王榮東，杜海鷗，高耀鵬，劉 晨，王 密，王國芝

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

中國實驗快堆是我國第一座快中子反應(yīng)堆，采用液態(tài)金屬鈉冷卻劑。正常情況下，熔融的金屬鈉被包容在管道和容器中，但由于操作失誤、焊接問題、波紋管破裂等原因，可能造成鈉系統(tǒng)邊界的破裂而形成鈉漏。由于鈉具有非常活潑的化學(xué)性質(zhì)，泄漏的高溫鈉與空氣接觸發(fā)生燃燒，從而形成鈉火。鈉燃燒產(chǎn)生的白色濃煙即為鈉氣溶膠，其主要成分是氧化鈉和過氧化鈉，這種氣溶膠具有強堿性，對于人和動物具有嚴(yán)重的灼傷能力。當(dāng)一回路工藝間發(fā)生鈉火事故時，其產(chǎn)生的氣溶膠帶有24Na、22Na等放射性物質(zhì)，對環(huán)境會造成放射性污染。為減少鈉氣溶膠對環(huán)境的污染，需對鈉火事故產(chǎn)生的氣溶膠處理后才可以排入大氣。鈉氣溶膠除去問題是鈉火事故緩解的重要方面。中國實驗快堆采用沖擊式水浴除塵器（簡稱水浴除塵器）與干式過濾器的組合來去除去鈉氣溶膠。本研究的目的是獲得水浴除塵器在不同風(fēng)量時的除塵效率，并對其有效性進(jìn)行評價。

1 水浴除塵器簡介

1.1 水浴除塵器結(jié)構(gòu)

中國實驗快堆采用的是張家港通用機(jī)械廠生產(chǎn)的SHCJ／AZ－7型水浴除塵器，它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水浴除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of water bath scrubber

1.2 水浴除塵器工作原理

水浴除塵器與風(fēng)機(jī)、排污裝置和自控裝置聯(lián)合使用。風(fēng)機(jī)安裝在除塵器的頂部，將凈化后的清潔氣體引出。排污裝置安裝在除塵器錐形漏斗底部，排放泥漿。自控裝置由給水系統(tǒng)、控制裝置組成。

氣溶膠由入口進(jìn)入除塵器，氣流轉(zhuǎn)彎向下沖擊于水面，部分較大的塵粒落入水中，當(dāng)含塵氣體以（18～35）m／s的速度通過上下葉片間“S”形通道時，激起大量的水花，與水氣充分接觸，絕大部分微細(xì)的塵粒混入水中，使含塵氣體得到充分的凈化。凈化后的氣體由分霧室擋水板除掉水滴后經(jīng)凈氣出口由風(fēng)機(jī)排出。由于離心力的作用，捕獲塵粒的水又返回漏斗。泥漿則由漏斗上的排污裝置定期或連續(xù)排出，新水則由給水系統(tǒng)補充。

2 試驗方案的確定

2.1 試驗流程

本次實驗建立了如圖2所示的試驗流程。由燃燒室、鈉氣溶膠產(chǎn)生裝置、氣溶膠取樣裝置、在線風(fēng)速測量裝置、除塵裝置等試驗裝置組成。首先將鈉加熱到設(shè)定溫度，再通過壓差法將鈉罐中的高溫鈉導(dǎo)流到燃燒室，高溫鈉與空氣接觸，立即燃燒，產(chǎn)生鈉氣溶膠，通過事故排煙系統(tǒng)將氣溶膠導(dǎo)入水浴除塵器除去大部分的鈉氣溶膠，排入大氣。試驗過程中，在除塵器進(jìn)出口對燃燒室產(chǎn)生的氣溶膠進(jìn)行取樣、分析、最后通過計算得出除塵器的除塵效率。同時對排風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行在測量線。

（1）鈉氣溶膠產(chǎn)生裝置

鈉氣溶膠是由鈉噴射燃燒的方法產(chǎn)生的，鈉噴射回路由貯鈉罐、氬氣瓶及相關(guān)閥門、管道等組成。采用噴鈉的方法，首先將貯鈉罐預(yù)熱到400℃，將輸鈉管道預(yù)熱到250℃，然后采用壓差法（鈉罐壓力1.0MPa），通過鈉管道將高溫鈉噴出，高溫鈉與空氣接觸，立即燃燒產(chǎn)生氣溶膠，流程圖見圖3。

（2）鈉氣溶膠取樣裝置

鈉氣溶膠取樣支路由真空泵、真空表、取樣瓶、閥門及相關(guān)管道組成，取樣系統(tǒng)為真空取樣，將取樣瓶抽成一定的真空度后，關(guān)閉真空取樣系統(tǒng)，開啟取樣閥，當(dāng)取樣瓶與被取樣管道內(nèi)壓力。

圖2 試驗流程示意圖Fig.2 The schematic of experimental process

圖3 鈉噴射回路示意圖Fig.3 The schematic of sodium jet loop

平衡后，關(guān)閉取樣閥，完成一個樣品的取樣過程。取樣點選擇在濕式取樣器氣溶膠的入口和出口，通過三個氣溶膠濃度的比較來判定濕式除塵器對鈉氣溶膠的除去效率。氣溶膠取樣系統(tǒng)見圖4。

（3）鈉氣溶膠樣品分析

本實驗采用容量法來測定[Na＋］的濃度。完成取樣后，將取樣瓶密封放置48h以上，然后用去離子水溶解樣品、定容。取部分或全部樣品，量取不同體積的NaOH儲備液作為樣品，用容量法測定[Na＋］的絕對含量。計算公

圖4 氣溶膠取樣系統(tǒng)Fig．4 The aerosol sampling system

（4）凈化效率的計算

凈化效率是通過比較設(shè)備進(jìn)出口的濃度來確定的。具體計算公式如下：

2．2 試驗工藝參數(shù)的確定

（1）風(fēng)量

根據(jù)試驗條件及中國實驗快堆部分鈉工藝間設(shè)計風(fēng)量等因素綜合考慮，試驗風(fēng)量選定為 3 000m3／h、2 000m3／h，并 進(jìn) 行 重 復(fù)試驗。

（2）水位

水浴除塵器內(nèi)水位高低是影響除塵效率的一個重要因素。水位過高，水浴除塵器進(jìn)出口阻力增大，增加能耗，對除塵效率沒有明顯增加；水位過低，氣溶膠從“S”板下沿跑出，降低除塵效率。通過試驗找出一個合理的水位，既不影響除塵效率，又不增大水浴除塵器阻力，水位確定是本試驗的目的之一。本試驗在水浴除塵器窺視窗上標(biāo)記了5個水位，每個水位都在風(fēng)機(jī)啟動水位之上，試驗中水位位置即為試驗水位，具體標(biāo)記見圖5。

圖5 試驗水位示意圖Fig．5 The schematic of water level

（3）鈉量

通過對鈉燃燒速率、鈉溫、鈉氣溶膠包容、房間設(shè)計參數(shù)等因素的初步研究，確定每次試驗燃燒用鈉量在10kg左右。

3 試驗過程

本試驗具體步驟如下：

（1）預(yù)調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

試驗開始前，開啟通風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風(fēng)閥，確定排風(fēng)風(fēng)量，關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，試驗過程中風(fēng)量保持不變。

（2）鈉回路加熱

通過溫度控制系統(tǒng)加熱鈉罐及鈉管路，鈉預(yù)熱到400℃，輸鈉管道及鈉閥預(yù)熱到250℃。

（3）鈉噴射燃燒

打開鈉閥，通過輸鈉管道將熱鈉噴出，熱鈉落到接鈉盤中，此過程保持鈉罐壓力0.1MPa不變，高溫鈉與空氣接觸會迅速燃燒，產(chǎn)生大量鈉氣溶膠。

（4）通風(fēng)系統(tǒng)運行

鈉燃燒30s后開啟通風(fēng)系統(tǒng)，同時開啟渦街流量計。

（5）取樣分析

通風(fēng)系統(tǒng)開啟30s后，開始取樣。抽真空時間5s，取樣時間5s，取樣時間間隔（2～3）min，直至鈉燃燒結(jié)束為止。

（6）停止試驗

關(guān)閉電加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，關(guān)閉溫度、風(fēng)量監(jiān)測系統(tǒng)。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 在3 048m3／h風(fēng)量條件下第一次試驗

本次試驗鈉量10.5kg。在試驗初期，首先通過觀察風(fēng)機(jī)出口排出氣溶膠的濃度來確定水位的高低。如果排風(fēng)口排出氣溶膠為白色濃煙，說明排出的鈉氣溶膠濃度很大，除塵器過濾效果不好，若排風(fēng)口排出氣溶膠為淡淡的白色煙霧，則說明除塵器發(fā)揮了較好的作用。試驗時，將水浴除塵器的水位由5號逐漸增高水位到1號水位，觀察風(fēng)機(jī)出口氣溶膠濃度由濃逐漸變淡，當(dāng)水位上升到1號水位時，排出氣溶膠濃度變得非常稀薄，于是采用1號水位繼續(xù)進(jìn)行試驗。

試驗數(shù)據(jù)分析曲線如圖6所示。從（0～700）s期間，鈉在不斷燃燒，燃燒間氣溶膠濃度不斷擴(kuò)大，水浴除塵器進(jìn)口氣溶膠濃度不斷擴(kuò)大，在出口濃度變化不大的情況下，氣溶膠除塵效率在不斷增大。在（700～970）s期間，房間產(chǎn)生的氣溶膠在不斷減少，除塵器進(jìn)口的氣溶膠濃度也在不斷減少，在出口濃度變化不大的情況下，氣溶膠除塵效率在不斷減少。在970s左右又燃燒了5kg鈉，出現(xiàn)了和之前同樣的氣溶膠濃度變化軌跡，在1 230s出現(xiàn)的一個小波峰，是因為燃燒室門關(guān)閉，導(dǎo)致進(jìn)入通風(fēng)管道的氣溶膠增多，空氣減少，除塵器進(jìn)口濃度增大，除塵效率增大。

圖6 在3 048m3／h風(fēng)量條件下除塵器除塵效率曲線Fig.6 The dust removal efficiency curve at the air flow rate of 3 048m3／h

4.2 在2 592m3／h風(fēng)量條件下第二次試驗

本次試驗鈉量8.1kg。試驗初期選用1號與2號水位之間進(jìn)行試驗，隨著鈉的燃燒，氣溶膠的聚集，水浴除塵器密封不是很好的地方有氣溶膠外泄。此次試驗風(fēng)量比上次變小，水位沒變，水浴除塵器前后端壓差變小，開風(fēng)機(jī)后水位沒有下降到“S”擋板以下，除塵器內(nèi)變?yōu)檎龎?，氣溶膠發(fā)生泄漏情況。當(dāng)把水位下降到3號水位的時候，氣溶膠泄漏情況得到緩解。

試驗數(shù)據(jù)變化曲線如圖7所示。在降低水位之前，水位過高，氣溶膠不能順利通過除塵器，氣溶膠只能與除塵器內(nèi)表面水反應(yīng)，除塵器前端聚集大量氣溶膠，后端出來的氣溶膠很少，前端濃度大，后端濃度小，造成除塵效率高的現(xiàn)象，不是真實的除塵效率。當(dāng)降低水位后，氣溶膠不再外泄，取樣結(jié)果慢慢恢復(fù)正常水平。燃燒室門關(guān)閉，進(jìn)入通風(fēng)管道的氣溶膠增多，空氣減少，除塵器進(jìn)口濃度增大，除塵效率增大。此次試驗變化條件比較多，總的除塵效率在60%左右。

圖7 在2 592m3／h風(fēng)量條件下除塵器除塵效率曲線Fig.7 The dust removal efficiency curve at the air flow rate of 2 592m3／h

4.3 在2 400m3／h風(fēng)量條件下第三次試驗

本次試驗燃燒鈉量5.6kg，選用3號水位進(jìn)行試驗。本次試驗，通風(fēng)回路內(nèi)氣溶膠沒有出現(xiàn)外泄情況。

該次試驗數(shù)據(jù)變化曲線如圖8所示。隨著鈉的燃燒，除塵器入口濃度不斷升高，除塵器除塵效率不斷增大，當(dāng)達(dá)到一個峰值84%后，除塵器濃度逐漸降低。在680s左右的時候，又燃燒了大約2.8kg鈉，除塵器除塵效率又逐漸升高再降低，最高除塵效率為73%左右。

圖8 在2 400m3／h風(fēng)量條件下除塵器除塵效率曲線Fig.8 The dust removal efficiency curve at the air flow rate of 2 400m3／h

5 試驗現(xiàn)象分析

每次試驗結(jié)束后，在通風(fēng)管道內(nèi)會發(fā)現(xiàn)少量氣溶膠，氣溶膠吸附在管道內(nèi)壁上，以下部居多。通過分析，吸附在管道內(nèi)壁的氣溶膠是兩種作用的結(jié)果：吸附作用和重力作用。部分氣溶膠遇潮濕的環(huán)境及粗糙的管壁會吸附在管壁內(nèi)側(cè)，大顆粒的氣溶膠因重力作用擺脫風(fēng)機(jī)抽力飄落到管道下壁。通過試驗現(xiàn)象觀察，環(huán)境越潮濕、風(fēng)機(jī)風(fēng)量越小，沉積現(xiàn)象越嚴(yán)重。氣溶膠沉積現(xiàn)象見圖9與圖10。

圖9 直管段氣溶膠沉積Fig.9 Sodium aerosol deposited on straight pipe section

圖10 彎道氣溶膠沉積Fig.10 Sodium aerosol deposits on bend section

6 結(jié)論

從理論上分析，水浴除塵器在額定風(fēng)量條件下對鈉氣溶膠除塵效率最高。試驗結(jié)果表明，在風(fēng)量達(dá)不到水浴除塵器設(shè)計風(fēng)量條件時，通過調(diào)節(jié)水位變化，也能取得較好的除塵效果。但如運行風(fēng)量達(dá)不到水浴除塵器設(shè)計要求，氣溶膠在管道內(nèi)沉積現(xiàn)象會加重。

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