CN117524530A - 一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，包括：依次连通的缓冲罐、暂存转化罐、喷淋碱洗塔、热管式冷凝器、气水分离器、干燥床及活性炭滞留床，上游废气连通所述缓冲罐；其中，所述暂存转化罐用于暂存所述缓冲罐内的废气，所述喷淋碱洗塔用于废气中氮氧化物的中和吸收，所述热管式冷凝器用于将气流温度降低，所述气水分离器用于进行初步除湿，所述干燥床用于进行深度除湿，所述活性炭滞留床用于进行吸附滞留，本发明还包括一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理方法。
Description
技术领域
本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置及方法。
背景技术
在核电厂、乏燃料后处理厂、同位素生产装置等核设施运行过程中，会产生放射性惰性气体，放射性惰性气体化学性质稳定且会对人体产生内照射与外照射，从保障核设施安全、保护环境与公众的安全和满足法规要求的角度出发，核设施必须对产生的放射性惰性气体进行处理。
目前核设施多采用压缩贮存或活性炭吸附的技术延缓放射性惰性气体核素排放的时间，通过核素衰变降低工艺废气的放射性水平。部分核设施的工艺废气排放为间歇性，短时排气速率较大，单独采用压缩贮存或活性炭吸附工艺的设备体积较大，并且当废气中存在不稳定的氮氧化物成分时，会造成设备腐蚀、影响吸附性能等问题。
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一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置及方法，可适用于间歇性大流量放射性废气的净化。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，包括：依次连通的缓冲罐、暂存转化罐、喷淋碱洗塔、热管式冷凝器、气水分离器、干燥床及活性炭滞留床，上游废气连通所述缓冲罐；其中，所述缓冲罐用于缓冲大流量的上游废气，所述暂存转化罐用于存储所述缓冲罐内的废气，所述喷淋碱洗塔用于废气中氮氧化物的中和吸收，所述热管式冷凝器用于将气流温度降低至15℃以下，所述气水分离器用于进行废气的初步除湿，所述干燥床用于进行深度除湿，将废气相对湿度控制在10％以下，所述活性炭滞留床用于进行吸附滞留，使废气中的放射性惰性气体核素衰变，使废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平。
进一步，所述缓冲罐与所述暂存转化罐之间设置有气体压缩机，以将所述缓冲罐内的废气压缩至所述暂存转化罐内。
进一步，所述缓冲罐与所述气体压缩机之间设置有缓冲电动阀。
进一步，所述间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括气体电加热器，所述气体电加热器分别连通所述干燥床及压缩供气供应系统，以将压缩供气供应系统中提供的空气经加热后输送至所述干燥床内，实现所述干燥床的重复使用。
进一步，所述间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括碱液循环泵，所述碱液循环泵分别连通碱液供应系统及所述喷淋碱洗塔，实现碱液的加注。
进一步，所述碱液循环泵与碱液供应系统之间设置有碱液供应电动阀。
进一步，所述暂存转化罐的数量为两个，两个所述暂存转化罐并联设置，且分别与所述缓冲罐及所述喷淋碱洗塔连通。
进一步，两个所述暂存转化罐与所述缓冲罐之间分别设置有第一暂存电动阀及第二暂存电动阀，两个所述暂存转化罐与所述喷淋碱洗塔之间分别设置有第三暂存电动阀及第四暂存电动阀。
进一步，所述活性炭滞留床的数量为两个，两个所述活性炭滞留床分别与所述干燥床及下游排放系统连通。
进一步，所述干燥床与两个所述活性炭滞留床及下游排放系统之间分别设置有第一滞留电动阀、第二滞留电动阀、第三滞留电动阀、第四滞留电动阀、第五滞留电动阀及第六滞留电动阀，通过多个滞留电动阀的开启或关闭，可实现两个所述活性炭滞留床串联或并联运行，其中，所述第一滞留电动阀、所述第二滞留电动阀、所述第四滞留电动阀、所述第五滞留电动阀及所述第六滞留电动阀开启，所述第三滞留电动阀关闭时，两个所述活性炭滞留床串联运行；所述第一滞留电动阀开启，所述第五滞留电动阀关闭，所述第二滞留电动阀、所述第四滞留电动阀开启或所述第三滞留电动阀、所述第六滞留电动阀开启时，两个所述活性炭滞留床并联运行。
进一步，所述干燥床上还设置有干燥排气电动阀。
进一步，所述气体加热器与压缩空气供应系统及所述干燥床之间的连通管路上分别设置有第一加热电动阀及第二加热电动阀。
进一步，所述气水分离器与所述干燥床之间设置有分离电动阀。
本发明还提供一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理方法，包括步骤：将上游废气通过缓冲罐输送至暂存转化罐内，并在暂存转化罐内存放1至2天后，以较小排量排放至下游；将暂存转化管内排放的废气经过喷淋碱洗塔进行氮氧化物的中和吸收；将经过碱洗后的气体输入至热管式冷凝器中，将气流温度降低至15℃以下，并经气水分离器进行初步除湿，再进入干燥床中进行深度除湿；将经过干燥后的气流送入活性炭滞留床中进行吸附滞留，使其中的放射性惰性气体核素衰变，最终将废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平。
本发明的效果在于：采用模块化设计，通过气体暂存与活性炭滞留，实现废气中极短寿命核素暂存衰变、不稳定物质的高效转化去除及短寿命核素的滞留衰变，降低核设施的放射性物质排放，环境友好性高。
附图说明
图1是一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置流程示意图；
附图标记说明：
1、上游废气；2、缓冲罐；3、气体压缩机；4、暂存转化罐；5、喷淋碱洗塔；6、热管式冷凝器；7、气水分离器；8、干燥床；9、活性炭滞留床；10、气体电加热器；11、缓冲电动阀；12、碱液循环泵；13、压缩空气供应系统；14、碱液供应系统；15、下游排放系统；16、第一暂存电动阀；17、第二暂存电动阀；18、第三暂存电动阀；19、第四暂存电动阀；20、碱液供应电动阀；21、第一滞留电动阀；22、第二滞留电动阀；23、第三滞留电动阀；24、第四滞留电动阀；25、第五滞留电动阀；26、第六滞留电动阀；27、干燥排气电动阀；28、第一加热电动阀；29、第二加热电动阀；30、分离电动阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提出了一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，用于对上游废气1进行处理，其包括：依次连通的缓冲罐2、暂存转化罐4、喷淋碱洗塔5、热管式冷凝器6、气水分离器7、干燥床8及活性炭滞留床9，上游废气1连通缓冲罐2；
其中，缓冲罐2用于缓冲大流量的上游废气1，暂存转化罐4用于存储缓冲罐2内的废气，喷淋碱洗塔5用于废气中氮氧化物的中和吸收，热管式冷凝器6用于将气流温度降低至15℃以下，气水分离器7用于进行废气的初步除湿，干燥床8用于进行深度除湿，从而将废气相对湿度控制在10％以下，活性炭滞留床9用于进行吸附滞留，使废气中的放射性惰性气体核素衰变，最终将废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平。
可以理解，上游废气1、缓冲罐2、暂存转化罐4、喷淋碱洗塔5、热管式冷凝器6、气水分离器7、干燥床8及活性炭滞留床9之间通过管路连通。
进一步地，缓冲罐2与暂存转化罐4之间设置有气体压缩机3，以将缓冲罐2内的废气压缩至暂存转化罐4内。
进一步地，缓冲罐2与气体压缩机3之间设置有缓冲电动阀11。
进一步地，间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括气体电加热器10，气体电加热器10分别连通干燥床8及压缩供气供应系统13，以将压缩供气供应系统中提供的空气经加热后输送至干燥床8内，实现干燥床8的再生与重复使用。
进一步地，间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括碱液循环泵12，碱液循环泵12分别连通碱液供应系统14及喷淋碱洗塔5，实现碱液的加注。
进一步地，碱液循环泵12与碱液供应系统14之间设置有碱液供应电动阀20。
进一步地，暂存转化罐4的数量为两个，两个暂存转化罐4并联设置，皆分别与缓冲罐2及喷淋碱洗塔5连通。
进一步地，两个暂存转化罐4与缓冲罐2之间分别设置有第一暂存电动阀16及第二暂存电动阀17，两个暂存转化罐4与喷淋碱洗塔5之间分别设置有第三暂存电动阀18及第四暂存电动阀19。
进一步地，活性炭滞留床9的数量为两个，两个活性炭滞留床9分别与干燥床9及下游排放系统15连通。
进一步地，干燥床8与两个活性炭滞留床9及下游排放系统15之间分别设置有第一滞留电动阀21、第二滞留电动阀22、第三滞留电动阀23、第四滞留电动阀24、第五滞留电动阀25及第六滞留电动阀26，通过多个滞留电动阀的开启或关闭，可实现两个活性炭滞留床9串联或并联运行，其中，第一滞留电动阀21、第二滞留电动阀22、第四滞留电动阀24、第五滞留电动阀25及第六滞留电动阀开启，第三滞留电动阀23关闭时，两个活性炭滞留床9串联运行；第一滞留电动阀21开启，第五滞留电动阀25关闭，第二滞留电动阀22、第四滞留电动阀24开启或第三滞留电动阀23、第六滞留电动阀26开启时，两个活性炭滞留床9并联运行。
进一步地，干燥床8上还设置有干燥排气电动阀27，用于将加热通过干燥床8后的气体排放并回收利用。
进一步地，气体加热器10与压缩空气供应系统13及干燥床8之间的连通管路上分别设置有第一加热电动阀28及第二加热电动阀29。
进一步地，气水分离器7与干燥床8之间设置有分离电动阀30。
在本实施例中，上游废气1成分包括氮气、氧气、氮氧化物、放射性惰性气体等，废气工况包括持续排气、不稳定间歇性排气等。
缓冲罐2为不锈钢容器，作为上游废气1的接收腔，可减少间歇性排气脉冲对气体压缩机3的冲击。
气体压缩机3可为隔膜式或螺杆式，可将废气加压至0.6MPa以上，额定流量与上游废气排放速率相匹配。
暂存转化罐4为不锈钢容器，废气经由气体压缩机3加压后暂存于暂存转化罐4中，暂存时间为1-2天，在此期间废气中的短寿命放射性核素将衰变至较低的水平，一定程度降低废气的放射性水平；废气中的不稳定的氮氧化物也将大部分转化为稳定的NO2，也更容易被碱液吸收，从而一定程度保护活性炭的吸附性能与安全性。
暂存转化罐4可设置安全阀，防止意外超压造成容器损坏，安全阀排放管线连接干燥床8气流入口，超压排放的气体将直接通过干燥床8干燥后进入活性炭滞留床9，防止放射性气体泄漏至环境中.
暂存转化罐4可为两台或多台，以满足气体处理要求，并可以设置冗余和备用。
喷淋碱洗塔5底部为碱液储存区，中部为酸碱反应区，顶部安装锥形水雾喷头，碱液通过碱液循环泵12加压后经由锥形水雾喷头喷出，在反应区中形成自上而下的细密水雾，废气自下而上流经反应区时，其中的NO2与碱液反应，喷淋碱洗塔5对NO2的去除效率大于99.5％。
碱洗喷淋塔5使用的碱液可为KOH、NaOH，碱液浓度为1mol/L。
碱液循环泵12进出口管线上均有S形水封装置，防止废气通过碱液循环管线泄漏。
热管式冷凝器6为常温重力式换热器，主要由冷凝腔、热管、散热翅片组成，热管内部抽真空后充入水作为冷却介质，气流流经冷凝腔后使热管底部的水吸热蒸发至带翅片的上部，热量通过翅片散发后水冷凝，在重力作用下回流至热管底部，反复循环多次，从而将废气的温度降至15℃以下。
热管式冷凝器6所配置的热管为不锈钢无缝钢管，钢管两边焊接堵头，并插焊至冷凝腔上，密封性高，即便热管发生故障后也不会使放射性气体泄漏，也可在核设施维修期间对故障热管进行独立更换。
气水分离器7为离心式气水分离器，气流进入气水分离器7内部后通过流道变化使气流快速沿气水分离器7内部螺旋流动，从而产生足够的离心力，促进气流中的小水滴凝结并被甩到气水分离器7内壁面，在重力作用下富集于气水分离器7底部，气水分离可将废气相对湿度控制在50％以下。
气水分离器7底部设置排污管线，可定期开启排污阀将凝结水排空。
干燥床8内部装填硅胶干燥剂、沸石、活性炭等多孔吸附材料，可吸附废气中残余的水分，将废气相对湿度控制在10％以下，防止活性炭吸水造成惰性气体吸附能力下降。
干燥床8可通过热气流吹扫，使水分的解吸，实现吸附材料的再生，从而实现干燥剂的重复使用。
活性炭滞留床9内部密实装填惰性气体吸附专用的活性炭吸附剂，含放射性惰性气体核素的废气进入活性炭滞留床后，其中的放射性惰性气体核素被活性炭优先吸附，对放射性氪的滞留时间大于100h，对放射性氙的滞留时间大于70d。
活性炭滞留床9运行压力为微正压，通过暂存转化罐出口管路的减压阀将活性炭滞留床运行压力控制在0.010-0.050MPa之间。
活性炭滞留床9设置2台，通过阀门管路布置实现串并联运行，可根据气体处理量灵活投运。
连通的管路可根据运行控制需要灵活设置温度、压力、温湿度、放射性气体等监测仪表或变送器，从而实现系统运行情况的在线监测，并可通过设置阀门连锁，实现系统的自动控制。
本发明还提供一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理方法，包括步骤：
S1，将上游废气通过缓冲罐输送至暂存转化罐内，并在暂存转化罐内存放1至2天后，以较小排量排放至下游；
S2，将暂存转化管内排放的废气经过喷淋碱洗塔进行氮氧化物的中和吸收；
S3，将经过碱洗后的气体输入至热管式冷凝器中，将气流温度降低至15℃以下，并经气水分离器进行初步除湿，再进入干燥床中进行深度除湿；
S4，将经过干燥后的气流送入活性炭滞留床中进行吸附滞留，使其中的放射性惰性气体核素衰变，最终将废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平；
可以理解，当步骤S1中暂存转化罐存放气体器件，若上游仍有排气操作，则将废气通过气体压缩机压缩至暂存转化罐中。
以一个具体实例作为说明：
当某设施工艺废气排放规律为，每次工艺废气排放速率为50m3/h，单次排气1h，每次排气后间隔2d。按照排放限值估算，要求工艺废气中的放射性氙的滞留时间需达到60d以上。
假设使用压缩贮存工艺，根据废气量计算，则需8个容积为22m3的衰变箱进行处理，衰变箱贮存压力至少为1.0MPa。
假设使用活性炭滞留工艺，取活性炭动态吸附系数为600ml/g，则可计算得到需要使用至少20t活性炭，滞留床的容积约40m3。
假设使用本工艺，设置一台容积6m3的暂存罐以接受单次排气，然后以1m3/h的速率排放至滞留床，即50h可将暂存罐排空，取活性炭动态吸附系数为600ml/g，则可计算得到需要使用约2.4t活性炭，滞留床的容积约4.8m3。因此本工艺在设备占用空间上最小。
通过上述实施例可以看出，本发明采用模块化设计，可实现宽范围温湿度、相对压力等工况条件的模拟，可适用于不同设计工况气溶胶净化设备的效率检测，同时设置尾气净化装置，环境友好性高。
本发明所述并不限于具体实施方式中所述的实施例，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。
Claims (14)
1.一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，用于对上游废气进行处理，其特征在于，包括：依次连通的缓冲罐、暂存转化罐、喷淋碱洗塔、热管式冷凝器、气水分离器、干燥床及活性炭滞留床，上游废气连通所述缓冲罐；
其中，所述缓冲罐用于缓冲大流量的上游废气，所述暂存转化罐用于暂存所述缓冲罐内的废气，所述喷淋碱洗塔用于废气中氮氧化物的中和吸收，所述热管式冷凝器用于将气流温度降低至15℃以下，所述气水分离器用于进行废气的初步除湿，所述干燥床用于进行深度除湿，将废气相对湿度控制在10％以下，所述活性炭滞留床用于进行吸附滞留，使废气中的放射性惰性气体核素衰变，使废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平。
2.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述缓冲罐与所述暂存转化罐之间设置有气体压缩机，以将所述缓冲罐内的废气压缩至所述暂存转化罐内。
3.如权利要求2所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述缓冲罐与所述气体压缩机之间设置有缓冲电动阀。
4.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括气体电加热器，所述气体电加热器分别连通所述干燥床及压缩供气供应系统，以将压缩供气供应系统中提供的空气经加热后输送至所述干燥床内，实现所述干燥床的重复使用。
5.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置还包括碱液循环泵，所述碱液循环泵分别连通碱液供应系统及所述喷淋碱洗塔，实现碱液的加注。
6.如权利要求5所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述碱液循环泵与碱液供应系统之间设置有碱液供应电动阀。
7.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述暂存转化罐的数量为两个，两个所述暂存转化罐并联设置，且分别与所述缓冲罐及所述喷淋碱洗塔连通。
8.如权利要求7任一项所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
两个所述暂存转化罐与所述缓冲罐之间分别设置有第一暂存电动阀及第二暂存电动阀，两个所述暂存转化罐与所述喷淋碱洗塔之间分别设置有第三暂存电动阀及第四暂存电动阀。
9.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述活性炭滞留床的数量为两个，两个所述活性炭滞留床分别与所述干燥床及下游排放系统连通。
10.如权利要求9所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述干燥床与两个所述活性炭滞留床及下游排放系统之间分别设置有第一滞留电动阀、第二滞留电动阀、第三滞留电动阀、第四滞留电动阀、第五滞留电动阀及第六滞留电动阀，通过多个滞留电动阀的开启或关闭，可实现两个所述活性炭滞留床串联或并联运行，其中，所述第一滞留电动阀、所述第二滞留电动阀、所述第四滞留电动阀、所述第五滞留电动阀及所述第六滞留电动阀开启，所述第三滞留电动阀关闭时，两个所述活性炭滞留床串联运行；所述第一滞留电动阀开启，所述第五滞留电动阀关闭，所述第二滞留电动阀、所述第四滞留电动阀开启或所述第三滞留电动阀、所述第六滞留电动阀开启时，两个所述活性炭滞留床并联运行。
11.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述干燥床上还设置有干燥排气电动阀。
12.如权利要求1所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述气体加热器与压缩空气供应系统及所述干燥床之间的连通管路上分别设置有第一加热电动阀及第二加热电动阀。
13.如权利要求10所述的一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理装置，其特征在于：
所述气水分离器与所述干燥床之间设置有分离电动阀。
14.一种间歇性大流量排气的放射性惰性气体处理方法，其特征在于，包括步骤：
将上游废气通过缓冲罐输送至暂存转化罐内，并在暂存转化罐内存放1至2天后，以较小排量排放至下游；
将暂存转化管内排放的废气经过喷淋碱洗塔进行氮氧化物的中和吸收；
将经过碱洗后的气体输入至热管式冷凝器中，将气流温度降低至15℃以下，并经气水分离器进行初步除湿，再进入干燥床中进行深度除湿；
将经过干燥后的气流送入活性炭滞留床中进行吸附滞留，使其中的放射性惰性气体核素衰变，最终将废气的放射性活度浓度控制在可接受的水平。
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