旋风组钠气溶胶去除系统性能验证

王荣东，杜海鸥，王国芝，朴 君，徐永兴

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413)

钠冷快堆使用液态金属钠作为冷却工质，金属钠化学性质活泼，高温的液态钠和空气接触后会发生燃烧，生成一种浓密的白色烟雾——钠气溶胶。钠气溶胶是一种平均粒径为2～20 μm，具有腐蚀性和高黏附性的颗粒[1]。当发生事故导致管道或设备破损，高温的液态钠有可能泄漏到空气中发生燃烧，生成大量有害的钠气溶胶。因此需使用除尘净化装置对钠气溶胶进行去除净化，以减少排放到环境的放射性剂量和钠气溶胶浓度。快堆上用于去除钠气溶胶的主要设备包括静电除尘器、旋风除尘器、洗涤式除尘器、过滤式除尘器等。静电除尘器具有除去钠气溶胶的能力，但在快堆上的应用经验较少。这是由于静电除尘器能耗大、运行维护过程复杂、启动可靠性不高，且尚缺乏有效的将钠气溶胶从电极上除去的方法[2-4]。洗涤式除尘器是使含尘气体与水或其他液体接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞等作用将尘粒从气流中分离出来的设备。湿式除尘设备在快堆上的事故排烟系统上的应用较广，其优点是除尘效率高，气溶胶容量大，但是具有单级湿式除尘器除尘效率不高的缺点，需多级串联使用，增加了系统的复杂度和控制难度[5]。中国实验快堆(CEFR)采用冲激式水浴除尘器去除钠气溶胶，经过验证试验发现，冲激式水浴除尘器的除尘效率在30%～90%之间[6]。过滤式除尘器是通过使含尘气体过滤，以除去其中粉尘的装置。该除尘器除尘效率很高，尘粒在0.1 μm以上除尘效率可达99%以上。但是过滤除尘单元的除尘容量较小，占用的体积庞大且费用昂贵。因此在快堆事故排烟系统中一般作为将钠气溶胶和大气环境隔离的最后一道屏障，用于去除经过前级除尘后剩下的极少部分钠气溶胶[7-8]。

旋风除尘器利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离，用来分离粒径大于1～10 μm以上的颗粒物，对于捕集、分离5～10 μm粉尘的效率较高，一般可达85%。旋风分离器具有结构简单、操作和维护简单、动力消耗不大、操作弹性大、性能稳定、不受含尘气体的浓度和温度影响等特点[9]。由于缺乏可靠的试验数据，要在快堆事故排烟系统上使用还需经过进一步研发和验证。本文通过设计一套由旋风除尘器和过滤式除尘器组合构成的钠气溶胶去除系统，验证该系统在工程应用的可行性。

1 旋风组钠气溶胶去除系统及设备设计

1.1 系统设计方案

旋风组钠气溶胶去除系统采用干式气固分离路线，采用多筒并联旋风分离器后接高效过滤器的组合式除尘设计方案。当事故发生后，只需将事故环境外的引风机开启并调到一定流量，除尘系统将自动运行并进行钠气溶胶颗粒的去除。钠气溶胶通过管道进入旋风分离器入口，经旋风分离器气固分离后，大部分钠气溶胶颗粒被捕集，未被捕集的少量细颗粒将随气流进入过滤除尘器，在过滤除尘器中被高效拦截捕集。最终，满足安全环保排放要求的净化后的气体将排入大气，整个过程操作简单、响应迅速。

1.2 旋风分离器和过滤除尘器样机设计

旋风除尘器结构形式选用PV型高效旋风分离器，并结合快堆钠火气溶胶去除工况特点作适当的改进。PV型旋风分离器是一种结构简单、靠尺寸优化来获得高效率的新型高效旋风分离器，在操作弹性和稳定性方面优势明显[10]。迄今旋风分离器的设计还没有固定的设计标准，但从大量的工程实践总结得出的结论为设计者提供了经验的尺寸比例和合适的参数。用于去除钠气溶胶的事故排烟系统是处理钠火事故的应急装置，采用非在线脉冲反吹再生的过滤器，以简化系统的复杂性，同时增加可靠性和安全性。考虑到过滤器需有较大的纳污容尘量和较高的过滤分离效率和低压降，最终设计选用单层排列方式的高温多管过滤器。图1为本系统选用的旋风分离器和过滤除尘器结构及示意图。

a——旋风分离器；b——过滤除尘器

2 旋风组钠气溶胶去除系统钠火环境试验

2.1 试验装置

为了考察旋风组钠气溶胶去除系统及主要设备在真实钠火环境下的性能指标，设计并建造了模拟真实钠火环境的工艺间和试验回路，通过试验研究金属钠燃烧过程中钠气溶胶浓度变化、粒径分布、压降、去除效率等主要参数。钠气溶胶浓度及粒径分布通过Welas-3000粒度仪测量，该仪器可对0.18～40 μm范围内的颗粒进行精确测量，可输出粒径分布和钠气溶胶浓度。图2为试验装置示意图。其中，钠火工艺间温度测点在距燃烧盘正上方2 m位置，实验中燃烧的金属钠为10 kg，模拟的钠火工艺间有效容积约为45 m3。

图2 试验装置示意图

2.2 试验现象及结果

1)试验现象

试验开始前将金属钠用滤网过滤，去除煤油，并将金属钠放入燃烧盘中，利用喷枪进行点火。钠燃烧22 min后，关闭工艺间进气阀；钠燃烧46 min后，打开工艺间进气阀，从进气口可观察到工艺间内已无火光；第49 min时，打开工艺间房门，可看到内部白色烟雾浓烈；第60 min，打开房门，将第2组金属钠倒入工艺间燃烧盘中；第87 min，打开房门，同样可看到工艺间内部烟雾浓烈；第91 min，打开工艺间进气阀，进入工艺间内用铲子翻铲金属钠，依然可看到有较多烟雾，燃烧盘内可见少量火星；第116 min，继续进入工艺间翻铲金属钠，此时燃烧盘已无明火，说明金属钠已完全燃烧；第130 min，房间内基本无烟雾。在整个试验过程中，未观察到有钠气溶胶烟雾从工艺间泄漏。试验结束后，整理试验仪器和过滤器滤芯，发现皮托管、旋风分离器储料罐和滤芯上粘有白色颗粒，遇空气后迅速潮解(图3)。

图3 钠气溶胶颗粒

2)工艺间内钠气溶胶浓度

在第2组钠已燃烧37 min时(即钠火试验第97 min)开始监测工艺间内的钠气溶胶浓度，浓度监测点设在旋风主入口管下方400 mm的位置。图4为第2组钠燃烧过程中，工艺间内钠气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化，可看出，工艺间内钠气溶胶浓度逐渐降低，最终接近于0。

图4 工艺间内钠气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化

3)旋风分离器压降

图5为两组钠燃烧过程中旋风分离器压降随钠燃烧时间的变化，旋风分离器压降随钠燃烧时间的变化是波动的(最大压降为2 720 Pa，最小压降为2 240 Pa)，这是由于从主入口管进入旋风分离器内的气量、钠气溶胶浓度和温度不断变化。

1——打开工艺间房门进行金属钠点火；2——点火完成，第1组钠开始燃烧；3——关闭工艺间进气阀门；4——打开工艺间进气阀门；5——打开工艺间房门倒入金属钠，第2组钠开始燃烧；6——关闭工艺间进气阀门；7——打开工艺间房门和进气房门，翻铲燃烧盘中的金属钠；8——试验结束

4)旋风分离器出口浓度和粒径分布

图6为第1组钠燃烧过程中旋风分离器出口管(过滤器入口管)内钠气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化(第1组钠刚开始燃烧后即进行在线监测)，随金属钠的燃烧进程，旋风分离器出口管钠气溶胶浓度呈现先增加后降低，最终趋于平稳的趋势，且旋风分离器出口管钠气溶胶浓度最大仅为12.03 mg/m3，燃烧进行到25 min后，出口管钠气溶胶浓度基本在1.5 mg/m3以下。

图6 旋风分离器出口管内钠气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化

同样，将试验过程中监测的旋风分离器出口多组钠气溶胶浓度和粒度进行统计分析，得出如图7所示的旋风分离器出口处粒径分布。旋风分离器出口钠气溶胶中位粒径约为0.29 μm，且0.7 μm以上颗粒基本被完全除尽。

图7 旋风分离器出气管处粒径分布

5)过滤器压降

图8为两组钠燃烧过程中过滤器压降随钠燃烧时间的变化，可看出，过滤器压降随钠燃烧时间的变化是波动的。0～32 min过滤器压降随时间迅速增大，32～50 min压降有所降低，50～80 min过滤器压降缓慢增加，燃烧进行到80 min后，过滤器压降随时间基本无变化。过滤器起始压降为600 Pa左右，钠燃烧完全后，最终过滤器压降稳定在1 290 Pa左右。

图8 过滤器压降随钠燃烧时间的变化

6)过滤器出气管浓度和粒径分布

图9为第2组钠燃烧过程中，过滤器出气管处气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化，随着金属钠的燃烧，过滤器出气管的钠气溶胶浓度很低，基本在0.002 mg/m3以下，完全满足工业中5 mg/m3的安全排放要求。

图9 过滤器出气管处钠气溶胶浓度随钠燃烧时间的变化

同样，将试验过程中监测的过滤器出气管处的多组钠气溶胶浓度和粒度进行统计分析，得出如图10所示的过滤器出气管处粒径分布。可看出，过滤器出气管处钠气溶胶计数中位粒径约为0.2 μm，且粒径0.3 μm以上的颗粒所占比例基本为0，钠气溶胶基本被除尽。

图10 过滤器出气管处的粒径分布

7)旋风组钠气溶胶去除系统参数变化

系统的总去除效率可由试验过程中监测的工艺间和过滤器出气管处的多组钠气溶胶浓度进行统计分析，分别取一段时间内的平均值，可计算出样机系统对钠气溶胶的去除效率大于99.5%。图11为两组钠燃烧过程中，样机系统的气体流量随钠燃烧时间的变化。由于从主入口进入旋风分离器内气量、钠气溶胶浓度及温度是变化的，因此样机系统总进气量也是随着时间不断波动的，样机系统总进气量最大值为734 m3/h，最小值为705 m3/h。

图11 样机系统的气体流量随钠燃烧时间的变化

图12为两组钠燃烧过程中，样机系统压力随钠燃烧时间的变化。可看出，样机系统压力随钠燃烧时间的变化也是波动的，但整体呈现先增加后缓慢变化的趋势。金属钠燃烧过程中，样机系统压力最大值为4 755 Pa，最小值为3 800 Pa。

图12 样机系统总压力随钠燃烧时间的变化

3 结论

本文设计并建立了钠火工艺间和旋风组钠气溶胶去除系统，通过试验考察了钠火燃烧工况下样机系统的分离性能和压降等，验证了该气溶胶去除系统在工程应用的可行性，得到如下结论。

1)旋风分离器与过滤器结合的钠气溶胶去除系统对真实钠火工况下产生的钠气溶胶具有很好的去除功能，样机系统总去除效率大于99.5%，优于已应用到中国实验快堆的水浴除尘系统90%的去除性能，具有很好的工程应用可行性。

2)钠气溶胶的平均粒径为2～20 μm，而在旋风分离器出气管处已基本没有粒径大于0.7 μm的气溶胶颗粒，说明样机系统中的旋风分离器对较大颗粒的钠气溶胶具有很好的去除功能。

3)样机系统的压降主要包括旋风分离器压降、过滤器压降、管路沿程阻力损失和管路局部阻力损失。在试验过程中，样机系统的压力在3 800～4 755 Pa之间波动，旋风分离器+过滤器压降则在3 090～4 010 Pa之间波动，其余部分为管路系统阻力，约占总压降的15%～20%，工程应用阶段风机选型需综合考虑风机性能曲线和管路系统阻力两方面的因素。