CN109521053B - 研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法，所述装置包括：燃烧室、位于燃烧室内侧底部的称重模块、位于燃烧室外侧底部的自动阀门、恒流泵、过滤器和测试模块；烟气管道依次连接起恒流泵、过滤器及燃烧室出气口；测试模块包括温度和压力模块以及烟气分析模块。本发明提供的装置和方法能通过实验获取二次爆燃的相关基础参数，并用于后处理厂的安全设计和后处理火灾事故的预防措施制定。

Description

研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法
技术领域
本发明属于核技术领域，具体涉及研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法。
背景技术
乏燃料后处理厂是实现核燃料的回收利用，并有利于核废物的妥善处置的处理厂，是实现核燃料闭式循环的一个重要环节。普雷克斯流程(Purex)是用磷酸三丁酯(TBP)萃取法从辐照核燃料中回收铀、钚的一种化工过程，是现今最有效、最成功的后处理流程。
脉冲柱在后处理厂又称萃取柱，能够将乏燃料溶解液中铀和钚，通过萃取的方式分离出来，是后处理Purex流程中极为重要的环节。脉冲柱内的溶液由煤油-磷酸三丁酯混合溶剂(Org)和硝酸/硝酸盐溶液(Acq)组成。假设脉冲柱出现破口，内部溶液全部泄漏，遇到火源或者达到一定温度便能引燃。其能直接或间接地影响与安全相关的建(构)筑物、系统和部件的起火。
由于空间狭小，缺乏氧气，泄露的溶剂不能够全部燃烧，火灾很快熄灭，但火灾产生的热量在持续加热蒸发这些泄露的溶剂，而周围新鲜空气又不断引入，与厂房内的可燃蒸汽形成了易燃的混合蒸汽，一旦遇到火源将发生二次燃爆的火灾事故。
二次燃爆将产生较大的压强，可能导致烟气管道、过滤器等部件损坏，同时燃爆产生的烟气温度和浓度也有所不同，其对过滤器的过滤效率造成了一定的影响。
因此，有必要发明了研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置和方法，能通过实验获取二次爆燃的相关基础参数，并用于后处理厂的安全设计和后处理火灾事故的预防措施制定。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置，所述装置包括：燃烧室、位于燃烧室内侧底部的称重模块、位于燃烧室外侧底部的自动阀门、恒流泵、过滤器和测试模块；烟气管道依次连接起恒流泵、过滤器及燃烧室出气口；测试模块包括温度和压力模块以及烟气分析模块。
进一步的，所述称重模块包括由上到下依次叠放的点火器、燃烧池、隔热层、压力传感器和压力数据采集器。
进一步的，温度和压力模块包括热电偶、压力计和温度和压力数据采集器，所述热电偶设置于所述过滤器进气口，所述压力计设置于所述过滤器两端，所述热电偶和压力计都和压力数据采集器连接。
进一步的，所述烟气分析模块包括烟气探针和在线烟气分析仪，所述烟气探针设置于所述过滤器两端，且都和在线烟气分析仪相连接。
进一步的，所述装置中燃烧池可更换，且各燃烧池燃烧面积不同。
进一步的，所述装置还包括手动阀门，所述手动阀门设置于自动阀门远离燃烧室的一侧。
本发明采用的另一种技术方案是：研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验方法，所述方法包括以下步骤：
(1)取预设体积的预设溶液加入燃烧池；
(2)点燃预设溶液，开启压力数据采集器、温度和压力数据采集器以及在线烟气分析仪，启动恒流泵至预设流速；
(3)当燃烧池内预设溶液发生沸腾时关闭恒流泵；
(4)火焰熄灭预设时间后重启恒流泵，调节至预设流速，点火器再次点燃预设溶液，观察是否发生二次爆燃现象；
(5)记录实验数据。
进一步的，所述预设溶液为有机溶剂与无机溶液按不同配比混合而成；
所述有机溶剂包括煤油和磷酸三丁酯；
所述无机溶液包括硝酸溶液和硝酸盐溶液。
进一步的，步骤(4)中所述二次爆燃现象具体包括：燃烧室内压力、温度增速超过预设值。。
进一步的，所述方法的实验变量包括：燃烧池尺寸、预设溶液和预设时间。
本发明的效果在于，采用本发明所述的装置和方法，能通过模拟实验获取二次爆燃的相关基础参数，并用于后处理厂的安全设计和后处理火灾事故的预防措施制定。
附图说明
图1是本发明所述装置一实施例的结构示意图；
图2是本发明所述方法一实施例的技术路线图；
图3是本发明所述方法一实施例的流程示意图。
图中：1-在线烟气分析仪；2-恒流泵；3-过滤器；4-热电偶；5-压力计；6-手动阀门；7-自动阀门；8-烟气管道；9-温度和压力数据采集器；10-燃烧室；11-点火器；12-燃烧池；13-隔热层；14-压力传感器；15-压力数据采集器；16-烟气探针。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参阅图1所示，图1是本发明所述装置一实施例的结构示意图。所述装置包括燃烧室10、位于燃烧室10内侧底部的称重模块、位于燃烧室10外侧底部的自动阀门7、恒流泵2、过滤器3和测试模块。
在一个具体的实施例中，燃烧室10外壁为子弹头形，出气口设置于顶部。在其他实施例中，燃烧室10外壁还可以为其他对称的外形，在此不做限定。
烟气管道8依次连接起恒流泵2、过滤器3及燃烧室10出气口。恒流泵2用于带动燃烧室10内的烟气，进入烟气管道8，从而控制烟气的气体流动速率。
所述称重模块位于燃烧室10内侧底部，包括由上到下依次叠放的点火器11、燃烧池12、隔热层13、压力传感器14和压力数据采集器15。燃烧池12用于存放有机溶剂与无机溶液按不同配比成的混合液。所述有机溶剂包括煤油和磷酸三丁酯，所述无机溶液包括硝酸溶液和硝酸盐溶液。
点火器11用于点燃燃烧池12内的有机溶液。通过压力传感器14可以测量燃烧池12的质量变化从而分析燃烧速率。隔热层13用于隔绝燃烧池12和压力传感器14，避免高温对压力传感器14有影响，压力数据采集器15用于实时记录燃烧池12的质量变化。
位于燃烧室10外侧底部的自动阀门7为带有压力指示型的自动阀门。当燃烧室10内的压力达到预定限值，自动阀门7能自动关闭阀门。
测试模块包括温度和压力模块以及烟气分析模块。
所述温度和压力模块包括热电偶4、压力计5和温度和压力数据采集器9，所述热电偶4设置于所述过滤器3进气口，所述压力计5设置于所述过滤器3两端，所述热电偶4和压力计5都和压力数据采集器9连接。
具体的，热电偶4实时测量烟气温度，压力计5实时测量过滤器3前后的压力，温度和压力数据采集器9记录所测得的数据。当燃烧室10内的压力达到预定限值，自动阀门7能自动关闭阀门。
所述烟气分析模块包括烟气探针16和在线烟气分析仪1，所述烟气探针16设置于所述过滤器3两端，且都和在线烟气分析仪1相连接。
优选的，本实验包括两个烟气探针16。两个烟气探针16分别以一定的取样速率对过滤器3前后的烟气进行采样稀释，再通过在线烟气分析仪1持续分析烟气浓度。在线烟气分析仪1包括颗粒物、挥发性有机物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳等监测单元，可以实时监测烟气各个组分的浓度。
所述装置中燃烧池12可更换，且各燃烧池12燃烧面积不同。燃烧池12为向上开口的容器，其燃烧面积为开口面积。
所述装置还包括手动阀门6，所述手动阀门6设置于自动阀门7远离燃烧室10的一侧。
所述装置实验流程为：在燃烧池12内加入预设溶液，点火器11点燃预设溶液，控制恒流泵2以预设流速抽压，空气流入燃烧室10，同时带动燃烧室10内的烟气，进入烟气管道8，最后经过滤器3过滤排出。当预设溶液燃烧至沸腾时，关闭恒流泵2。直至火焰熄灭预设时间，重启恒流泵2至预设流速，点火器11再次打火，观察是否出现二次燃爆现象。若出现二次燃爆，则燃烧室温度和压力迅速上升，自动阀门7自动关闭。实验过程中，压力数据采集器15实时记录着燃烧池12的质量变化，直至实验结束；温度和压力数据采集器9实时记录烟气的温度和过滤器3前后的压力，直至实验结束；在线烟气分析仪1实时监控过滤器3前后烟气的各个组分的浓度变化，直至实验结束。
区别于现有技术，本发明提供的研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置，该装置设计紧凑，能通过模拟实验获取二次爆燃的相关基础参数，并用于后处理厂的安全设计和后处理火灾事故的预防措施制定。
参阅图2-3，图2是本发明所述方法一实施例的技术路线图，图3是本发明所述方法一实施例的流程示意图。所述方法包括以下步骤：
步骤101：取预设体积的预设溶液加入燃烧池。
在试验开始前还包括检查相关仪器设备，查看是否正常。
取预设体积的预设溶液加入燃烧池。预设溶液为有机溶剂与无机溶液按不同配比混合而成，所述有机溶剂包括煤油和磷酸三丁酯，所述无机溶液包括硝酸溶液和硝酸盐溶液。
步骤102：点燃预设溶液，开启压力数据采集器、温度和压力数据采集器以及在线烟气分析仪，启动恒流泵至预设流速。
点燃预设溶液后，启动恒流泵至预设流速，恒流泵以预设流速抽压，让空气流入燃烧室，同时带动燃烧室内的烟气进入烟气管道。同时压力数据采集器、温度和压力数据采集器以及在线烟气分析仪都开始运行。
步骤103：当燃烧池内预设溶液发生沸腾时关闭恒流泵。
判断燃烧池内预设溶液是否发生沸腾，若发生沸腾，则关闭恒流泵，以模拟后处理有机相着火事故二次燃爆前的状态。
若预设溶液没有发生沸腾，则本次实验失败，更换实验变量后重复以上步骤。
步骤104：火焰熄灭预设时间后重启恒流泵，调节至预设流速，点火器再次点燃预设溶液，观察是否发生二次爆燃现象。
火焰自动熄灭后，静置一段时间(蒸发时间)，之后开启恒流泵，调节至某个流速，点火器再次点燃预设溶液，观察是否发生二次爆燃现象。
所述二次爆燃现象具体包括：燃烧室内压力、温度增速超过预设值。
步骤105：记录测试数据。
实验过程中测试数据包括压力数据采集器、温度和压力数据采集器以及在线烟气分析仪自动记录的测试数据，以及是否发生二次燃爆。具体的的物理参数：管道内的烟气温度、过滤器前后的压力、燃烧池的质量变化率、过滤器前后烟气各组分的浓度。
实验完毕后，清洗设备，对数据进行整理、分析，并总结成实验报告。
本发明提供的方法其实验变量包括：燃烧池尺寸、预设溶液(Org/Acq)和预设时间(蒸发时间)。每次实验时，可通过改变至少一个实验变量来研究后处理有机相着火事故二次爆燃的形成条件。
具体的，燃烧池尺寸即采用不同燃烧面积的燃烧池进行实验测试；预设时间即火焰熄灭后至再次点燃的时间；预设溶液即有机相溶液由有机溶剂层和无机液相层组成。在一个具体的实施例中，有机溶剂层由30％体积的TBP和70％的煤油构成，无机液相层硝酸浓度为0.1mol/L～5mol/L，有机溶剂层/无机液相比例为1:1或1:2或2:1。
测试参数中燃烧池的质量变化，可以模拟有机相着熄灭后剩余溶液的蒸发速率；爆燃产生的能量使烟气的温度剧增，烟气温度的测定可用于评估后处理通风系统在二次燃爆中的耐热性能；过滤器前后压力的测试可得出二次爆燃前后的压力变化，可对后处理通风系统在二次爆燃中的抗压性能进行评估；通过测试烟气各组分浓度，可模拟二次燃爆中后处理厂通风系统过滤器的过滤性能。
故，采用本发明提供的方法，通过改变实验变量具体可以分析内容如下：(1)探索后处理有机相着火发生二次爆燃的形成条件，(2)二次爆燃产生的高压对后处理厂通风系统抗压性能的影响，(3)二次爆燃产生的高温对后处理厂通风系统耐热性能的影响，(4)后处理厂通风系统过滤器对二次爆燃产生烟气的过滤效率研究。
区别于现有技术，本发明提供的研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验方法，能通过实验获取二次爆燃的相关基础参数，并用于后处理厂的安全设计和后处理火灾事故的预防措施制定。
本领域技术人员应该明白，本发明所述的装置和方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置，其特征在于，所述装置包括：燃烧室、位于燃烧室内侧底部的称重模块、位于燃烧室外侧底部的自动阀门、恒流泵、过滤器和测试模块；
烟气管道依次连接起恒流泵、过滤器及燃烧室出气口；
测试模块包括温度和压力模块以及烟气分析模块，所述温度和压力模块包括热电偶、压力计和温度和压力数据采集器，所述热电偶设置于所述过滤器进气口，所述压力计设置于所述过滤器两端，所述热电偶和压力计都与温度和压力数据采集器连接；
所述烟气分析模块包括烟气探针和在线烟气分析仪，所述烟气探针设置于所述过滤器两端，且都和在线烟气分析仪相连接；
所述称重模块包括燃烧池和压力数据采集器，所述燃烧池可更换，且各燃烧池的燃烧面积不同；
所述燃烧池内盛放预设溶液，所述预设溶液为有机溶剂与无机溶液按不同配比混合而成，所述有机溶剂包括煤油和磷酸三丁酯，所述无机溶液包括硝酸溶液和硝酸盐溶液；
所述恒流泵用于当预设溶液燃烧至沸腾时关闭，火焰熄灭预设时间后重启并调节至预设流速。
2.根据权利要求1所述研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置，其特征在于，
所述称重模块包括由上到下依次叠放的点火器、燃烧池、隔热层、压力传感器和压力数据采集器。
3.根据权利要求1所述研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置，其特征在于，
所述装置还包括手动阀门，所述手动阀门设置于自动阀门远离燃烧室的一侧。
4.采用权利要求1-3任一项所述研究后处理有机相着火事故二次爆燃的实验装置的实验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)取预设体积的预设溶液加入燃烧池；
(2)点燃预设溶液，开启压力数据采集器、温度和压力数据采集器以及在线烟气分析仪，启动恒流泵至预设流速；
(3)当燃烧池内预设溶液发生沸腾时关闭恒流泵；
(4)火焰熄灭预设时间后重启恒流泵，调节至预设流速，点火器再次点燃预设溶液，观察是否发生二次爆燃现象；
(5)记录实验数据。
5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，步骤(4)中所述二次爆燃现象具体包括：燃烧室内压力、温度增速超过预设值。
6.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，所述方法的实验变量包括：燃烧池尺寸、预设溶液和预设时间。
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