超临界二氧化碳流载干冰去污装置研制

滕磊 孙志军 张永领

摘要：本文简要回顾了核设施退役领域常用的去污方法及其利弊，介绍了传统的干冰喷射去污工艺及其机理，提出了使用超临界二氧化碳作为干冰颗粒的载送剂以提高去污效率的思路。在此基础上，对超临界二氧化碳流载干冰去污机理进行了论述和分析，并自主研制了超临界二氧化碳流载干冰去污装置，可以实现对核设施内部大面积金属污染表面进行去污，具有良好的发展和应用前景。

关键词：核设施；去污；超临界二氧化碳；干冰

前言

退役是一項复杂的系统工程，退役过程中涉及到大量的放射性操作，良好的去污效果是保证操作人员辐射防护、保护公众免受过量照射、保护环境的必要条件。

退役领域中常见的去污方法主要有机械剥离去污、高压水射流去污、化学/电化学去污、干冰喷射去污等[1]。其中机械剥离去污和高压水去污得到了更加广泛的应用，但机械剥离去污适用于小面积深度污染，工作效率较低；高压水去污中使用大量的水，会产生大量的二次废物[2]甚至造成局部二次污染等。

近年来，在石油化工领域广泛使用的干冰清洗技术克服了传统清洗技术的不足，是一种真正的绿色清洗技术[3]。干冰清洗技术于80年代末期开始应用于美国国内工业领域，经过数十年的发展，目前该技术已广泛应用于汽车制造业、航空业、核电工业、食品加工等工业领域[4]。传统的干冰喷射去污工艺，一般是使用空气作为干冰颗粒的载送剂，且压缩空气压力一般小于1MPa。主要原理是用二氧化碳制成干冰颗粒喷射处理物，利用各种物质热膨胀系数的不同对物体表面采用瞬间降温，使处理物表面的污垢在极短的时间内冻到脆化及爆裂，干冰颗粒钻进污垢的裂缝后随即气化，其体积亦在瞬间膨胀近800倍，从而把污垢带离物体表面的方法[5，6]。但是，由于压缩空气提供的动能较小，无法使干冰颗粒达到一定的速度，减弱了去污效果。

超临界二氧化碳是压力和温度均高于其临界值（Pc=7.39MPa，Tc=31.06℃）的二氧化碳流体，其性质介于气体与液体之间，具有粘度低、扩散性强、溶解/溶质性好、流动、渗透和传递性能超强的特点。其密度为气态二氧化碳的数百倍，接近液态二氧化碳的密度；其粘度与气态二氧化碳相当，只有液态二氧化碳的 1/10；其扩散系数是液态二氧化碳的 100 倍，接近于气态。因此，使用超临界二氧化碳作为干冰颗粒的载送剂，可以使干冰颗粒获得较高的动能，去污效果会有一定提升。

1 去污装置简介

根据超临界二氧化碳的特点和去污机理，研制了超临界二氧化碳流载干冰去污装置，其主要由以下几个关键部分组成：一、机架和执行机构；二、干冰制备系统；三、超临界二氧化碳制备系统；四、喷射去污系统；五、回收系统；六、控制系统。

1.1机架和执行机构

干冰去污装置机架和执行机构的作用，一是实现系统、设备、管道的集成布置，便于运输；二是将喷嘴送至指定位置进行去污作业。

机架为整个原理样机的基座，并实现各系统、设备之间的集成化布置。执行机构的主要作用是带动喷射去污系统的喷嘴做指定轨迹的运动，以实现去污作业，执行机构具备X轴、Y轴、Z轴三个方向的自由度，喷嘴具备X轴、Y轴两个方向的自由度。整个机架和执行机构可覆盖作业空间500mm×500mm×100mm，定位精度可达1mm。

1.2干冰制备系统

干冰制备系统，主要是用来生产合适大小粒径的干冰微粒。

干冰制备系统主要由二氧化碳气瓶、干冰造粒机、干冰破碎机、振动筛以及连接系统管道、泵阀等设备组成。可制备直径0.5mm、0.75mm、1mm、2mm、3mm五种规格的干冰颗粒，产量可达1kg/min。

1.3超临界二氧化碳制备系统

超临界二氧化碳制备系统的功能：一是长期安全存储足够数量的液态二氧化碳；二是生成满足试验要求的超临界二氧化碳。因为只有在确保二氧化碳为液态的条件下，才能保证其正常输送。容器内二氧化碳的压力应控制在10.0MPa，罐内温度为室温，并安装应急与保护措施，以确保试验人员与试验设备安全。

超临界二氧化碳制备部分包括二氧化碳气瓶、气瓶增压器、二氧化碳补充泵、压力表、液态二氧化碳储罐、储罐冷却器、电加热器以及系统回路管道、阀门组成。

增压泵是超临界二氧化碳制备系统的核心设备，也是整个装置的关键设备。超临界二氧化碳压力越高，去污能力越强，去污效率越高。本装置可以实现10～300MPa之间的压力区域开展去污。

1.4喷射去污系统

喷射去污系统的主要功能：一是形成高压/超高压超临界二氧化碳干冰混流体，开展去污试验；二是收集回收超临界二氧化碳、固体废物等杂质。高压/超高压超临界二氧化碳干冰采用后混形式，即在高压/超高压超临界二氧化碳喷射管路的后端添加干冰颗粒，减少超临界二氧化碳和干冰的接触时间。高压/超高压超临界二氧化碳流载干冰喷射去污试验在密闭箱体（类似手套箱结构）内开展，箱体下端连接二氧化碳回收部分。

喷射去污系统主要有二氧化碳气瓶、压力表、风机、喷射装置、密闭箱体以及系统回路管道、阀门组成。

喷射装置主要由枪体、加料管连接套、喷嘴、固定装置、快速安装套管、混料腔、聚焦管等构成。它的功能是通过高压/超高压超临界二氧化碳将干冰颗粒带出，对物项进行去污。由超高压系统产生的高压/超高压超临界二氧化碳射流，经混沙腔与干冰颗粒混合后由喷射装置喷射口喷射至去污对象表面进行去污。超临界二氧化碳流载干冰去污原理样机所用的干冰是经专门筛选、大小一致的干冰颗粒。

喷嘴是喷射去污系统最核心的设备。本装置采用如图1所示的后混式干冰喷射喷嘴。

1.5回收系统

回收系统主要包括一级过滤器、二级过滤器、风机、冷却器、温度传感器、压力传感器、增压泵以及系统回路管道、阀门组成。回收系统的风机风量可以满足3000m3/h的能力；过滤器能去除净化直径0.3μm以上的固体杂质。

2 总结及展望

由于传统的去污方法普遍存在去污效率低、二次废物产生量大等缺点，核设施退役去污领域正面临着巨大挑战。提出超临界二氧化碳流载干冰去污工艺的创新点在于可以解决上述的两个弊端，即可以提高去污效率，减少二次废物产生量。因此，将超临界二氧化碳流载干冰去污工艺作为下一代核设施退役去污技术符合发展趋势。

本文提出的超临界二氧化碳流载干冰去污设备及其工艺，成本低，去污效率高，循环利用率高，可以实现对核设施通风管道内表面、贮液槽罐表面、核设施墙地面覆面板等大面积金属污染表面进行去污，具有良好的发展和应用前景。

参考文献：

[1]姚志猛，陈国星.浅析核电站放射性去污常用技术.清洗世界，2016；29（10）：18—19

[2]邓浚献，李昕，侯辉娟.反应堆退役废金属高压水去污废水的再利用.核安全，2011；（1）：70

[3]左华.二氧化碳干冰清洗技术综述.低温与特气，2005；（2）：12—14

[4]陆晓宝.美国最新清洗技术—干冰清洗技术.化学清洗，1997；13（6）：1

[5]李烨，孙宇，张东，等.核设施通风管道干冰喷射去污实验研究.原子能科学技术，2012；46：164

[6]孙洪孟.干冰清洗技术研究.大连：大连理工大学，2012

第一作者简介：

滕 磊（1987—），男，大学本科，助理研究员，主要从事核设施退役及反应堆检修工艺设计。