核電廠一回路儲罐排氣凈化系統活性炭國產化替代方案

魏建軍，歐陽欽，付小軍，管玉峰，朱金雄，張 震

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

核電廠一回路儲罐排氣凈化系統活性炭國產化替代方案

魏建軍，歐陽欽，付小軍，管玉峰，朱金雄，張 震

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

田灣核電站1、2號機組一回路儲罐排氣凈化系統，設置了兩列碘吸附器，其功能為對進入儲罐的一回路排氣進行除碘凈化后排放。系統從調試安裝后，運行6年，活性炭出現了失效。由于庫存活性炭已經過了有效期，且俄方國內該型號活性炭已停產，電站開展了活性炭國產化研究工作。通過確定活性炭國產化性能指標、活性炭種類篩選、加工、活性炭浸漬、配比、性能測試、改進環節，成功實現了一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器活性炭的國產化替代工作。

儲罐排氣凈化系統；活性炭；替代

田灣核電站1、2號機組采用的是俄羅斯VVER-1000型核電機組，一回路采用4環路設計，額定熱功率為3 000 MW。在核燃料裂變反應過程中，一些放射性核素，如碘—131等伴隨裂變反應產生并釋放到一回路冷卻劑中。在機組換水過程中，這些放射性核素隨著冷卻劑一起進入儲罐中。

為了處理儲罐排氣中的放射性核素，電站設置了一回路儲罐排氣凈化系統。系統由俄羅斯設計，設有兩列，一用一備，每列均設有一個碘吸附器（KPL70AT002和KPL70AT004），系統功能為對進入儲罐的一回路排氣進行除碘凈化后排放。碘吸附器中安裝的活性炭為俄羅斯產品，型號為CKT-3И，于2004年調試期間安裝，運行6年后，活性炭失效，其對碘—131的凈化系數低于運行手冊的要求，需要更換。然而，庫存的俄供CKT-3И型活性炭為調試期間的備品，已經過了有效期，且俄羅斯國內已不生產該類型活性炭，鑒于以上情況，電站開展了一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器活性炭國產化替代工作。

一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器屬深床類型，裝載活性炭量多，阻力大，且活性炭為加工過的柱狀炭，因此，在替代過程中，如何在保證活性炭阻力不超標情況下，研制除碘性能滿足要求的活性炭成為本文的關鍵。

1 技術方案

1.1 技術方案原則

1）確保替代后活性炭吸附碘—131的性能滿足運行手冊要求，即凈化系數大于50。

2）避免替代后活性炭阻力超過運行限值，即活性炭前后壓差小于3.4 kPa。

1.2 技術方案內容及實施

1.2.1 確定活性炭國產化替代關鍵技術指標

活性炭技術指標包括顆粒成分、強度、含水量、堆積密度等物理指標和除碘效率要求，通過調研國內活性炭技術參數，結合俄方設計文件要求，明確了活性炭國產化替代關鍵技術指標[1]。

1.2.2 國產活性炭篩選及性能指標實驗室測試

（1）活性炭種類選擇

活性炭種類有很多，包括椰殼炭、煤基炭等，椰殼炭硬度、吸附性能雖然比其他種類炭好，但其貨源不穩定，不適合大量用作活性炭備品，而煤基炭貨源比較穩定，且通過添加浸漬劑等改性操作，可以提高其吸附性能，因此，一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器國產化活性炭選擇煤基炭作為主要吸附劑。

（2）活性炭浸漬

活性炭由于其比表面積比較大，通過與氣體分子的充分接觸，對單質碘的吸附效率很高，但其對碘有機化合物的吸附效率卻很低，因此，需要用化學試劑對活性炭進行浸漬，提高其對有機碘的吸附效率。一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器國產化替代活性炭，使用了碘化鉀溶液對活性炭進行浸漬，浸漬后沉積在活性炭表面的浸漬劑含量控制在炭重量的5%以內。浸漬后活性炭通過物理吸附和同位素交換（CH3131I+K127I→CH3127I+K131I），提高了除碘性能。

（3）性能指標測試

在實驗室測試了國產活性炭的物理性能指標，結果如表1所示。

表1 國產活性炭的物理性能指標Table 1 Physical properties of domestic activated charcoal

為了測試活性炭除碘性能，選取了較難去除的有機物甲基碘，并在低溫高濕最不利的條件下，進行吸附效率驗證試驗。試驗參數及結果如表2所示。

表2 實驗室除碘效率驗證試驗Table 2 Iodine removal efficiency proof test in laboratory

從以上實驗室性能測試結果看，國產化替代活性炭性能指標都滿足關鍵技術指標要求，堆積密度略大，可以適當調整裝載量進行控制。

1.2.3 活性炭更換及測試

在兩臺機組第3次大修期間，分別于2010年4月1日至4月15日和2010年5月30日至6月5日，使用研制的國產活性炭更換了1號和2號機組一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器活性炭，4臺碘吸附器原失效活性炭全部取出，裝入了合格的活性炭，活性炭床安裝厚度約45 cm，安裝后啟動系統試驗，運行阻力小于3.4 kPa。使用放射性甲基碘示蹤劑對活性炭進行測試，試驗結果如表3所示。

在國產活性炭安裝后服役過程中，為了檢驗活性炭除碘性能，于2010年8月9日和12月6日分別對2KPL70AT004和1KPL70AT004進行了吸附效率檢驗試驗，在4臺碘吸附器服役一個換料大修后，在兩臺機組第4次大修期間，對其進行了吸附效率檢驗試驗，試驗結果如表4所示，均滿足驗收準則要求。

表3 國產活性炭吸附效率試驗Table 3 Adsorption efficient test of domestic activated charcoal

表4 國產活性炭吸附效率檢驗試驗Table 4 Adsorption efficient check test of domestic activated charcoal

2 國產活性炭優化改進

從以上國產活性炭除碘性能驗證結果看，經過一個換料大修后，1號機組一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器1KPL70AT004除碘性能有所下降，且2號機組2KPL70AT004在使用同列風機運行時，其阻力偏大，大于3.4 kPa產生報警。

為了提高碘吸附器活性炭吸附性能，降低碘吸附器運行阻力，對以上現象產生的原因進行了分析，并針對原因實施了以下優化改進：

首先，由于國產活性炭堆密度比設計指標略大，為了減小碘吸附器運行阻力，安裝時減小了活性炭床厚度，降低了碘吸附器吸附容量。根據俄供СКТ-3И型活性炭技術指標，篩選了相近顆粒度的國產活性炭，并按照俄方運行和維修手冊1569-03-0005PЭ要求進行了滿裝，炭床安裝厚度約60 cm，安裝后其運行阻力較大為6.1 kPa左右，大于3.4 kPa的要求。在炭床橫截面積、系統風量和活性炭顆粒大小基本不改變情況下，碘吸附器運行阻力和炭床厚度近似成正比，為了減小阻力，將炭床安裝厚度調整為45 cm左右，炭床厚度減小后，運行阻力降為2.6 kPa左右，滿足運行要求。炭床厚度減小降低了碘吸附器的吸附容量，在炭床橫截面積、風量、活性炭顆粒大小和安裝密度基本不變情況下，碘吸附器的吸附容量和活性炭安裝厚度成正比，炭床厚度減小為45 cm后，碘吸附器吸附容量減小為原來的75%左右。這樣，推測國產活性炭床的使用壽命將比原俄供活性炭短。

其次，國產活性炭為煤質炭，種類單一，其吸附能力低。

針對以上原因，采取了以下措施：

措施一，通過增大活性炭顆粒，降低碘吸附器運行阻力，恢復活性炭床安裝厚度，增大活性炭安裝量，以增大碘吸附器吸附容量。

根據俄方運行和維修手冊要求，活性炭形狀為圓柱形。針對此要求，將活性炭重新加工成圓柱形浸漬煤質炭，增大了活性炭顆粒。通過在與現場同等比速0.4 m/s條件下，在60 cm厚度滿裝炭床上進行模擬實驗，確定4～10目的圓柱形活性炭（含8～10目椰殼炭以8:2比例混合）運行阻力滿足要求，試驗條件及結果見表5所示[2]。

在兩臺機組第4次大修期間，1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002和2KPL70AT004碘吸附器活性炭更換成了圓柱形活性炭，投運后其運行阻力分別為2.16 kPa、2.13 kPa、2.77 kPa和2.83 kPa左右，滿足小于3.4 kPa的要求。通過增大活性炭顆粒，成功降低了碘吸附器運行阻力，恢復了炭床滿裝厚度，增大了活性炭裝載量，增大了碘吸附器吸附容量。

措施二，添加吸附能力比較高的椰殼炭。活性炭顆粒增大后，吸附能力會有所下降。為了增大碘吸附器吸附能力，在圓柱形煤質炭中以8:2比例混合加入了8～10目的椰殼炭。通過5 cm厚度的試驗床效率試驗驗證，其吸附效率達到了95%，相當于凈化系數為20。碘吸附器炭床安裝厚度為60 cm左右，相當于12個厚度5 cm的炭床串聯，通過安裝后碘吸附器效率試驗驗證，1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002

和2KPL70AT004凈化系數分別為3 730、32 200、329 000和609 000，對應的效率分別為99.97%、99.99%、99.999%和99.999%，滿足大于98%的要求。

優化后的活性炭安裝到KPL70AT002和KPL70AT004碘吸附器后，經過一個換料大修的運行驗證，正常運行期間，兩臺機組一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器運行阻力正常，碘吸附器后沒有出現報警現象，在兩臺機組第5次大修期間分別對1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002和2KPL70AT004進行了吸附效率驗證，結果如表6所示。

表5 國產圓柱形活性炭阻力試驗條件及結果Table 5 Resistance test and result of domestic cylinder-shaped activated charcoal

表6 國產活性炭現場吸附效率驗證試驗Table 6 On-site verification test for the adsorption efficiency of domestic activated charcoal

3 結論

一回路儲罐排氣凈化系統碘吸附器活性炭國產化替代是田灣核電站機組廢氣處理系統碘吸附器活性炭首次開展的國產化替代，在活性炭種類選擇、性能參數測試、活性炭改性等方面積累了成功的經驗，為田灣核電站擴建工程及國內其他核電站活性炭選型提供了寶貴的借鑒：

1）確定合適的國產化技術指標，應包括活性炭顆粒成分、強度、濕度、堆密度、形狀及吸附效率等。

2）活性炭的種類應多樣化，應適當添加吸附性能較高的椰殼炭，以增大吸附效率。

3）活性炭應經過加工、改性以及在實驗室模擬炭床上進行性能指標測試等操作，以獲得滿足要求的活性炭。

4）國產化替代應控制活性炭的阻力，阻力過大，安裝的活性炭量就需要減少，碘吸附器的吸附容量降低。

[1] IODINE FILTER Operator's Manua.1569-03-0005РЭ.

[2] 中國輻射防護研究院.活性炭阻力測試報告[R].

（China Institute of Radiation Protection (CIRP). Test Report on Activated Carbon Retardation [R].）

Domestic Substitution of Activated Charcoal in the Primary Circuit Coolant Storage Tank Exhaust Purif cation System for Nuclear Power Plant

WEI Jian-jun，OUYANG Qin，FU Xiao-jun，GUAN Yu-feng，ZHU Jin-xiong，ZHANG Zhen
（Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China）

The primary circuit coolant storage tank exhaust purification system respectively has two activated charcoal adsorbers in Units 1 and 2 of Tianwan Nuclear Power Plant. Their function is to purify the exhaust gas from the primary circuit coolant and then discharged them to the atmosphere. Since commissioning, the system has been operating for six years and the activated charcoal become invalid at the sixth year. The period of validity of stock activated charcoal is up and this kind of activated charcoal has already stop production in Russia. So Tianwan nuclear power plant did research on domestic activated charcoal. The substitution of Russian activated charcoal with domestic ones has been realized successfully by means of determining performance index, screening, processing, impregnating, mixting, performance test and improving.

storage tank exhaust system；aactivated charcoal；substitution

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0031-05

TM623

A

1674-1617(2014)01-0031-05

2013-12-05

魏建軍（1981—），男，江蘇人，工程師，學士，從事核電廠設備性能分析與試驗工作。