摘要]工艺排气系统是乏燃料后处理厂的重要组成部分，根据目前后处理工艺排气系统的设计，结合运行状况，总结出关于工艺排气系统的设计问题，主要为负压调节问题和液滴夹带问题。通过对问题的分析，提出了关于工艺排气系统的设计改进。对今后后处理厂工艺排气系统的设计有一定的参考作用。

[关键词]后处理厂；废气；工艺排气系统；设计

后处理厂产生的工艺废气包括气态裂变产物和气溶胶。主要来源于乏燃料在剪切及溶解、硝酸回收、工艺溶液及液体废物蒸发浓缩、废物煅烧等操作过程产生的气体，以及处理放射性物质的工艺设备的呼排气体。这些工艺废气的放射性主要来自85Kr、3H、129I、14C等气体裂变产物以及90Sr、137Cs、144Ce、106Ru等非挥发性裂变产物的气溶胶[1]。工艺废气排放是后处理厂正常运行时向环境排放放射性物质的主要渠道，后处理厂产生的工艺废气严重污染环境，必须经过净化处理，使其放射性水平达到排放标准后才能排放到大气中。目前我国后处理厂工艺排气系统最主要的问题是废气中液滴夹带量较大。另一个问题是，系统内的负压调节灵敏度略差。下面对于反映出的一些问题，分别进行分析，并提出设计改进建议。

1负压调节问题

国外后处理厂排气大致都分为DOG系统和VOG系统，而我国的后处理厂的划分更加细致和复杂，可能造成的问题是各子系统之间的互相影响更加严重，流量和负压调节难度加并通过一级空提将萃余液送入贮槽的过程。分析该工艺过程，可以发现多种排气之间存在窜气的可能性：当二级空提的溢流管不满流或一级空提停止时，空气提升排气就会与贮槽呼排相连通；当输液管不满流或二级空提停止时，空气提升排气就会与脉冲萃取柱呼排相连通。这样，贮槽呼排、空气提升排气和脉冲萃取柱的呼排都有连通的可能。空气提升排气和脉冲排气都有强烈的压力波动，可能出现瞬时正压，对集气管附近的其他排气负压造成不良影响。为避免各类排气间的互相影响，有效的做法是将各类排气进行分隔。由于后处理厂的特殊性，系统不能采用阀门控制气体流向，而多采用液封或单独收集排气等方式进行物理分隔：

1.1液封

为避免空气提升排气与贮槽呼排窜通，可将空气提升的溢流管或输液管插入贮槽液面以下进行液封。将溢流管或输液管伸入液面以下，这样，即使管内不满流或空气提升停止时，两类排气仍保持分隔。但是这样设计，有可能导致气堵，使料液输送不畅。大；同时，部分国外的后处理厂如法国的UP3厂、日本六个所厂是以设施为单位进行系统划分，而我国的后处理厂则把相同的类型的排气集中在一起进行净化处理，会加重系统的工作负担，降低调节的有效性和灵活性，也不利于风险的分散化。因此，对于具有工业规模的后处理厂，建议按照不同工序的功能来划分工艺排气系统，如剪切、溶解、共去污分离、钚纯化和铀纯化等。相对独立的工艺排气系统，有利于系统内的负压调节与控制，减轻不同工序之间的相互影响。贮槽呼排系统处理的排气种类较多，包括放射性贮槽的呼吸排气(OG3)、空气提升排气(OG2)、脉冲排气(OG2)和脉冲萃取柱、混合澄清槽的呼排(OG1)，且各种排气的排气特性不同。当后处理厂的规模庞大时，放射性贮槽数量增多，空气提升装置也广泛应用在各种倒料场所，导致排气的气量大，各排气支路错综复杂，系统负压调节难度高。针对贮槽呼排系统的这一特点，采取相应措施，提高系统负压调控能力，保障系统负压梯度，十分重要。首先，是对系统的规模大小进行合理的划分，减小贮槽呼。

1.2单独收集各类排气

各类排气有可能通过集气管窜通，或者某类排气压力波动较大时，会对集气管周围其他排气压力造成影响。为避免这种情况的出现，每类排气尤其是压力波动较大的排气，应当单独收集后送入排气系统。

1.3改进排气管接入排气干管的形式

为避免排气压力波动影响干管负压，排气管接入排气干管时应采取倒扣的形式，且长度应该足够长。这样做既有利于液滴的回流，又能进一步降低排气流速，减轻排气汇入干管时导致的压力波动。

1.4脉冲排气设置稳压罐

脉冲排气的流量和压力波动很大，除单独收集和以倒扣形式接入排气干管外，还应在脉冲排气接入排气干管前设置稳压罐作为缓冲，避免脉冲排气对贮槽呼排系统造成冲击。按照这种思路设计改进后的贮槽呼排系统，可合理划分系统规模，杜绝各类排气间的互相影响，减轻了系统的工作负荷，增强了系统的负压调控能力。上述的排气间物理分隔方式，同排系统的排气通量。以厂房或工序为单元划分贮槽呼排系统，可使子系统的排风量大大降低，减轻系统的压力损失和各类排气之间的相互影响，可提高系统负压调节的有效性和灵敏性。除此之外，在系统内部也有必要采取相应措施，避免各类排气间互相影响，以提高系统负压调控能力和运行的稳定性。排气间的相互影响主要体现在窜气或排气压力波动影响附近其他排气。如通过二级空提将供料槽内料液送入脉冲萃取柱，样适用于其他排气系统，如溶解排气与贮槽呼排的分隔等。

2液滴夹带问题

放射性气溶胶本身就是不稳定体系，它受重力、温度、电荷、浓度等因素的影响，具有凝聚成较大颗粒的倾向。在后处理工艺中由于涉及许多化学过程以及气体与溶液剧烈混合的过程，所以会产生较多液体气溶胶，液滴夹带问题突出。因此，应该主要从两方面来着手解决：一方面是从源头[收稿日期]2022-03-31来分析，减少产生的放射性液滴夹带；另一方面，是要提高工艺排气系统中净化设备的气液分离效果。

2.1减少产生的放射性液滴夹带

废气中夹带的微小液滴气溶胶主要来自于贮槽排气和空气提升排气。正常情况下，贮槽排气的气量比较稳定。空气提升排气系统是整个排气系统中流量最大的一路。空气提升排气会出现瞬时压空流量增大的情况，造成排气管道内的压力波动较大，影响整个空气提升排气系统的稳定性，可能会导致排气中液滴夹带量过大的问题。因此，为减少液滴夹带的产生，对于空气提升装置的设计，提出如下改进建议：(1)增大气液分离罐的体积，使液面以上留出足够的空间来保证气液分离的效果。目前的气液分离罐气液入口管位置距筒体顶部为100mm，建议增加液面上部空间，使气液两相分离充分。(2)气液分离罐的排气管接入排气主管时应采取倒扣的形式，且距离应足够长。倒扣距离至少应满足300mm以上，在布置空间允许的情况下，建议距离达到400mm以上。(3)在气液分离罐的顶部设置不锈钢丝网。此外，由于空气提升装置中的压空与提升液体流量呈线性关系，在操作中，对于设定的提升流量，应严格按照相应压空的设计流量进行操作，不应为减少操作时间而加大压空流量，以减少不必要的排气量和液滴夹带。

2.2提高气液分离效果

在工艺排气系统中使用的气溶胶净化设备主要有：捕集器、旋风分离器、不锈钢丝网净化器、泡罩塔、多管除尘器、核级中效过滤器以及核级高效过滤器等。放射性气溶胶多是分散的，各种净化设备对它的净化效率是其粒谱分布的函数。对于不同性质、不同粒谱分布的气溶胶，每一种净化器所表现出来的净化能力是不同的。由于工艺排气中放射性气溶胶的粒子一般较小，其粒谱分布趋于亚微粒子区。例如：裂变产物硝酸溶液压空搅拌排气中气溶胶的粒度分布图[2]，如图1所示，可以看出多数粒子分布在小粒径区，气溶胶的平均性中值空气动力学(等效)直径(AMAD)为1.85μm。因此工艺排气净化系统中的捕集器、旋风分离器、不锈钢丝网净化器，这类以惯性力或离心力为作用机理的净化设备，净化能力就低一些，一般净化系数在10以下。但是为了延长后续玻璃纤维高效过滤器的寿命，这类净化设备作为工艺排气系统中的预处理手段是十分必要的。对气溶胶净化起关键作用的是核级高效过滤器，我们使用的是滤芯为玻璃纤维的高效过滤器。玻璃纤维有较大的比表面积，除了阻挡扩散作用之外，还有一定的吸附作用，所以能有效地捕集废气中的微粒，使废气得到高效净化。其优点是对低浓度的超微米颗粒，净化效率高达99.99%；流体阻力较小；能连续使用较长时间而不需要维修；更换下来的滤芯可作固体废物处理。主要缺点是湿后阻力变大而失效。所以在工艺排气系统中，在进入高效过滤器之前，应尽量减少废气中的含水量。因此，为提高气液分离效果，对于工艺排气系统的设计，提出如下改进：2.2.1增加气体冷却器在捕集器(或净化器)之前，淋洗塔之后，设气体冷却器。降低进气温度可降低气体的饱和湿含量，使夹带的液滴在进入捕集器之前变大，沉降，有利于气液分离。气体饱和湿度随气体温度的降低而减小，且气体温度越高，冷却降低湿含量效果越明显。因此，在冷却器中，用冷却水使气体由35~40℃冷却至20℃。不同温度下饱和空气中水蒸气压力及湿含量如表1所示。此外，在最后一级高效过滤器之后，设气体冷却器。由于通过中高效过滤器的废气被加热至120℃，过滤之后的气体将被气体输送装置(压空喷射器或风机)送至烟囱排放。因此，在排放之前，需要降低气体温度，使废气中的微小液滴凝结下来、尽量降低湿含量，以减少放射性的流出。同时，由于在气体排放干管上设置剂量监测仪表来监测排放气体的放射性，温度过高会影响剂量监测仪表的有效性，所以也需要将排放气体温度降低。因此，在冷却器中，用冷却水将排放气体温度由120℃冷却至40℃。2.2.2丝网捕集器的设计改进丝网捕集器具有结构简单、重量轻、孔隙率大、压力降小、接触面积大、除沫效率高、使用寿命长等优点。丝网捕集器对雾沫的捕集效率可以达到约97%，能够有效分离3~5μm的雾滴，正常情况下压力降为200~500Pa。因此，我们在设计中，依然选用丝网捕集器作为气体净化的预处理手段，但为了提高净化效果，对丝网捕集器做出如下设计改进：(1)增加丝网厚度，以加强除雾效果。丝网厚度由100mm增加至150mm。(2)丝网形式由标准型丝网改为高效性丝网；捕集器的临界气速(即超过此气速会形成二次夹带当丝网形式改为高效型丝网后，计算出操作气速减小，丝网直径减小。(3)丝网材质选用钛材，以减少丝网腐蚀。(4)捕集器内丝网上方设置喷淋盘管，设备上端设有清洗管口。2.2.3增加气体预热器为了防止过滤器滤芯被废气中的水分打湿，导致过滤器阻力过大而失效。需要在工艺排气系统中，核级中、高效过滤器之前，设气体预热器，利用蒸汽将废气加热至120℃左右，使废气中的液滴充分气化后，再进入中、高效过滤器，以保证高效过滤器的净化效果。2.2.4气体缓冲罐的设计改进对于有明显压力波动的排气系统，如空气提升、脉冲排气，设置气体缓冲罐是十分必要的，尤尤其是在空气提升排气中，液滴夹带较明显。因此，可以在气体缓冲罐的顶部设置不锈钢丝网，这样可起到一定的净化作用，减少排气中的夹带液滴。

3其他工艺问题改进

3.1蒸发尾气净化装置的设计改进

将蒸发器尾气处理中的金属丝网净化器改为泡罩塔。由于蒸发过程中，产生的气体酸度较高，对净化器中的金属丝网腐蚀严重，因此，将金属丝网净化器改为同样具有净化效果的泡罩塔。

3.2蒸发尾气增加一级高效过滤器

为了减少排放气体中的放射性浓度，在蒸发排气系统末端再新增一级高效过滤器。使主工艺排气系统中，所有排气净化系统均通过中高效过滤器+高效过滤器的串联形式，来保证排放气体的净化效果。

3.3增加氮氧化物处理装置

在溶解、脱硝、钚纯化和钚尾端等操作中都会产生氮氧化物，虽然氮氧化物为非放废气，但依然属于对环境有影响的污染物之一。即便达到国家排放标准，还是应该本着废物最小化为减少液滴夹带的产生，对于空气提升装置的设计进行优化改进：①增大气液分离罐的体积，使液面以上留出足够的空间来保证气液分离的效果；②气液分离罐的排气管接入排气主管时应采取倒扣的形式，且距离应足够长；③在气液分离罐的顶部设置不锈钢丝网。为提高气液分离效果，可①增加气体冷却器；②进行丝网捕集器的设计改进；③增加气体预热器；④进行气体缓冲罐的设计改进。以及对于蒸发尾气系统、氮氧化物处理装置等其他设计改进。原则，考虑增加氮氧化物处理装置，减少氮氧化物的排放量。

4结论

为了满足放射性气体的净化系数要求，应对后处理厂工艺排气系统进行合理设计。主要包括：按照不同工序的功能来划分工艺排气系统，来提高负压调节的有效性和灵活性。为避免各类排气间的互相影响，将各类排气进行分隔的设计改进：①液封；②单独收集各类排气；③改进排气管接入排气干管的形式；④脉冲排气设置稳压罐。

参考文献

[1]罗上庚．放射性废物的最小化[J]．辐射防护，2000，20(5)：308-311．

[2]张吉富．核燃料后处理工艺过程中放射性气溶胶的净化[M]．北京：二机部第二研究设计院，1981．

作者：杨欣静 崔皎 单位：中国核电工程有限公司