一体式安全壳过滤排放系统的制作方法

本发明涉及的是一种核电厂事故处理装置，具体地说是安全壳超压保护和放射性物质滞留处理装置。

背景技术：

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益加重，新型清洁能源越来越受到人的重视，其中核电作为一种清洁高效的能源在世界范围内得到广泛应用。为了防止放射性泄漏，核电厂设有三道安全屏障，其中核电厂安全壳是防止放射性产物释放到环境的最后一道安全屏障。在日本福岛事故以后，核电厂严重事故后期的安全壳超压问题受到广泛关注，当反应堆发生超设计基准的严重事故时，一回路冷却剂释放到安全壳内，并闪蒸为蒸气，同时，熔融的堆芯还会与底部混凝土反应不断生成不凝性气体造成安全壳内压力不断升高，最终可能超过安全壳的压力承载限值而破坏安全壳的完整性，造成发射性物质的泄漏，污染环境。为了防止这种情况的发生，核电厂安装了安全壳泄压过滤系统，通过主动排放的方式降低安全壳内的压力，同时通过系统上的过滤装置，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、单质碘和甲基碘气体，最大程度的减少释放到环境中的放射性剂量。

国内外关于安全壳泄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，该系统采用湿式过滤系统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湿式过滤系统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约为50％。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us8142665b2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。现有的大多数系统去除甲基碘的能力都很有限。银离子通过化学反应能够有效的去除甲基碘气体，因此将银离子通过置换反应与多孔沸石结合形成的银沸石材料对甲基碘气体有很好的去除效果。但是银沸石与甲基碘的化学反应条件较为苛刻，一方面需要较高的温度环境，另一方面对湿度要求较高，当载气中含有蒸汽时，蒸汽凝结将会造成多孔介质失效，因此蒸汽要求处于过热状态，避免冷凝。正是由于上述的使用条件的限制，所以银沸石过滤器一直未在工程上得到应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供有效解决银沸石失效问题的一体式安全壳过滤排放系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一体式安全壳过滤排放系统，其特征是：包括压力容器、银沸石过滤系统、金属纤维过滤系统、湿式过滤系统；所述压力容器上方的顶部设置系统出口，压力容器上方的侧面设置系统入口，压力容器下方的底部设置下泄口，压力容器下方的侧面设置上充口；所述银沸石过滤系统包括上端板、下端板、外围板、内围板，上端板和下端板自上向下分别固定在压力容器里，内围板和外围板由内向外固定在下端板上，上端板、下端板、外围板、内围板共同围成银沸石腔室，银沸石腔室里填充有银沸石，上端板、下端板与压力容器的侧壁构成空气隔热层，空气隔热层与外围板之间形成环形预热通道，内围板的内部设置限流孔板，内围板上设置微孔，上端板上设置出气孔，下端板上设置流通孔；所述金属纤维过滤系统包括疏水层、预过滤层、精过滤层，疏水层、预过滤层、精过滤层自外向内设置形成环形结构，并设置在下端板下方；所述湿式过滤系统包括排气母管、射流式气体排放管束组件、静态混合组件、圆柱形衬筒，圆柱形衬筒固定在压力容器内部的下部，圆柱形衬筒的外壁与压力容器内壁之间通过紧固件支撑，圆柱形衬筒里设置静态混合组件，排气母管上端与环形预热通道相通，排气母管的下端穿过静态混合组件伸入至其下方并安装射流式气体排放管束组件，圆柱形衬筒内部以及外部均充有化学水洗溶液；系统入口与环形预热通道相通，上端板的出气孔与系统出口相通，上充口位于化学水洗溶液上方。

本发明还可以包括：

1、银沸石腔室里设置折流板，折流板将银沸石腔室分成内外两个腔室，两腔室底部连通，出气孔布置在外侧腔室上方的上端板上，微孔开设在内围板的上半部分，气流通过限流孔板经内围板上半部分的微孔进入银沸石腔室的内侧腔室，折流至银沸石腔室底部，从上端板的出气孔流出。

2、所述的金属纤维过滤系统的剖面为六边形结构，六边形结构的每个边构成一个组件，每个组件包括疏水层、预过滤层、精过滤层。

3、射流式气体排放管束组件的排气口出气方向垂直向下，圆柱形衬筒底部开有溶液循环通道，圆柱形衬筒内部和外部的化学水洗溶液通过溶液循环通道相通。

4、圆柱形衬筒满足如下关系：

ρgh1-ρogh2＝δpf1+δpf2

式中，ρ为化学水洗溶液密度，g为重力加速度，h1为圆柱形衬筒外部的液位高度，h2为圆柱形衬筒内部两相液位高度，δpf1为圆柱形衬筒内部两相上升段流动阻力，δpf2为圆柱形衬筒侧壁溶液循环通道处的局部流动阻力。

本发明的优势在于：

1、装置采用一体化布置的方式，结构简单，布置紧凑，节约空间。

2、湿式过滤系统，金属纤维过滤系统和银沸石过滤系统串联运行，能够保证系统对放射性气溶胶、单质碘和气态甲基碘都有高效的过滤效率。

3、通过合理的结构设计，充分利用排放气体自身的热量对银沸石过滤器进行前期预热和后期的持续加热，结合节流过热技术，充分保证银沸石工作在高温低湿环境，有效的解决了工程上银沸石吸湿失效的问题，改善了甲基碘气体的吸收效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为银沸石过滤系统横截面图；

图3为金属纤维过滤系统的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明主要由湿式过滤系统1.1、金属纤维过滤系统1.2、银沸石过滤系统1.3以及系统压力边界1.4组成。

湿式过滤系统1.1包括射流式气体排放管束组件1.11，静态混合组件1.12，圆柱形衬筒1.14以及化学水洗溶液1.13。射流式气体排放管束组件1.11是由一系列互相平行的管束组成的气体排放通道，管束的出口浸没在化学溶液1.13中，系统投入运行时，来自安全壳的排放气体经过环形预热通道1.34和排气母管1.42后从管束出口排入化学溶液1.13中。气体排放管束的数量和管道直径是优化设计的结果，能够保证在额定参数条件下，单根管束内的气体流量满足射流条件，进而增加了气溶胶的惯性沉降效率。排放气体从管束射入化学溶液1.13中一段距离以后，连续的气相在剪切力的作用下分散成不同尺寸的气泡，气泡动量也逐渐损失，最终在浮力的作用下向上运动，在此过程中，气泡中携带的放射性气溶胶在质量力和惯性力的作用下部分沉降在液相中，而碘蒸气通过扩散到达气液界面，并以传质的方式进入液相，与溶液中的溶剂发生化学反应，也被部分吸收。所述的静态混合组件1.12是由纵横交错的栅格组件叠加而成的搅混件，上升气泡在穿过静态混合组件的过程中，大气泡被栅格切割成尺寸较小的气泡，有效增加了气液接触面积；被切割后的小气泡在交错栅格中继续做折线运动，一方面增加了气液接触时间，同时也增大了气液界面的湍流度，这些对于气溶胶沉降和气体吸收都是有利的。在静态混合组件1.12中，气泡中携带的绝大部分大粒径气溶胶和单质碘被滞留在液相中。所述的圆柱形衬筒1.14是用来固定和支撑静态混合组件1.12的圆筒形部件，射流式气体排放管束组件1.11和静态混合组件1.12均位于衬筒内部，衬筒底部的侧壁面上开有一定数量的溶液循环通道1.16，系统运行时，衬筒内部为气液两相流，衬筒外部为单相液体，在密度差的驱动下，衬筒内外之间的流体形成自然循环，增大溶液的利用率。为了保证稳定的自然循环能力，系统设计时满足如下关系式：

ρgh1-ρogh2＝δpf1+δpf2(1)

式中，ρ为溶液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h1为衬筒外围的液位高度，m；h2为衬筒内侧两相液位高度，m；δpf1为衬筒内两相上升段流动阻力，pa；δpf2为衬筒侧壁圆孔处的局部流动阻力，pa。

所述的化学溶液1.13是湿式过滤系统的主要过滤工质，是以氢氧化钠和硫代硫酸钠为溶质的水溶液，溶质主要用来吸收绝大部分的碘和部分甲基碘，反应方程式如式1～2所示。溶液中氢氧化钠和硫代硫酸钠的质量分数能够保证对碘有高效的吸收效率，同时对系统结构材料的腐蚀较小。系统在初始启动阶段，排放气体中的蒸汽会在溶液中冷凝，造成溶液装量增加，当溶液温度达到饱和以后，蒸汽过热度释放以及气溶胶的衰变热会导致溶液不断蒸发，溶液量逐渐减少。该系统中化学溶液的初始装量能够保证系统连续有效运行36小时。

所述的金属纤维过滤系统1.2是位于湿式过滤系统1.1上方的干式过滤系统，主要由一系列板状的纤维过滤器组成，纤维过滤器沿厚度方向分为三类过滤组件，最外层是疏水层1.21，由疏水性材料叠加压制而成，排放气体离开溶液时携带的部分液滴在疏水层被拦截下来，拦截下来的液体依靠重力沿疏水材料间隙向下流动，并从输水管1.24回落至液体空间。纤维过滤器的中间层为粗过滤层1.22，是由丝径较粗的金属纤维丝层叠压制而成，粗过滤层主要依靠惯性碰撞和拦截效应去除气流中携带的中等粒径的气溶胶，粗过滤层的关键结构参数为滤层厚度和填充密度，需要综合考虑除尘效率、容尘量和流动阻力损失等因素进行优化。纤维过滤器的最后一层为精过滤层1.23，是由丝径较细的金属纤维丝层叠压制而成，在精过滤层内，纳米级气溶胶粒子的布朗运行成为其在金属纤维过滤器中沉降的主要机制。精过滤层的主要结构参数为滤层的厚度和填充密度，需要综合考虑除尘效率、容尘量和流动阻力损失等因素进行优化。

所述的银沸石过滤系统1.3作为最后一级过滤系统，位于金属纤维过滤系统1.2的上部空间，主要由银沸石过滤器1.31、环形预热通道1.34、环形空气隔热层1.35以及限流孔板1.36组成。银沸石过滤器1.31内部填充大量的载银沸石颗粒，银离子与甲基碘的化学反应速率较快，而沸石作为多孔介质具有较大的比表面积，二者结合对于甲基碘气体有高效的过滤效率。但是这种材料对使用条件较为苛刻，银离子与甲基碘的化学反应需要高温条件，而沸石材料对湿度又较为敏感，实验结果表明，在高温干燥情况下，银沸石对甲基碘气体的吸收效率可达95％以上，而银沸石吸湿以后，过滤效率不足30％，因此，要维持高效的甲基碘气体吸收效率必须保证较高温度和较低的湿度。环形预热通道1.34是保证银沸石过滤器工作条件的关键结构设计，该通道是位于银沸石过滤器外围的气体流动通道，也是排放气体进入过滤系统的初始通道，当气体进入系统时通过对流换热和蒸汽凝结换热，将混合气体的显热和蒸汽潜热热量传递给银沸石过滤器外壁面，然后通过热传导对银沸石过滤器内的沸石颗粒进行预热。在沸石预热阶段，湿式过滤系统中的化学溶液1.13处于过冷状态，排放气体进入溶液以后，气体中的蒸汽在溶液中被凝结下来，离开时为单相冷空气，在该阶段进入银沸石过滤器的气体湿度较小，不会造成沸石吸湿失效，另外空气热容相比于蒸汽热容可以忽略不计，不会影响沸石的升温过程；在系统稳定运行阶段，系统入口1.41处的压力与银沸石过滤器入口压力的数学关系如式4所示，由式4可知，由于流动阻力损失，系统入口压力始终大于银沸石过滤器的入口压力，相应的饱和蒸汽温度也高于沸石过滤器入口处的蒸汽温度，考虑入口气体与银沸石过滤器外壁面的导热温差，系统设计能够保证沸石温度始终高于入口气体温度，有效的避免了气体中蒸汽的遇冷凝结现象。

pi＝δp1+δp2+δpf1+δp3+δp4+pyi(4)

式中，pi为系统入口压力，pa；δp1，δp2，δp3和δp4分别为气体流动过程中在预热通道、射流排放管束、金属纤维过滤器以及节流孔板位置处的阻力损失，pa；pyi为银沸石过滤器系统入口压力，pa。

所述的环形空气隔热层1.35是减少预热通道内气体热量散失的隔热结构，主要利用空气热阻减少由于导热造成的气体品质降低速率。隔热层的厚度决定了主流气体和系统外壁面的导热温差。限流孔板1.36是保证银沸石过滤器工作条件的另一个关键结构设计，限流孔板1.36是位于银沸石过滤器入口侧的圆筒形多孔围板，气流在流经限流孔板1.36的过程中，绝热节流降压，气体温度不变，使气体达到当前压力下的过热状态，有效避免了蒸汽在银沸石过滤器中凝结现象。所述的环形预热通道1.34结构设计，结合空气隔热层1.35和限流孔板1.36结构，能够有效的保证银沸石过滤器始终工作在高温低湿环境，进而有效的保证了甲基碘气体的过滤效率。

图1所示为一体式安全壳卸压过滤系统的整体结构示意图，装置从上到下分别为银沸石过滤系统1.3、金属纤维过滤系统1.2和湿式过滤系统1.1。图2是银沸石过滤器系统1.3的横截面图，由图可知，银沸石过滤器1.31与环形预热通道1.34、空气隔热层1.35、限流孔板1.36以及系统压力容器1.44采用同轴布置。银沸石过滤器1.31的腔室由外围板1.32、内围板1.33和上下端板1.38、1.37构成，其中外围板1.32和内围板1.33焊接固定在下端板1.37上，内围板1.33的上半部分开有大量微孔，孔径小于银沸石颗粒直径，是气流进入银沸石过滤器的入口通道。折流板1.39将银沸石过滤器内部空间分为内外两个腔室，两腔室底部联通，气流从内侧腔室上部进入，折流至腔室底部，然后反向向上流动，增加气体与沸石的接触时间，气体被过滤后从上端板1.38的出气孔排出，然后从系统出口1.43排至环境。空气隔热层1.35的内壁面和银沸石过滤器1.31的外壁面构成了环形预热通道1.34的曲面边界，环形预热通道1.34的流通面积保证了气流与银沸石过滤器壁面换热效率所需的气相流速，排放气体从系统入口1.41进入后，经过环形预热通道对银沸石过滤器进行预热，然后经由排气母管1.42进入湿式过滤系统1.1。空气隔热层1.35是焊接在压力容器内壁面上的密闭腔室，利用空气热阻减少气体与压力容器壁面的热量传导。限流孔板1.36焊接在下端板1.37上，上边缘与上端板1.38端面密封，限流孔板的开孔率决定了气体进入银沸石过滤器的过热度。

金属纤维过滤系统1.2通过法兰和螺栓结构吊装在银沸石过滤系统1.3的正下方，连接端面密封。金属纤维过滤系统的具体结构形式如图3所示，从图中可知，金属纤维过滤器呈六边形布置，每一个边为一个组件，每一个组件分为疏水层1.21、预过滤层1.22和精过滤层1.23，各层之间通过法兰串联连接。纤维过滤器底部安装有密封板1.25，使载气从侧面垂直穿透纤维过滤器横截面。

湿式过滤系统1.1主要包括射流式气体排放管束组件1.11、静态混合组件1.12、圆柱形衬筒1.14以及化学水洗溶液1.13。排气母管1.42从上方垂直穿透静态混合组件1.12，并在静态混合组件1.12底部将气流分配给射流式气体排放管束组件1.11，射流式气体排放管束组件1.11与排气母管1.42焊接连接，排气口出气方向垂直向下。静态混合组件1.12固定在圆柱形衬筒1.14的内壁上，而圆柱形衬筒1.14焊接支撑在压力容器下封头上，衬筒底部开有一定数量的溶液循环通道1.16，为了防止系统运行过程中由于流体冲击而造成的衬筒晃动，衬筒外壁面与压力容器内壁面之间通过紧固件1.15连接。上述的射流式气体排放管束组件1.11、静态混合组件1.12和圆柱形衬筒1.14全部浸没早化学水洗溶液1.13液位以下，压力容器1.44侧壁和底部封头分别有溶液上充1.45和下泄口1.46，用于装填和更换化学溶液。

本发明一体式安全壳过滤排放系统，主要包含湿式过滤系统1.1、金属纤维过滤系统1.2和银沸石过滤系统1.3，各系统之间采用自上而下的立体式串联布置方式；其中湿式过滤系统1.1位于系统底部，通过水洗的方式去除绝大部分的放射性气溶胶和单质碘；金属纤维过滤系统1.2位于系统中部，通过物理过滤的方式去除气流中携带的液滴和粒径更小的气溶胶；银沸石过滤系统1.3位于系统的顶部，依靠银离子与甲基碘气体的化学反应去除气流中的放射性甲基碘气体。

所述的射流式气体排放管束组件1.11与排气母管1.42连接，管束出口垂直淹没在化学溶液1.13中，管束组件数量和尺寸能够保证气流在管束出口处满足射流条件，在气体射流区和气泡上升区，大部分大粒径气溶胶和碘被滞留在溶液中。

所述的静态混合组件1.12位于射流式气体排放管束组件1.11上方一定距离处，依靠交错的栅格结构将上升气泡进一步剪切成尺寸更小的气泡，增大气液接触面积；同时气泡在静态混合器内形成交错横向运动，增加气体在液相中的滞留时间，气泡在静态混合组件内部运动过程中绝大大部分大粒径气溶胶和碘被滞留的溶液中。

所述的圆柱形衬筒1.14与过统压力容器1.44同轴，用于支持静态混合组件1.12，同时衬筒内外侧流体在密度差的作用下形成自然循环流动，增加溶液的利用率。

所述的化学溶液1.13是按一定质量浓度配比的氢氧化钠和硫代硫酸钠混合溶液，该溶液配比能够保证对碘有效去除，同时对结构部件的腐蚀作用较小。

金属纤维过滤系统1.2由疏水层1.21、粗过滤层1.22和精过滤层1.23组成。

疏水层1.21是金属纤维过滤器的第一级过滤器，采用疏水性蓬松纤维毡叠加而成，用于去除气流中携带的液滴，纤维毡厚度与疏水效率和流动压降成一定比例关系。

粗过滤层1.22是金属纤维过滤器的第二级过滤器，采用丝径较粗的纤维毡层叠压制而成，通过惯性碰撞和拦截作用去除中等粒径的气溶胶。

精过滤层1.23是金属纤维过滤器的最后一级过滤器，采用丝径较细的纤维毡层叠压制而成，通过布朗拦截作用去除小粒径的气溶胶。

银沸石过滤系统1.3由银沸石过滤器1.31、环形预热通道1.34、环形空气隔热层1.35以及限流孔板1.36组成。

所述的银沸石过滤器1.31是一个空心圆柱形的容器，容器内部通过隔板分为内外两个腔室，两个腔室内均填充载有银离子的沸石颗粒，能够有效去除气体中的放射性甲基碘气体，两腔室底部联通，用于改变气体流动方向，增加接触时间。

所述的环形预热通道1.34是由银沸石过滤器1.31的外壁面和空气隔热层1.35的内壁面构成的环形气体流动通道，也是排放气体进入系统的初始通道；排放气体流经预热通道过程中，对银沸石过滤器1.31进行预热，保证银沸石吸收甲基碘所需的温度环境。

所述的空气隔热层1.35是用来隔离预热通道1.34内混合气体与系统外壁面直接接触的环形空气腔室，利用空气热阻减少混合气体散热。

所述的限流孔板1.36是位于银沸石过滤器1.31内侧的多孔围板，排放气体经过限流孔板后一方面使流动更加均匀，同时还起到节流降压作用，增加混合气体过热度，保证银沸石与甲基碘气体反应所需的过热度，限流孔板的开孔率与排放气体流量和所需的过热度有关。

系统采用一体化串联立体布置，通过气体流路自上而下的设计，有效利用排放气体的能量对银沸石过滤系统进行预热和保温，同时利用排放气温度随压力的变化关系，保证混合气体进入银沸石过滤器后水蒸汽不会发生凝结现象，确保甲基碘气体的高效过滤效率。