一種多炭床的活性碳碘吸附器吸附性能試驗研究

一種多炭床的活性碳碘吸附器吸附性能試驗研究

0碘吸附器的可擴(kuò)充性通過監(jiān)測核電站中的核污染系統(tǒng)，我們可以保護(hù)公眾和電站經(jīng)營者免受污染氣體中含污染顆粒和有害氣體的影響。放射性碘是核電站中主要的氣體放射源之一。在核電站的通風(fēng)系統(tǒng)和空氣凈化系統(tǒng)中,一般采用活性炭碘吸附器去除空氣中的放射性碘蒸汽?，F(xiàn)有的活性炭碘吸附器主要有三種型式:I型(折疊式)、II型(抽屜式)和III型(深床式)。目前,我國已經(jīng)全面引進(jìn)美國第三代先進(jìn)核電站技術(shù),相對于其他核電技術(shù)而言,其特點之一為核空氣凈化系統(tǒng)采用III型吸附器,取代了傳統(tǒng)的I型、II型活性炭碘吸附器。優(yōu)點為在吸附器使用壽期內(nèi),無需移動,就可以實現(xiàn)活性炭的就地更換,節(jié)省運行和維護(hù)費用并且避免了工作人員與活性炭的直接接觸,大大減少了放射性物質(zhì)對工作人員的危害。因此,研究、開發(fā)III型吸附器并對其吸附性能進(jìn)行試驗研究,對發(fā)展我國核電工業(yè)設(shè)備國產(chǎn)化具有重要現(xiàn)實意義。1iii型活性碳碘吸附器III型吸附器是由多個活性炭(吸附劑)床組成?；钚蕴看灿纱┛拙W(wǎng)板和結(jié)構(gòu)件焊接組裝而成。含有放射性碘蒸汽的空氣從吸附劑床的迎風(fēng)面進(jìn)入,穿過填充的活性炭吸附劑,再從出風(fēng)面流出。在此過程中,空氣中的放射性碘因與炭床中的活性炭充分接觸而被吸附,從而保證排出的空氣符合人體健康的要求。III型吸附器工作原理如圖1所示。本試驗中采用的III型活性碳碘吸附器炭床厚度為新一代核電站使用的4英寸厚炭床。根據(jù)其工作原理可以看出,如何保證多炭床的III型吸附器能夠均勻去除氣流中的放射性氣體,是驗證其是否合格的有效方法。2試驗設(shè)計鑒于以上分析,本課題設(shè)計一種可以檢測III型吸附器能夠均勻去除污染物的試驗臺架對其吸附性能進(jìn)行檢測。2.1活性炭吸附特性的驗證活性炭是具有吸附性能的多孔型碳基物質(zhì)的總稱,其吸附能力主要來源于活性炭具有極大的內(nèi)表面積和空隙率?；钚蕴勘砻娴姆肿恿μ幱诓黄胶饣虿伙柡蜖顟B(tài),則把與其接觸的氣體吸附到孔內(nèi)表面上,這種在活性炭孔內(nèi)表面的物質(zhì)濃縮現(xiàn)象,稱為吸附。正因為活性炭的自身特性,其具有吸附多種不同污染物的能力,對于不同的污染物,其滯留程度也不同。但研究表明,因為活性炭吸附原理的一致性,對于一個固定深度的活性炭炭床,經(jīng)過一段穩(wěn)定運行時間后,不同吸附質(zhì)在活性炭炭床內(nèi)的分布會遵循相同的模式。因此,選擇一種適用于安全操作且在相對較短的時間內(nèi)可以驗證其吸附特性的吸附質(zhì)是確保試驗可行的前提條件之一。根據(jù)國際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)ASMEAG-1的驗證,濕空氣是一種易于控制、對試驗人員身體無害,且易于被活性炭吸附的氣體,在相對較短時間內(nèi)即可達(dá)到一定的濃度的吸附質(zhì),因此,選用濕空氣進(jìn)行活性炭炭床吸附能力驗證的試驗氣體是可行的。當(dāng)吸附質(zhì)流經(jīng)吸附床直至其穿透(即吸附床下游氣體中檢測出吸附質(zhì))前,證明吸附床依然是不飽和的。在不飽和狀態(tài)下,通過檢測吸附床中不同區(qū)域吸附劑中吸附質(zhì)的含量,即可分析在同等時間內(nèi)吸附床對吸附質(zhì)的吸附是否均勻。因此,試驗的設(shè)計必須保證吸附床處于未飽和狀態(tài)。基于此,本試驗采用濕空氣進(jìn)行試驗,利用活性炭對水蒸汽的吸附特性進(jìn)行驗證。相關(guān)研究表明,相對濕度70%的空氣流經(jīng)活性炭吸附床,當(dāng)其出口空氣的相對濕度為50%時,進(jìn)風(fēng)面處約2英寸厚的活性炭達(dá)到飽和。對于本試驗而言,III型吸附器的炭床厚度為4英寸,因此,炭床出風(fēng)面2英寸的范圍為未飽和區(qū)域。此范圍內(nèi)活性炭即可代表其對水蒸汽的吸附特性。2.2溫度、濕度控制試驗根據(jù)以上理論依據(jù),設(shè)計開發(fā)了進(jìn)行吸附性能試驗研究的凈化機(jī)組樣機(jī)臺架。為模擬III型吸附器的實際工況,試驗機(jī)組采用標(biāo)準(zhǔn)的核用凈化機(jī)組,主要部件包括前置預(yù)過濾段、HEPA過濾段、III型吸附器、后置高效過濾段和變頻風(fēng)機(jī)。采用變頻風(fēng)機(jī)的目的為控制試驗過程中的氣流恒定,保證活性炭炭床氣流的穩(wěn)定性。為了保證此試驗臺架不受天氣狀況的影響,在進(jìn)出口處設(shè)置加濕量可調(diào)的蒸汽加濕器和加熱量可調(diào)的電加熱器,以控制進(jìn)口空氣相對濕度可以穩(wěn)定在70%。樣機(jī)臺架設(shè)計過程中,考慮到試驗初始階段,為達(dá)到額定風(fēng)量下相對濕度為70%,需要一定的穩(wěn)定參數(shù)過程,為此本臺架增設(shè)了旁通管,用于初始階段調(diào)節(jié)使用。數(shù)據(jù)采集方面,本臺架設(shè)置了中央數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對試驗過程中的溫度、濕度進(jìn)行逐時記錄,保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性和可追溯性。當(dāng)炭床下游的氣流相對濕度達(dá)到50%后,對每個炭床出風(fēng)側(cè)的活性炭進(jìn)行取樣,分析其所吸附的水蒸汽含量,進(jìn)而判斷活性炭床是否能夠均勻吸附吸附質(zhì)。2.3活性炭含濕量的確定試驗前,對試驗臺架的設(shè)備、儀表進(jìn)行調(diào)試,保證設(shè)備正常運行,儀表正確顯示所測量參數(shù)。試驗開始后,首先利用旁通管調(diào)節(jié)入口空氣的相對濕度達(dá)到70%±5%,然后切換氣流,使其通過被測機(jī)組。過程中,對吸附器下游的相對氣流進(jìn)行實時監(jiān)控,直至達(dá)到50%。然后,對每個炭床內(nèi)的活性炭進(jìn)行取樣?；钚蕴康娜颖ＷC其水平方向和垂直方向足以代表整個III型吸附器的特性。針對被測吸附器,從俯視圖上看,共選取24個取樣點;然后,每個取樣點分別取上部空間、中部空間、下部空間3個樣品,即共抽取72個樣品。檢測每個樣品的含濕量,以比較炭床的吸附均勻性。取樣點的分布見圖3、圖4所示。對于所選取的72份樣品,采用烘箱法確定活性炭的含濕量。記錄每份樣品的總重量和絕對含濕量。3最大含濕量分布根據(jù)所記錄的每份樣品總質(zhì)量和絕對含濕量,計算出每份樣品的相對含濕量。樣品相對含濕量的平均值以及每份樣品相對含濕量的偏差,具體公式如下:每份樣品的相對含濕量:樣品相對含濕量平均值:每份樣品相對含濕量的偏差:式中:為每份樣品的相對含濕量;di為每份樣品中的絕對含濕量,g;di0為每份樣品的總質(zhì)量,g;為樣品相對含濕量的平均值;n為樣品份數(shù);為每份樣品相對含濕量的偏差。為直觀表示含濕量的分布,分別沿垂直氣流方向取3個斷面(斷面1~3)和沿平行氣流方向取3個斷面(斷面a~c),對其含濕量進(jìn)行比較。其結(jié)果如圖5~圖7所示。從圖5~圖7中可看出,3個垂直氣流斷面上,其上、中、下截面上的含濕量分布相對均勻,圍繞平均相對含濕量上下波動,其含濕量在20%~28%之間。相對于含濕量的平均值,其偏差在±5%之內(nèi)。從圖8可以看出,平行氣流的3個典型斷面上,其含濕量也圍繞平均含濕量呈現(xiàn)均布態(tài)勢,相對于含濕量的平均值,其偏差也在±3%之內(nèi)。在國際核電行業(yè)內(nèi),根據(jù)吸附器的功能要求,其可接受的偏差范圍為±20%。本試驗課題中,所測結(jié)果顯示,偏差均在±5%的范圍內(nèi),證明研制的III型吸附器吸附性能完全滿足要求,可在實際工程中推廣使用。4iii型吸附器的吸附能力(1)相對濕度70%的空氣流經(jīng)活性炭吸附床,當(dāng)其出口空氣的相對濕度達(dá)50%時,對吸附器下游2英寸內(nèi)的活性炭取樣,檢測其吸附能力,是有效的。(2)為驗證III型吸附器吸附性能而搭建