核电厂14C处理用CO2吸收剂性能研究

顾林峰 白杉 葛云瑞

摘  要：文章对适用于核电厂14C废气处理技术的CO2固体吸收剂性能参数、吸收原理、影响因素进行了研究。试验结果表明，常温水浴下复合吸收剂吸收效果较佳，复合吸收剂对CO2的比吸收效率随流速的增大而减小，随吸收剂床层高度的增加而增大，较小的吸收剂粒径有助于比吸收效率的提升。

关键词：碳14;核电;复合吸收剂

中图分类号：TM623 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）30-0013-04

Abstract： The performance of combined absorbent used in the Carbon-14 absorbing process in nuclear power plant is investigated in this research. The absorbing principle and the factors affecting the performance of combined absorbent is studied. The results show that water bath under normal temperature will improve the performance of combined absorbent remarkably. Lower flow rate， shorter absorbent height， and smaller particle size will also optimize the combined absorbent performance.

Keywords： Carbon-14; nuclear power; combined absorbent

1 概述

核电站在核电发生过程中会产生放射性核素-碳14（14C），碳14具有弱的β放射性，但其半衰期长达5730年[1]。以14CO2形态存在的碳14，如果无控制措施直接排放到大气中，会和空气中的非放射性CO2混合，参与植物的光合作用，从而进入到生物圈中;如果通过呼吸或扩散吸附到人体组织内，将形成人体经受长期内照射的风险。

目前国内外，对于核电厂碳14处理技术的研究很少，仅有的部分研究工作还处于实验室阶段，无论是在建还是在运机组均未有装备气态碳14处理装置。因此，对于该问题的相关研究和应用，具有重要的科学和工程意义。

CO2捕集技术（CCS）在工业、医学、航天等领域有着广泛的技术开发和应用需求，针对不同的应用条件，可以选择不同的处理方法，如干法吸收、湿法吸收或吸附分离等[2]。对于核电站排放的14C废气，则需要根据实际排放的工况条件，特别要着重在安全、环保方面，开发适用的工艺技术及设备装置。综合比较当前工业CCS不同技术特点，干法吸收是最合适用于核电14C废气处理的技术路线，具有安全可靠、可直接固化处理、无二次污染等显著特点。

本文重点对干式吸收剂的性能参数、吸收原理、影响因素等方面展开研究。

2 实验条件

在实验室中模拟配气条件如下：

-气体组分：CO2/N2

-气体处理量：0-0.5m3/h

-更换周期：评价

-CO2定量浓度：0-1500ppmv，根据实验具体情况可适当扩展。

本项目为模拟14CO2吸收模块技术及设备开发，主要实验条件如表1所示。

表1 模拟CO2吸收实验条件列表

设计了干式吸收实验装置及其测试方法，分别如图1所示。

反应气由空压机提供压缩空气，经质量流量计控制流量后，与高浓度CO2气体按配比混合，通过湿度调节器调节试验气体湿度，至此完成实际气体组分条件的模拟，得到CO2目标浓度。混合气体流速，由混合气管线质量流量计实现调节，混合气湿度由混合气管线湿度调节器进行调节。

实验中，为了方便评价吸收剂的性能，定义以下内容：

穿透浓度与穿透时间：

在吸收实验中，当反应出口的CO2浓度超过进气浓度的20ppm时，停止吸收实验，即设定20ppmv为本吸收实验的吸收穿透浓度，穿透的时间为穿透时间。

吸收量与比吸收效率：

通过比较不同吸收剂的实验吸收量，评价吸收剂对低浓度CO2的吸收性能，在吸收穿透之前的CO2吸收量称为实验吸收量，与按照化学反应方程式完全吸收CO2的理论计算值进行比较，定义实验吸收量与理论吸收量的比值为比吸收率（η），用%表示。

3 实验内容

通过不同测试条件（CO2浓度、湿度、颗粒、线速度等）的变化，考察吸收剂的特性。

3.1 升溫加湿气体吸收效率与气量的关系

配置380ppmvCO2浓度的气体，设定不同流量条件（1-7 LPM），分别对干燥、常温水浴、50℃水浴工况进行试验。试验气进入吸收反应器，记录吸收剂的浓度穿透曲线，如图2所示，考察吸收剂的吸收特性，测试结果见表2。

在干燥气条件下，随着吸收流速的增加，吸收剂对CO2的比吸收效率下降明显，在流速3LPM和6LPM时，吸收剂的比吸收效率变化不大，说明此流速条件下吸收剂对CO2的传质速度是制约因素。

在常温水浴条件下，吸收剂的比吸收率随气体流速的变化而快速减小;在1.2LPM条件下，吸收剂较干燥气体的比吸收率提高到5.7倍，穿透时间增加到3.2倍;加湿条件下，明显利于吸收剂对CO2的吸收反应。

在50℃水浴条件下，低流速时吸收剂的比吸收率较常温加湿有明显降低了29.6%，而在高流速时，其比吸收率略有增加。在该部分实验中发现，吸收剂反应器的底部会在10-12h左右出现冷凝水聚集现象，水的出现引起了吸收剂的板结，导致吸收剂与气体的接触面积显著减少，便出现了过大湿度对吸收反应的负面影响，而当流速持续变大时，其水汽的夹带及其冷凝现象相对变弱，便使得吸收剂比吸收率又有所增加。

3.2 吸收剂厚度、CO2浓度与吸收效率的关系

CO2的初始浓度对于吸收剂的处理效果有重要的影响，体现在穿透时间的变化上，本部分实验分别考察吸收剂在不同CO2浓度条件下的穿透特性。另一方面，吸收剂床层厚度是吸收反应器的一个重要设计参数，通常要大于吸收剂穿透曲线的轴向距离。

选取常温加湿作为吸收剂的评价条件，分别配置

380ppmv、600ppmv、1000ppmv CO2浓度的气体，在1.2 LPM流量条件下，通过常温水浴加湿，进入吸收反应器，变化不同的吸收剂床层厚度，观察吸收后的CO2浓度变化。记录吸收剂的浓度穿透曲线（图3，穿透浓度定义为20ppm），考察吸收剂的吸收特性，测试结果见表3。

图4给出了在不同CO2初始浓度下，吸收剂比吸收效率与床层厚度的变化关系。随着床层厚度的增加，比吸收效率成线性增加，但是不同浓度下其比吸收效率的变化不大，说明不同进口浓度对于特定床层厚度的吸收剂的比吸收率影响不明显。

通常，进口浓度越高，其吸收穿透曲线越短，了解和设定穿透曲线（图5），是吸收床层放大设计的最重要参数之一。

根据本部分实验结果，可以计算出不同浓度的穿透曲线长度及速率，分析结果如表4所示。在1.2LPM（5.8×10-2m/s）的吸收线速度下，吸收剂的穿透曲线随进口浓度的增大呈上升趋势，浓度增大到1000ppm时，基本维持在110mm左右。

对于特定的气体流速、吸收剂、温湿度条件，穿透曲线是固定的，吸收剂内分布的气体浓度呈下抛物线状。随着吸收反应时间的增加而沿气流方向推进，如图5所示，当穿透曲线逐渐推进到吸收床的出口时，出口浓度逐渐升高，即完成了吸收剂的使用过程，需要重新更换。

3.3 吸收剂粒径与吸收效率的关系

CO2与吸收剂的中和反应，首先发生在吸收剂与气体的界面，反应界面与吸收剂的粒径大小成反向关系，因此提供更多的反应界面会提高吸收反应速度，增加吸收效率;另一方面，吸收剂的体积过小，在实际应用过程中，会更容易发生因吸水所致的板结现象。

在本部分实验中，配置380ppmv CO2浓度的气体，在1.2 LPM流量条件下，通过常温水浴加湿，进入吸收反应器，变化不同的吸收剂颗粒粒径，观察吸收后的CO2浓度变化。记录吸收剂的浓度穿透曲线（图6，穿透浓度定义为20ppm），考察吸收剂的吸收特性，测试结果见表5。

吸收剂颗粒减小，参加吸收反应的有效面积增大，吸收剂的比吸收率显著增大，约增加117.5%，如果进一步延长吸收剂的使用寿命，可以通过减小吸收剂的颗粒径来实现。

4 结论

通过CO2固体吸收剂性能参数的影响因素试验分析，可得出如下结论：常温加湿较干燥或升温加湿条件，更利于CO2在复合吸收剂NaOH-CaO上的吸收反应。复合吸收剂对CO2的比吸收效率随流速的增大而减小，随吸收剂床层高度的增加而增大;随CO2浓度的增加，在同等温湿度、流速条件下，复合吸收剂的比吸收效率呈下降趋势;不同CO2浓度条件下，相同复合吸收剂床层高度对应的比吸收效率變化不大;1.2LPM（5.8×10-2m/s）流速下，380-1000ppmv的CO2浓度对应复合吸收剂的穿透曲线长度约90-111mm;复合吸收剂的粒径越小，越利于提高吸收剂的比吸收效率，2-4mm粒径较4-6mm粒径的吸收剂的比吸收效率增加117.5%。

参考文献：

[1]方栋，李红.环境中氚和碳-14[J].辐射防护，2002（01）：51-56.

[2]谭璞，周国丰，白杉，等.压水堆核电厂～（14）C产生机理与处理技术探讨[J].绿色科技，2016（06）：8-11.

[3]周国丰，白杉，黄永雄，等.单一与复合固体吸收剂去除低浓度CO2的性能比较[J].能源环境保护，2016，30（03）：23-26.