碘吸附器用浸渍活性炭的燃烧过程分析

碘吸附器用浸渍活性炭的燃烧过程分析

陈荣添1何明圆2王洪凯3

（福建福清核电有限公司福建省福清市350318）

摘要：对环己烷气体在碘吸附器用浸渍活性炭上的动态解吸行为进行了实验研究。考察了不同的载气温度、相对湿度、流速、炭床厚度以及进气中环己烷浓度对环己烷在活性炭床上解吸行为的影响，为环己烷试验方法在碘吸附器现场泄漏率试验的研究及推广提供了一定的理论支撑。

关键词：核电站;碘吸附器;泄漏率;环己烷;解吸

1前言

核设施在运行过程中不可避免地会产生放射性气体，在众多的气体中，就毒性而言，放射性碘产生的危害性最大。因此，核设施通风系统中通常均安装有碘吸附器，用于去除释放的裂变产物放射性气态碘，从而减少放射性碘的排放，保护工作人员、公众及环境的安全;此外，大型核设施的的特殊区域也设置有碘吸附器，以保障在事故工况下给工作区域提供安全、无害的空气，以减少放射性物质对人员的辐射危害。为保证碘吸附器的有效性，在碘吸附器首次安装后需要对其进行首次验收试验，此外每年还需要定期对其有效性进行评价，以保证其功能的完整性。

2碘吸附器试验方法介绍

2.1放射性甲基碘法

放射性甲基碘方法是依据法国AFNOＲ标准而建立的碘吸附器现场试验方法，主要用于按照法国标准设计的核电站。目前，国内大部分核电厂均采用该方法进行碘吸附器效率试验，它是以放射性CH3I－131气体为示踪剂，在测定系统风量和放射性本底水平后，从足够远的上游注入口用一种便携式甲基碘发生器注入受试系统内，以保证示踪剂和空气主气流的充分混合。这种发生器在手套箱内设计了3级差压并在手套箱换气口安装了除碘器，从而严密地防止了放射性气体的外排。发生器的全部管路接头也都处在负压中。

2.2氟利昂法

氟利昂泄漏检验方法是依据美国ASME标准而建立的碘吸附器现场试验方法，主要用于按照美国标准设计的核电站，该方法是利用致冷剂Ｒ－11或Ｒ－112作示踪剂，用氟利昂气体发生器将示踪剂以脉冲注入或连续稳定注入的形式在碘吸附器上游注入氟利昂气体，然后分别在上下游能和空气混合均匀的位置用卤素气体检测仪进行取样检测，根据下游对上游的气体浓度比值按公式计算系统的机械泄漏率。

2.3环己烷法

环己烷法是利用易挥发有机物环己烷为试验介质检测碘吸附器系统机械泄漏率的方法。由于放射性甲基碘法和氟利法在对人员可居留空间(中央控制室、应急指挥中心)碘吸附器通风系统进行有效性确认时均存在一定的不足:放射性甲基碘法由于所用试验介质为放射性甲基碘气体，当碘吸附器组失效时，放射性气体可能会沿风道泄漏至工作人员居留空间而对工作人员健康和反应堆机组的安全运行产生危害;而氟利昂试验方法所用试剂Ｒ－11会对臭氧层产生破坏作用，按照国际公约，从1996年开始在全球范围内禁止使用该试剂。因此，2015年我国开发了环己烷试验方法，即采用无毒无害的环己烷试剂对碘吸附器进行有效性评价。法国在2003年开始在主控室通风系统中采用环己烷法对碘吸附器进行泄漏率检测。试验时，碘吸附器试验系统在额定风量下运行，温度和湿度均满足预设值要求，在系统注入点以脉冲形式注入一定量的环己烷气体，注入的同时，启动上、下游采样泵将气体样品收集至气体采样袋内，用PID(光离子化探测器)气相色谱仪分析上下游样品的峰面积。

3碘吸附器用浸渍活性炭的燃烧过程分析

3.1相对湿度影响

在载气温度分别为40℃和70℃时，不同的相对湿度对环己烷解吸时间和解吸量的关系曲线。其他参数条件相同时，气流相对湿度增加，环己烷在炭床上开始解吸所用的时间减少，炭床下游气体达到相同浓度值所用的时间缩短。特别是当相对湿度上升到80%时，炭床上环己烷在90min即出现明显解吸。这主要是由于:1)载气中的水汽会造成活性炭部分微孔堵塞，导致吸附表面积下降;2)水分子和环己烷在活性炭的表面存在竞争吸附，造成可用的活性位点减少。载气中水分含量越高，造成活性炭微孔堵塞和竞争吸附的程度越高，首先会影响环己烷的初始吸附，导致吸附传质区加长，新鲜区(未吸附环己烷的炭层)缩短，其次在后续载气的吹扫载带下，环己烷通过解吸－吸附－解吸，在床层移动过程中，吸附的机会和效率也会严重下降，最终表现出解吸时间短且出口浓度大的现象。

3.2温度影响

载气温度越高，穿透(下游浓度明显升高)时间越快。当载气温度为40℃时，经过520min，环己烷才能穿透50mm活性炭床;当载气温度为55℃时，环己烷穿透时间约160min;当载气温度上升至70℃时，10min就已经穿透。这主要是由于环己烷在活性炭上的吸附是放热的物理过程，因而降低温度有利于环己烷的吸附，而升高温度则有利于环己烷的脱附。所以，随着温度的升高，虽然动力学上吸附和脱附速率都会增大，但脱附速率相对于吸附速率增长较快，环己烷的脱附行为逐渐增强，而且与此同时吸附质的扩散速度也会增大。以上因素的综合作用导致了床层中吸附传质区移动加快，最终造成炭床更易穿透。

3.3床层厚度影响

当活性炭床厚度为20mm时，下游环己烷浓度在实验一开始就已达到18×10－9，说明20mm炭床在0.5m/s的载气流速下容易穿透。活性炭层吸附一般分为饱和区、吸附传质区及新鲜区，由于本实验采用脉冲注入法，所以基本上不会存在饱和区，取而代之的是吸附传质区。当炭床厚度很小时，由于吸附质与床层接触时间缩短，造成床层基本不存在新鲜区，整个床层一开始就都是吸附传质区，其宏观表现就是床层下游一开始便会穿透，且浓度较大。随着上游环己烷气体注入的结束，下游浓度迅速降低，这是活性炭床泄漏的特点，即下游浓度与上游注入浓度呈相同的变化趋势;再经过一定的时间后，下游浓度开始增大，这主要是由于吸附于活性炭床上的环己烷在载气的载带下开始解吸所致。当活性炭床厚度增加到50mm时，前500min下游环己烷浓度一直很低，经过500min后下游浓度开始逐渐增大，说明此时环己烷已穿透活性炭床。

3.4载气流速影响

气流速越大，环己烷在活性炭上的穿透时间越短，相同时间点时活性炭床下游的环己烷浓度越高。这是由于载气流速越大，载气在活性炭床内流经相同路径时环己烷与活性炭的接触时间缩短，吸附质在床层内的停留时间变短，与活性炭层接触不充分，不利于环己烷的吸附。较大的载气流速同时有利于将已被吸附的环己烷从活性炭上脱附下来，脱附的环己烷再次被炭床下游侧的活性炭吸附，然后再脱附，直至流出活性炭层。所以，环己烷在载气流速较大时，容易从活性炭上解吸，且在相同时刻，载气流速较大的炭床其下游环己烷浓度较大。

4结束语

总之，(1)环己烷气体在活性炭床上的解吸速率和解吸量随气流温度、湿度、浓度和载气流速的增大而增大，随炭床厚度的增大而减小，其中温度对解吸速率的影响最为显著。(2)通常在40℃，30%相对湿度条件下用环己烷法进行碘吸附器现场泄漏率试验时，由于环己烷在活性炭床上的解吸时间比较久，约500min左右，所以在现场试验时间(30min)内基本不会出现由于泄漏而引起的下游浓度升高与由于解吸而引起的下游浓度升高无法区分的情况，与氟利昂法相比，具有一定优越性。

参考文献；

[1]中国核工业集团公司．核空气净化系统碘吸附器净化系数的测定放射性甲基碘法:EJ1183—2005［S］．北京:核工业标准化研究所，2005．

[2]上海核工程研究设计院．核空气净化系统的现场检验:EJ791—93［S］．北京:中国核工业总公司，1993．