CN102580672B - 压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对氪、氙吸附选择性强，吸附系数高，强度高，使用寿命长的压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，其特征是活性炭强度≥98%，总孔容积＞0.4cm³/g，微孔容积占总容积比≥78%，0.6nm－1.1nm间孔径分布比例≥42%，6～12目粒度分布＞90%。由于采用上述特定指标的活性炭，经动态模拟试验，在试验气体25－40℃，压力0.02－0.1MPa，流量0.14－0.36l/min，相对湿度＜20%条件下，对Kr,Xe吸附系数分别达到39－51ml/g和492－605ml/g。在常温、常压条件下，对放射性Kr、Xe具有极高的选择性和高的吸附性，完全能满足国内AP1000技术设计规范要求(Kr25ml/g和Xe440ml/g)。并且较现有使用活性炭吸附系数分别提高35.6％-112%(Kr)和31.5％－59.3%(Xe)。

Description

压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭

技术领域

本发明涉及一种核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，尤其涉及一种对氪、氙吸附选择性强，吸附系数高，强度高，使用寿命长的压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭。

背景技术

核电站正常运行时，产生一定量的高放废气，通常流量为3-5m³/h，容控箱扫气时最大时流量可达40-50 m³/h。压水堆核电站(例如AP－1000)高放废气由氢、氮气及痕量的放射性氪(Kr)、氙(Xe)气体组成。高放射性核素存在，使得高放废气比活度达到10⁸~10⁹Bq/t。如不经处理排入大气，被人吸入就会形成内照射，严重影响核电站附近居民健康，因此必须对高放废气进行处理。压水堆核电站中已经使用和正在发展的废气处理技术主要有：加压贮存处理和常温活性炭延迟处理。活性炭延迟处理技术较加压贮存处理具有安全、节能、投资省、占地小的特点，成为高放废气处理优选方式。

现有技术虽有报导采用活性炭吸附放射性氪、氙气，但都注重工艺与装置的开发与改进，极少有涉及吸附用活性炭的研究。而延迟处理用活性炭是处理放射性氪、氙气的关键材料，其物化指标直接决定处理效果(吸附性能和使用寿命)，例如吸附选择性与孔径有关；其次，核电站设计使用寿命通常在40年，要求活性炭使用寿命也要达到40年(使用寿命内不更换)，活性炭长期处于高幅照环境中，要求物理、化学性质稳定不风化(强度影响耐辐照、抗风化性能)，这就需对活性碳强度提出要求，活性炭强度大则使用寿命长，可减少废活性炭更换排放的二次污染，然而客观上活性炭强度与吸附性能(主要为孔容积)互为制约，例如孔容积大，吸附能力强，但强度会下降，使用寿命缩短；再就是，活性炭粒度又会影响气流阻力和吸附效率，粒度小，则阻力大，粒度大，则吸附效率会降低。由于上述因素互为影响，确定活性炭合理的物化指标，是保证含核废气延迟处理系统高效吸附及长寿命的关键。

中国专利CN1210027活性炭纤维用于吸附氙气方法，在真空系统中将活性炭纤维与不同压力的氙气接触并吸附一段时间，应用于核电站及核设施裂变产物排放废气中放射性氙气的脱除。然而采用活性炭纤维作吸附剂(介质)，其强度相对较低，使用寿命短，难以满足核电站使用40年不更换的要求；其次，只报导对氙气有吸附作用，对氪气吸附能力低，难以满足压水堆核电站高放废气分离核素要求；再就是，延迟床通常为长径比大(例如25：1)的细长蛇形管，采用活性炭纤维难以在如此结构的延迟床中均匀填充，同样会影响处理效果。尤其是，其并未给出活性炭纤维具体指标要求，难以保证吸附高效和长寿命二者都最优。

上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种对氪、氙吸附选择性强，吸附系数高，强度高，使用寿命长的压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭。

本发明目的实现，主要改进是在大量试验基础上，确定压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭的主要物化指标，并作为选择活性炭的考核指标，从而克服现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，由椰壳为基材制成，其特征在于活性炭强度≥98%，总孔容积＞0.4cm³/g，微孔容积占总容积比≥78%，0.6nm－1.1nm间孔径分布比例≥42%，6～12目粒度分布＞90%。

申请人经大量试验、测试：发现总孔容积＞0.4cm³/g，特别是微孔容积占总孔容积比例≥78%，使得活性炭具有很大吸附容量；在延迟时间一定时可以相对减少延迟床的活性炭用量，从而减小延迟床的体积、占地面积，节约投资；活性炭0.6nm-1.1nm之间孔径分布比例≥42%，对氪、氙气具有很强捕捉力，产生细孔毛细凝聚效应，对kr、Xe吸附量大，特别适合低浓度kr、Xe吸附；6～12目粒度分布＞90%，较好地平衡了过滤气流阻力及满足充分吸附两者关系；活性炭强度≥98%，可以满足实际使用40年不风化要求。前述综合指标体，使活性炭使用寿命、对kr、Xe吸附选择性、吸附量三者达到最佳匹配，实现满足使用条件下达到要求的最优化。

本发明中。

活性炭微孔，按IUPAC［国际理论（化学）与应用化学联合会］分类，微孔径半径r＜1.0nm为微孔，r在1~25nm为中孔，r＞25nm为大孔。

此外，活性碳比表面积较好＞800 m²/g，试验表明比表面积与孔容积呈正相关，比表面积大，则吸附容量大。

本发明仅是在大量试验基础上，对压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，提出最佳主要指标体系，作为选择活性炭考核指标，活性炭的制备属于现有技术，在此就不详细说明。

本发明压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，相对于现有技术，由于采用上述特定指标的活性炭，特别是椰壳制成活性炭，具有更小的孔径半径，经动态模拟试验，在试验气体25－40℃，压力0.02－0.1MPa，流量0.14－0.36l/min，相对湿度＜20%条件下，对Kr, Xe吸附系数分别达到39－51 ml/g和492－605 ml/g(表2、表3）。在常温、常压条件下，对放射性Kr、Xe具有极高的选择性和高的吸附性，完全能满足国内AP1000技术设计规范要求(Kr25ml/g和Xe440ml/g)。并且较现有使用活性炭吸附系数分别提高35.6％-112%(Kr)和31.5％－59.3%(Xe) (表4）。

以下结合二个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

具体实施方式

实施例1：采用延迟床(Φ77×440mm)，试验活性炭指标见表1，活性炭装填量600g，分别对Kr、Xe（Kr/N2、Xe/ N2标气浓度为50ppm和100ppm）进行吸附性能模拟试验。试验工况条件：Kr和Xe的温度分别为39℃和40℃、压力均为0.02Mpa、流量分别为0.356 l/min和0.368 l/min、相对湿度均为＜20%，分别连续运行66分和958分后，从气相色谱仪检得Kr、Xe波形，计得对Kr、Xe吸附系数分别达到39.2ml/g和525.8ml/g(表2、表3方案三)。

实施例2：采用上述延迟床，装填表1活性炭600g，分别对Kr、Xe（Kr/N2、Xe/ N2标气浓度为50ppm和100ppm）进行吸附性能试验。试验工况条件：Kr和Xe的温度均为25℃，压力均为0.02Mpa，流量分别为0.358 l/min和0.362 l/min，相对湿度均为＜20%，分别连续运行81分和979分后，从气相色谱仪检得Kr、Xe波形，计得对Kr、 Xe吸附系数分别达到48.3ml/g和590.7ml/g(表2、表3方案四)。

实施例3：采用延迟床(Φ77×440mm)，试验活性炭指标见表1，活性炭装填量600g，分别对Kr、Xe（Kr/N2、Xe/ N2标气浓度为50ppm和100ppm）在不同压力，不同流量，不同温度，和RH＜20%条件下进行试验。结果分别见表2和表3。试验结果表明：本发明指标活性炭对Kr吸附，流速与吸附系数呈弱负相关，温度与吸附系数呈负相关，压力与吸附系数呈正相关，活性炭经辐照后不改变吸附性能(表2，方案五与方案六对照，方案六为辐照活性炭)。对Xe吸附，流速与吸附系数呈弱正相关，温度与吸附系数呈负相关，压力与吸附系数呈正相关。但两者变化斜率均较小，因此在实际应用可以选择合适参数，使对Kr、Xe吸附都达到最佳。

比较例：选择2种市购活性炭与本发明指标活性炭(表1)作对比试验。其中1#为市购国产活性炭，2#为市购美国某公司活性炭，3#为本发明指标活性炭表1，所有活性炭基材均为椰壳，试验条件：Kr、Xe浓度均为50ppm，流量0.36l/min，压力0.02Mpa ，温度40℃，RH≤25%，试验结果见表4。结果显示：本发明指标活性炭对Kr、Xe吸附系数较相对较好的1#活性炭分别提高35.6％和31.5％。

Claims (1)

1.压水堆核电站高放废气常温延迟处理用活性炭，由椰壳为基材，其特征在于活性炭强度≥98%，总孔容积>0.4㎝³/g，微孔容积占总容积比≥78%，0.6nm-1.1nm间孔径分布比例≥42%，6～12目粒度分布>90%，活性炭比表面积>800m²/g；经动态模拟试验，在试验气体25-40℃，压力0.02-0.1MPa，流量0.14-0.36l/min，相对湿度<20%条件下，对Kr、Xe吸附系数分别达到39-51ml/g和492-605ml/g。