一种安全壳长期卸压过滤系统的制作方法

本发明涉及一种安全壳长期卸压过滤系统，主要用于核电厂严重事故后期的安全壳超压保护和放射性物质滞留，同时本发明也适用于工业除尘除气过程。

背景技术：

核电作为一种清洁高效的能源越来越受到人们的青睐。尽管压水堆核电站在设计时已经执行了纵深安全原则，保证核电站在设计基准事故下的安全，但核电仍存在着发生超设计基准事故的风险，进而引发类似堆芯熔穿压力容器并且叠加全厂断电的严重事故。在发生超设计基准下的严重事故时，一回路高温高压的冷却剂泄漏到安全壳后迅速闪蒸汽化，从液体变为大量的高温蒸汽，同时，熔融堆芯也将与混凝土底板反应产生大量不凝结气体，随着事故的进行，有可能导致安全壳内的压力会逐渐升高，最终会因超压而破坏安全壳的完整性，造成放射性物质的外泄。

安全壳卸压过滤系统采用主动卸压的方式使安全壳内积聚的气体释放，降低安全壳内压力，从而使安全壳内压力不超过其承载限值，确保安全壳的完整性。同时，为了防止排放气体中的放射性产物对环境造成危害，通过系统的过滤装置对排放气体中的放射性物质进行过滤，主要包括放射性气溶胶、单质碘和气态甲基碘。

国内外关于安全壳卸压过滤系统的研发设计起始于20世纪60年代，最早是由法国研发设计的砂床过滤器，其工作原理是利用砂石的吸附和滞留作用过滤气体中的放射性物质。但是该系统只对固态的气溶胶颗粒有较好的滞留效果，对单质碘只起到延迟作用而不能有效去除，对于气态甲基碘则没有去除效果，且砂床长期放置存在砂石板结问题，因此砂床过滤器需定期进行通风维护。德国设计制造了一种金属纤维过滤器，采用不锈钢纤维组成多层滤网，利用金属纤维的吸附与滞留作用除去气体中的放射性物质，金属纤维层同样对固态气溶胶有较好的滞留效率，对单质碘只起到延迟效果，不能有效去除，对于气态甲基碘则没有去除效果，且通气后放射性物质主要存在于金属纤维层中，造成后续处理困难。为了提高对元素碘的去除效率，西门子公司设计了一种非能动的滑压运行过滤排放系统，该系统采用湿式文丘里洗涤器与金属纤维过滤器相结合的设计方式，安全壳排放的气体首先在文丘里洗涤单元中除去绝大部分的气溶胶和单质碘，粒径更小的气溶胶以及气流中携带的雾滴在金属纤维过滤单元中被过滤掉。该过滤器对亚微米级气溶胶和单质碘均有很高的过滤效率，但是对于气态甲基碘的过滤效率较差。甲基碘气体由于溶解度小以及与溶液的化学反应速率慢等特性，其去除效率的改善已经成为安全壳卸压过滤系统设计和改进过程中的共性难题，如何在保证系统简单可靠的同时改善甲基碘气体的去除效率是目前需要解决的重要问题。另外，在现有的湿式过滤系统中，由于放射性物质释放的衰变热会造成溶液蒸发，系统运行时间一般不超过24小时，因此，如何延长系统在严重事故后期的运行时间是系统设计需要考虑的另一个重要问题。

在现有的反应堆安全壳过滤系统中普遍采用了湿式与干式相结合的过滤方式，例如在专利号为CN204242599U和CN102723114A的专利中，均提到了采用文丘里洗涤器和金属纤维过滤器来进行过滤，但是两种专利中均没有给出系统的过滤效率，尤其是对甲基碘气体的过滤效率。在美国专利号为US 8142665 B2的专利中提到，通过在溶液中添加相转移催化剂甲基三辛基氯化铵(Aliquat336)的方法，来提高溶液对甲基碘气体的去除效率，但是由于Aliquat336本身具有易燃和结块的特性，很难实现工程上的应用。另外，还有文献中提到，可以采用装有活性炭或者银沸石等吸收材质的过滤器来改善甲基碘气体的去除效率，这种方法一方面会增加系统的复杂性，增加系统成本，另一方面，活性炭和银沸石等吸收材质对使用条件要求苛刻，同时也容易失效，仍然不是改善甲基碘气体吸收效率的最佳途径。

文丘里洗涤器对固体颗粒的去除能力与颗粒直径密切相关，当颗粒直径大于0.5μm时，文丘里洗涤器对固体颗粒具有出色的去除性能，此时惯性碰撞作用是尘粒去除的主要机制；当颗粒直径小于0.5μm时，颗粒的布朗运动的影响逐渐明显，目前常见的文丘里洗涤器对尘粒的捕集效率会迅速恶化。文丘里洗涤器也常用于气体吸收领域，但是对气体的吸收效率是有选择性的，当气体与化学溶液之间的吸收速率很快时，文丘里洗涤器的除气效率很高，而对于吸收速率较慢的情况，由于接触时间不足，使得除气效率难以满足要求。在鼓泡反应器内，气相以离散气泡的形式均匀的分散在连续的液相中，气液接触面积和接触时间都较文丘里洗涤器内有了极大的改善，为颗粒沉降和气体吸收过程提供了充足的表面积和滞留时间，因此对于化学吸收速率较慢的气体吸收过程，以及小粒径气溶胶有较为理想的过滤效果。本发明提出一种新型的过滤系统，包含了文丘里洗涤器和鼓泡反应器，并且采用一体化串联布置，并通过内部结构设计，有效的保证系统能够串联稳定运行。该设计结构简单，运行稳定，能够有效的保证安全壳的完整性，同时具有出色的除尘除气效率，尤其能够改善安全壳排放气体中的小颗粒气溶胶和甲基碘气体去除效率。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种一体化布置、结构简单、运行稳定并且具有高效除尘除气效率的安全壳长期卸压过滤系统。

本发明的目的是这样实现的：在壳体内设置有环形液体流动通道，环形液体流动通道外壁与壳体内壁之间形成鼓泡腔室，环形液体流动通道内壁之间形成倒T型的圆柱形的文丘里洗涤器腔室，且文丘里洗涤器腔室底部与环形液体流通通道的下端相连通，沿着文丘里洗涤器腔室周向均匀设置有自吸式文丘里洗涤器，每个自吸式文丘里洗涤器的下端入口均匀安全壳的卸放气体管路连通，环形液体流通通道的上端与鼓泡腔室相通，沿着鼓泡腔室下端的周向均匀设置有鼓泡系统，每个鼓泡系统包括鼓泡孔板和连通管，每个连通管的一端与对应的鼓泡孔板连接、另一端与文丘里洗涤器腔室的上方连通。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述自吸式文丘里洗涤器包括底面法兰、由下至上设置在底面法兰上的渐缩喷嘴、喉管段和扩张段，在喉管段上设置有不同长度的吸液管，喉管段外部设置有整流罩，整流罩连通有吸液管路，吸液管路的端部穿过环形液体流动通道后位于鼓泡腔室内，所述每个自吸式文丘里洗涤器的下端入口均匀安全壳的卸放气体管路连通是指每个自吸式文丘里洗涤器的渐缩喷嘴的下端穿过底面法兰后与安全壳的卸放气体管路连通。

2.鼓泡孔板是开有微孔通道的不锈钢平板，连通板与鼓泡孔板连接的端部是渐扩结构，渐扩结构当量直径与鼓泡孔板的当量直径相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明有更高的去除效率，尤其是对甲基碘气体的去除效率有明显改善。1、自吸式文丘里洗涤器具有非能动特性，在事故状态下不依赖外界电源，而是依靠流体固有特性以非能动的方式稳定运行。2、池式的鼓泡层反应器对甲基碘气体有较好的去除效果。3、自吸式文丘里洗涤器与鼓泡层反应器采用串联的一体化布置，结构简单，可靠性高。4、环形液体流动通道的设计，有效的保证了两种过滤器之间串联运行的稳定性，同时系统具有自动反馈调节特性，在系统启动和变工况时，依靠两种过滤器所在腔室内的液位波动，使系统能够相应工况变化而稳定运行。

附图说明

图1为本发明的整体结构的主视方向的示意图

图2为本发明的整体结构的俯视方向的示意图；

图3为本发明的文丘里洗涤器的结构示意图；

图4为本发明的鼓泡系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合附图1-4，本发明包括：(1)一种具有高效除尘除气效率的自吸式文丘里洗涤器1.1；(2)位于系统中心区域用于包络文丘里洗涤器的文丘里洗涤器腔室1.2，同时该腔室上部空间的静压力为气体进入鼓泡腔室1.3提供驱动力；(3)一种用于将连续气相分割为离散气泡的气泡发生系统；(4)位于系统外围的鼓泡吸收腔室1.3，气体在腔室内形成均匀泡状流，用于提高甲基碘气体吸收效率和对小粒径气溶胶的去除效率；(5)由文丘里洗涤器腔室1.2边界与鼓泡腔室1.3边界形成的环形液体流动通道1.4，依靠通道内液体的重力和液体在通道内的流动阻力，建立腔室1.2与1.3之间的静压差，从而保证两者具有稳定的串联关系。

图1所示为改进的安全壳卸压过滤系统的整体结构正视图，图中文丘里洗涤器腔室1.2和环形液体流动通道1.4均为半封闭的结构。其中，文丘里洗涤器腔室1.2为位于系统中心区域的倒T形的圆柱形不锈钢空腔，其上部与系统边界的内壁焊接连接，腔室底部与环形液体流动通道1.4连通；文丘里洗涤器腔室1.2的倒T结构一方面用于改变洗涤器出口气液两相流动方向，实现初级的气-液分离，减少气流中液滴的携带量；另一方面，倒T形结构有效的增加了鼓泡腔室1.3的容积，提高溶液装量。腔室的横截面积与鼓泡腔室1.3的横截面积之间满足一定的比例关系。腔室的下部空间布置了数组自吸式文丘里洗涤器1.1，文丘里洗涤器被吊装在进气管底部的气体分配腔室上。环形液体流动通道1.4的外壁面是由直径略大于文丘里洗涤器腔室1.2并与其同轴的倒T形圆柱形不锈钢空腔构成，环形液体流动通道1.4的内壁面则为文丘里洗涤器腔室1.2的外壁面。环形通道的外壁面底部与系统边界的内壁焊接连接，顶部与鼓泡腔室1.3连通。鼓泡腔室1.3是与文丘里洗涤器腔室1.2和环形液体流动通道1.4同轴的外围腔室，其内部装有一定体积的碱性硫代硫酸钠溶液，鼓泡腔室的环形空间的体积能够容纳去除甲基碘气体的溶液装量，同时能够保证液位波动幅度较小。连通管1.52的入口段贯穿于文丘里洗涤器腔室1.2的上部壁面，贯穿部分采用焊接连接。连通管1.52的出口与鼓泡孔板1.51采用螺栓连接，便于孔板的更换和维修。鼓泡孔板1.51整体和连通管1.52的下半段均浸没在溶液中。图2是系统的俯视图，其中文丘里洗涤器采用轴向均匀对称布置方式，结构紧凑，尽量减小所占的空间体积。鼓泡孔板1.51和连通管1.52也采用轴向均匀对称布置方式。另外，各腔室的边界同轴对称。所述的环形液体流动通道1.4，是溶液在文丘里洗涤器腔室1.2与鼓泡腔室1.3之间循环的连接通道，环形液体流动通道1.4与文丘里洗涤器腔室1.2之间由于液位差所引起的静压差，为排放气体进入鼓泡腔室1.3提供原始动力，其流通面积和轴向高度与文丘里洗涤器腔室1.2内压力以及鼓泡孔板1.5的流动阻力之间满足一定函数关系。

图3所示为自吸式文丘里洗涤器1.1的结构示意图，文丘里洗涤器的各部件均采用不锈钢材质，由渐缩喷嘴(收缩段)1.11、喉管段1.12、扩散段1.13、整流罩1.14、吸液管1.16以及吸液管路1.15组成。渐缩喷嘴1.11为气体的膨胀加速通道，气体流速在喷嘴出口处达到最大，同时静压降至最低，喷嘴的角度和出口面积是决定出口流速和静压的关键参数也即气流经过加速后在收缩段的出口形成低压区，出口的静压力与其收缩角和出口截面积直接相关。所述的喉管段1.12是连接收缩段1.11和扩张段1.13的直管结构，也是液体进入水洗器后发生雾化的主要区域，喉管段上布置有吸液管，吸液管伸入到喉管段内部，根据插入深度将吸液管分为长管、中长管和短管三组。喉管段的长度和吸液口的布置方式是影响除尘除气效率的关键因素。所述的扩张段1.13是流通截面积逐渐增加的气液两相流体区域，也是液滴除尘、除气过程的主要区域，其除尘、除气效率与扩散段的角度和长度密切相关。所述的整流罩1.14是连接喉管段1.12与吸液管路1.15的中间部分，其能够将水洗器喉管段内较低的静压力传递至吸液管路内，使溶液能够从鼓泡腔室1.3被引射进水洗器内部，同时溶液进入洗涤器前在整流罩1.14可以得到一定缓冲，提高引射液体的流动稳定性。所述的吸液管路1.15贯穿于鼓泡腔室1.3、环形液体流动通道1.4和文丘里水洗器腔室1.2，为文丘里水洗器提供必要的洗涤溶液，同时吸液管路1.15与文丘里水洗器腔室1.2、鼓泡腔室1.3以及环形液体流动通道1.4之间构成了溶液的循环回路，有效的改善了系统内溶液的循环，提高溶液利用率。溶液在内外压差的作用下经过吸液管路1.15被引射到洗涤器内部。洗涤器的收缩段1.11、喉管段1.12以及扩张段1.13为整体车削加工而成。收缩段1.11末端截面与初始截面之间的距离和截面面积比值通过实验确定，保证洗涤器内充足的引射量。在喉管段1.12安插不同长度的吸液管1.16，长管插至管道中央部分，中长管次之，短管安插在喉管段壁面处，这种设计一方面能够有效的改善液体雾化水平，增大气液接触面积，另一方面设计保证了除尘过程在各截面所需的相对速度，有利于改善小颗粒气溶胶的去除效率。喉管段1.12的外部安装有密闭的整流罩1.14，整流罩1.14是连接吸液管路1.15与文丘里洗涤器的中间部件，其能够将渐缩喷嘴1.11出口处形成的低压环境传递至吸液管路1.15的出口端。整流罩1.14整体焊接在收缩段1.11外壁面上。

图4所示为鼓泡系统的结构示意图，其主要由鼓泡孔板1.51和连通管1.52组成。所述的鼓泡孔板1.51将气相离散成大量细小的气泡，孔板的开孔直径、开孔数量和开孔布置方式采用优化设计，在保证排放流量的前提下减少气泡间的聚合效应，提高吸收效率。鼓泡孔板1.15是开有大量微孔通道的不锈钢平板，微孔尺寸和微孔数量以及排布方式根据甲基碘去除效率要求进行设计。鼓泡孔板1.51布置在鼓泡腔室1.3的底部，以此增大鼓泡层的高度，提高溶液的利用率。连通管1.52是气体从文丘里洗涤器腔室1.2进入鼓泡腔室1.3的通道。连通管1.52的入口段贯穿于文丘里洗涤器腔室1.2的上部壁面，贯穿部分采用焊接连接，在系统自身产生的静压差驱动下，经过文丘里洗涤器过滤后的气体通过连通管1.52由文丘里洗涤器腔室1.2进入鼓泡腔室1.3。连通管1.52的出口为渐扩结构，其当量直径与鼓泡孔板1.51的当量直径相同，两者之间采用螺栓连接，易于鼓泡孔板1.51的更换和维修。

下面结合工作原理对本发明进行描述：

本发明主要由改进的自吸式文丘里洗涤器1.1、文丘里洗涤器腔室1.2、鼓泡腔室1.3、环形液体流动通道1.4和鼓泡系统1.5组成。

所述的改进式自吸式文丘里洗涤器1.1是一种整体式的水洗器，排放气体在圆锥形的渐缩喷嘴1.11内膨胀加速，在喷嘴出口处流速达到最大，并形成低压区。喷嘴尺寸是决定喉部气速和喉部静压力的关键因素，进而影响引射量和除尘除气效率。水洗器溶液在洗涤器内外压差的作用下，经由吸液管路1.15从鼓泡腔室1.3进入整流罩1.14，并从吸液管1.16进入洗涤器内部。溶液在渐缩喷嘴1.11的出口处与高速气流接触，在相间拖曳力的作用下，溶液在喉管段1.12内被雾化成大量细小的液滴。喉管段上不同长度吸液管的设计可以有效地改善溶液雾化水平，提高尘粒与液滴之间的惯性碰撞效率，对于改善小颗粒气溶胶的去除效率有明显效果。扩张段1.13的内径和长度是决定液体雾化水平和流动阻力的关键因素，并且对两者的影响是相反的，因此设计中选择最佳尺寸，在满足过滤效率的同时将流动阻力降至最低。整流罩的设计可以使溶液再进入洗涤器前得到一定的缓冲从而提高引射流体的流动稳定性。

所述的文丘里洗涤器腔室1.2是倒T形的圆柱形腔室，腔室的下部空间安装文丘里洗涤器，腔室底部与环形液体流动通道1.4相连。系统运行时，腔室内的液位与环形液体流动通道1.4内液位之间由于高度差所形成的重位压头，是克服气体流动阻力使其进入鼓泡腔室1.3的原动力。当系统启动时，来自安全壳的卸放气体首先进入文丘里洗涤器，在洗涤器内完成对放射性物质的第一级过滤，经过文丘里洗涤器后绝大部分的放射性气溶胶和单质碘被滞留在溶液中，而气态甲基碘由于与溶液的反应速率较慢，只有少部分被溶液吸收，剩余部分随气流离开文丘里洗涤器。文丘里洗涤器出口上方是文丘里洗涤器腔室1.2的突缩部分，气液两相流体以较高的流速离开洗涤器出口后，撞击在腔室突缩段的内壁上，液相在撞击过程中流速降为零，并在重力作用下回落到文丘里洗涤器腔室1.2下方的液体空间，气流则继续沿壁面向上流动。随着文丘里洗涤器腔室1.2上方气体的不断积聚，腔室内的压力不断升高，文丘里洗涤器腔室1.2内的溶液在静压力作用下，被压入环形液体流动通道1.4内，使环形流动通道内的液位逐渐升高，根据静力学原理，文丘里洗涤器腔室1.2内的静压力P₁与液位差之间的关系为：

P₁＝ρg(H₁-H₃)+ΔP_f1+P₂ (1)

式中，ΔP_f1为液体在环形流动通道1.4内的流动阻力损失。由上式可知，随着文丘里洗涤器腔室1.2内液位的不断降低，腔室内的压力P₁不断升高，当压力P₁大于作用在鼓泡孔板1.51上的重位压头时，文丘里洗涤器腔室1.2内气体会沿连通管1.52经过鼓泡孔板1.51进入鼓泡腔室1.3。气体进入鼓泡腔室1.3的静力学条件为：

P₁＞ρg(H₂-H₄)+P₂ (2)

当气体通过连通管1.52和鼓泡孔板1.51进入鼓泡腔室1.3时，会在连通管1.52内和鼓泡孔板1.51处产生附加的流动阻力。当气流在系统中的流动达到稳定状态时，各腔室内的液位关系为：

ΔP_f1+ρg(H₁-H₃)＝ρg(H₂-H₄)+ΔP_f2 (3)

上式中的ΔP_f2为气流在连通管1.52内和鼓泡孔板1.51处产生附加的流动阻力。

同时，需要保证液体可以从鼓泡腔室1.3中引射到自吸式文丘里洗涤器1.1中。可以将吸液管路1.15入口处的压力P₃近似看作与鼓泡孔板1.51处的压力相同：

P₃＝P₁-ΔP_f2 (4)

为了保证水洗器能够被引射至文丘里洗涤器内部，文丘里洗涤器喉部压力P₄需要满足的静力学条件为：

P₁-ΔP_f2＞P₄ (5)

(H₂-H₄)是保证甲基碘气体去除效率所需的溶液高度，为了尽量保证液位的稳定，尤其是在工况变动条件下的液位稳定，文丘里洗涤器腔室1.2的体积和环形液体流动通道1.4的体积均远小于鼓泡腔室1.3的体积，从而保证液位(H₁-H₃)在很大范围内变化时不致引起(H₂-H₄)的较大波动，从而保证系统能够长期稳定运行。

所述的环形液体流动通道1.4，其高度是保证气体从连通管1.52进入鼓泡腔室1.3而不从文丘里洗涤器腔室1.2下部击穿的关键参数。其通道截面的设计能够保证液位对文丘里洗涤器腔室1.2内的压力变化具有很好的响应特性。在系统稳定运行时，环形液体流动通道1.4同时也是溶液在文丘里洗涤器腔室1.2与鼓泡腔室1.3之间循环的流动通道。自吸式文丘里洗涤器1.1通过吸液管路1.15从鼓泡腔室1.3抽吸溶液，在洗涤器内完成除尘和气体吸收后回落至文丘里洗涤器腔室1.2下部空间，然后从环形液体流动通道1.4溢流返回鼓泡腔室1.3。

所述的鼓泡腔室1.3，其内部装有一定浓度的碱性硫代硫酸钠溶液，气体从鼓泡孔板1.51喷出后，被离散成大量直径细小的气泡，并均匀的分散在溶液中，形成池式鼓泡层反应器，为甲基碘气体的吸收提供充足的接触面积和接触时间，同时也对气流中残存的小颗粒气溶胶和单质碘具有较好的过滤效果。鼓泡腔室1.3内的溶液装量，能够保证系统的长时间有效运行。

所述的鼓泡系统1.5，其特征是由鼓泡孔板1.51和连通管1.52组成。鼓泡孔板1.51是按照一定排布方式，开有大量微孔通道的圆形平板，微孔孔径和孔道高度以及微孔内的气体流动参数是影响气泡尺寸的重要因素，进而影响甲基碘去除效率。在总气量一定的条件下，根据质量守恒定律，鼓泡孔板1.51上的微孔尺寸、微孔数量以及鼓泡孔板1.51的数量之间满足如下关系：

式中，M为系统排放的总质量流量，ρ_g和u_g分别气流在微孔内的密度和流速，D为微孔直径，n为鼓泡孔板1.51上的微孔数量，N为系统中鼓泡孔板1.51的数量。上式中微孔直径D和微孔内的气体流速u_g通过甲基碘效率实验确定。连通管1.52是气体从文丘里洗涤器腔室1.2进入鼓泡腔室1.3的通道，其入口位于文丘里洗涤器腔室1.2的顶部空间，以此尽量避免气流中的液滴进入连通管1.52内部。联通管1.52数量与鼓泡孔板1.51的数量相同，其尺寸和布置方式的设计能够保证在额定工况下，气体的流动阻力满足方程3中的系统稳定运行条件。

综上，本发明主要由文丘里洗涤过滤系统、鼓泡过滤系统、非能动压力控制系统组成。文丘里洗涤过滤系统与鼓泡过滤系统采用同轴一体化布置，并依靠非能动压力控制系统使两套系统实现串联稳定运行，同时通过结构设计保证系统液位恒定，进而实现系统的长期运行。自吸式文丘里洗涤器1.1是系统的第一级湿式过滤器，安装在文丘里洗涤器腔室1.2的下部空间，混合气体经过文丘里洗涤器后，绝大部分的放射性气溶胶和单质碘被去除；鼓泡腔室1.3及其底部的鼓泡系统1.5是系统的第二级湿式过滤器，气体经过鼓泡系统1.5在腔室1.3内形成池式鼓泡层，鼓泡层内的气-液接触时间和接触面积均较大，能够去除粒径更小的气溶胶，剩余的微量碘和绝大部分的气态甲基碘；非能动压力控制系统依靠环形通道1.4内液位差形成的重位压头，维持文丘里洗涤器腔室1.2上部空间的压力稳定，进而保证文丘里洗涤器腔室1.2上部空间的气体能够顺利进入鼓泡腔室1.3中，建立串联通道。另外，环形液体流动通道1.4也是溶液在两种过滤器所在腔室之间循环的通道，提高了溶液的有效利用率。鼓泡腔室的体积相对较大，可以保持液位在较长的时间内稳定，有效的延长了系统的运行时间。这种新型的安全壳卸压过滤系统能够保证系统在稳态工况和变工况条件下，对放射性物质具有稳定的高效过滤效率，尤其改善了气态甲基碘气体的过滤效率，同时，系统投入的运行时间也得到大幅延长。