阿海珐公司组合式文丘里洗涤器安全壳过滤排放技术解析

阿海珐公司提供了两种不同类型的组合式文丘里洗涤器系统：

（1）由两个主要的留存阶段组成的标准的安全壳过滤排放系统；

（2）由三个主要的留存阶段组成的安全壳过滤排放系统，增强其对碘的留存能力。

D.1　阿海珐公司标准的安全壳过滤排放系统介绍

阿海珐公司标准的安全壳过滤排放系统包含一个文丘里洗涤器单元（见图D-1和图D-2），由文丘里洗涤器部分、组合式液滴分离器、金属纤维过滤器部分（湿/干深床过滤器）及用于滑压过程的节流孔板组成（见图D-3）。

图D-1　阿海珐公司组合式文丘里洗涤器安全壳过滤排放系统标准方案

安装后的文丘里洗涤器单元通过排放管道和隔离阀使一端连接到安全壳，另一端通过配备有节流孔板的管道连接到排放管。通过开启安全壳隔离阀，当安全壳达到相关排放压力时，安全壳过滤排放系统会被开启。当达到预期压力后，关闭安全壳隔离阀中的一个，可切断排放过程。

文丘里洗涤器部分在压力接近限定压力时开始运行。进入文丘里洗涤器的排出气流通过大量的水下文丘里喷嘴注入水池之中。随着含有气溶胶和碘的排放气流穿过文丘里管喷嘴的喉部，排放速率被加到很高，使洗涤液有效进入文丘里管的喉部。

由于洗涤液的洗涤和扩散，在文丘里喷嘴处产生了较大的反应表面，从而产生了对碘的额外吸附效果。为了最有效地留存碘，洗涤液中加有苛性钠和其他添加剂。

图D-2　标准化的安全壳过滤排放系统安装示例

图D-3　高速滑压过程——在排放阶段，质量流速与体积流速的比较

译者注：Pd指设计压力。

根据排放气体的高速度以及洗涤液和进入的排放气体之间的巨大速度差，超过99.5%的气溶胶被留存在水池之中，包括尺寸小于0.5μm的细化气溶胶（见图D-3）。排放气体离开水池后仍然含有少量的难以留存的极小气溶胶和来自水池的水滴。

为了在长的运行时间内保证高的留存效率，安装了高效过滤液滴分离器和干式操作金属纤维过滤器，作为第二个过滤阶段。金属纤维过滤器被安置在管道的上部垂直区域，以获得大的过滤表面积并优化过滤速度。

由于大部分气溶胶在洗涤池中被去除，金属纤维过滤器的热负荷和气溶胶负荷达到最小，从而可以避免堵塞。洗涤液的蒸发可确保在系统运行期间及下一阶段的衰变热得以留存。

根据在过滤排线管处的截留孔板的相关要求，文丘里洗涤器在压力接近正常的安全壳压力水平时以非能动的方式运行。滑压模式和特定的过程设计确保了系统在文丘里洗涤器阶段高速运行，并且在金属纤维过滤器阶段以有限速率运行，以使系统的功能得以最优化。

因此，当系统在低于设计压力下启动时，如在较高的安全壳压力（2倍设计压力）下系统启动延迟，质量流量将会进一步增大。然而，由于滑压过程（见图D-3）中留存阶段的运行速度保持在最佳操作条件下，因此能够实现所需的留存效率。在早期排放系统启动的情况下（如设计压力的一半或者更低），也可实现最优化的留存操作。

因此阿海珐公司的安全壳过滤排放系统提供了国际上认可的气溶胶留存效率大于99.99%，这也适用于尺寸小于0.5μm的微型气溶胶，在一个大的运行阶段内，对分子碘的总留存效率大于99%。因此在长时间的系统运行中，高速文丘里洗涤器运行的独特特点与高效金属纤维过滤器的结合使系统得以可靠运行。

D.2　阿海珐公司FCVS PLUS的描述

在堆芯熔化事故中，基于对相关因素的观察，有机碘的产生量很大。尽管预期的甲基碘的总量仍然较少，但当气溶胶和分子碘的去污因子很高时，未过滤的有机碘的影响是很大的。最近的研究表明，在严重事故中，安全壳的气体中会产生大量有机碘。因此，显著提高安全壳过滤排放系统对有机碘的留存效率是核能领域目前正在研究的一个很重要的性能优化问题。

阿海珐公司FCVS PLUS由现有的安全壳过滤排放系统标准版结合带有集成吸附剂的文丘里洗涤器组成（见图D-4）。

图D-4　阿海珐公司组合式文丘里洗涤器FCVS PLUS概图

在文丘里洗涤器和金属纤维过滤器区域，气体被净化和干燥之后被节流，这个通常被描述为等焓绝热过程。因此虽然下游孔板处温度降低，但气体进入分子筛段合理过热，避免了热量损失。在运行条件下，被动过程确保了分子筛内高的过热温度，从而保证了有机碘的高留存效率。

吸附剂留存阶段的特点是高稳定性。普遍用于工业技术中的分子筛被设计成特定物质的吸附剂，如有机碘。此外，这些吸附剂受中毒效应的影响很小，分子筛过滤器运行于废燃料元素的溶解过程中，例如，用于留存有机碘。

此外，由于组合式工艺，分子筛堵塞的可能性可以被排除。在文丘里洗涤器和金属纤维过滤器阶段，气溶胶和水滴被留存。分子筛完全是由不可燃的材料制成的，能够抵抗高温（＞300℃）。得益于高的负载能力，其能够留存指定数量的气溶胶。

D.3　性能

阿海珐公司用于安全壳过滤排放的高速滑压过程得到了国际上独立的第三方的认证。此外，所有相关的合格性测试通常都是大规模进行的。对原始高度的工艺段进行了广泛的测试，该段在相关参数方面具有充分的代表性，如文丘里管喷嘴、金属纤维过滤器、液滴分离器、吸收剂部分等的速度。

D.3.1　安全壳过滤排放系统标准版的性能

D.3.1.1 JAVA试验计划（大范围测试）

为了确定阿海珐安全壳过滤排放系统的总体留存效率，在德国卡尔什太因用大型碘和气溶胶留存效率测试设备进行了一个过程验证测试程序，获得了过滤器对气溶胶和碘的过滤效率及对气溶胶的负载能力。

用JAVA测试设备，使用满刻度的文丘里洗涤器，对不同尺寸大小的气溶胶，包括高渗透性的细化气溶胶和碘的留存效率进行测试。测试在以下条件中进行：蒸汽、空气及两者混合物，稳定状态和启动条件，1～10 bar的压力范围和大范围变化的流速。

此外，将二氧化碳添加到测试气体中来模拟熔融堆芯-混凝土相互作用的情形，研究二氧化碳对洗涤液中碘留存效率的影响。

而且，考虑到用于碘留存的化学添加剂，对洗涤液进行相关的研究和测试以确定其稳定性和可靠性。值得注意的是，洗涤液对气溶胶的留存没有任何负面影响。

水池在饱和水状况下运行，仅仅只有少量水从水池中流失，不需要补充洗涤液。

气溶胶的主要部分（＞99%），包括更小的气溶胶，将被留存在洗涤液中。这就意味着只有几千瓦衰变热会进入金属纤维过滤器中。

考虑到金属纤维过滤器面积大，相关热量可通过热传导的方式传输到容器外。此外，气流穿过过滤器时的对流换热允许有更高的衰变热负荷。然而该事实目前未被业界认可。

1）气溶胶的相关结果

测试结果表明，文丘里洗涤器结合金属纤维过滤器，在整个允许范围内，对气溶胶的留存效率大于99.999%（即使在低的气体流速条件下）。通过全谱分析进行相关气溶胶成分的测试，验证了对这些气溶胶的留存效率。

2）细化气溶胶的相关结果

使用一个完整的测试设备进行性能测试，结果表明对细化气溶胶的留存效率大于99.99%。

这种留存能力适用于尺寸小于0.5μm的极小气溶胶，因此气溶胶的粒度分布变化不会降低其留存效率。使用细化气溶胶进行专门的测试证实了这些细化气溶胶的留存效率。

3）碘/有机碘的相关结果

洗涤池中的水是碱性的，用来留存分子碘，不包括气溶胶。经测试，对分子碘的平均留存效率大于99.8%。

使用有机碘进行了这个测试，但在这个测试设备中有机碘会作为副产品生成。

因此，在洗涤池中可以观察到对有机碘的留存潜力。

4）再次悬浮/再次挥发的相关结果

此外，由于第二过滤阶段的高效率，即使是可溶的气溶胶，据发现的事实来看其再次挥发的量也是微小的。当运行时间超过24 h时，碘的再次挥发量少于0.1%。

D.3.1.2　ACE-阶段A（国际计划）

在国际ACE计划的框架中，在各个部门、各个研究机构及过滤器专家的参与下，国际社会讨论了相关的要求。他们最终对所有应用的安全壳过滤排放系统制定了标准化的测试条件。这些独立的国际测试，被视作公认的排放认证标准要求和在JAVA设备上进行的排放过程认证的补充。

对不同大小的气溶胶进行ACE测试，包括高渗透性的细化气溶胶和碘。在ACE测试设备中，使用阿海珐公司文丘里洗涤器的一个改进的部分，进行蒸汽/空气混合物（除了排放成分）的标准化测试。

ACE测试结果表明了不同的干式和湿式过滤设备在留存能力、负载能力和再悬浮影响方面的显著特点（在这项测试中，一些过滤器设计失败，一些未参与测试）。

1）气溶胶的相关结果

在这个测试系列中，湿式洗涤器系统（带有金属纤维过滤器的文丘里洗涤器）对使用的测试气溶胶显示了突出的过滤能力，并且有很高的去污因子。在测试条件下，阿海珐公司安全壳过滤排放系统的去污因子超过1000000。

对于高渗透性的细化气溶胶碎片，使用邻苯二甲酸二辛酯测试后期排放时主要的气溶胶释放情况，去污因子达到20000。

2）负载能力

只有组合式的洗涤器系统显示了高的负载能力（由于高气溶胶负载，深床过滤器系统对堵塞十分敏感，这对长期运行中的低流速、低安全壳压力情况很重要）。

3）碘的相关结果

在JAVA测试系列中，水池中的洗涤液是碱性的，目的是优化留存效率。可达到以下所要求的去污因子：对颗粒碘的去污因子超过3000000（气溶胶碘），在测试条件下，所有碘元素的去污因子达到300000。

4）再次悬浮的相关结果

由于第二阶段（金属纤维过滤器）的高过滤效率，再悬浮率非常低。即使是关键且有代表性的可溶性铯气溶胶，其再悬浮率也很低，24 h内剩余的气溶胶少于0.0034%。对于不可溶的气溶胶——比如锰，其再悬浮率比铯明显更低。

没有有效过滤阶段的洗涤器系统，气溶胶的再悬浮率显著更大。(www.xing528.com)

D.3.2　阿海珐FCVS PLUS的性能

在阿海珐FCVS PLUS的第三留存阶段中含有留存有机碘的高性能吸附剂

由于分离出了第三留存阶段，前面两个阶段的去污因子不受影响。因此，安全壳过滤排放系统标准版的性能完全适用于FCVS PLUS。

根据最新的规范及独立的第三方测试，已开始进行分子筛的测试计划（德国技术监督协会（TUV））。

1）吸附剂性能（实验室规模）

TUV已经被委派进行吸附剂介质的留存试验，来为优化和提高性能提供技术支持。有机碘持续注入蒸汽/空气混合物中，被引导穿过分子筛。在极端条件下，如极低过热、冷凝蒸汽条件、长期运行、放射性老化等，分子筛的性能应被确认，应进一步研究留存时间参数的影响。

2）大规模试验验证（JAVA PLUS）

以前的JAVA测试设备已被改进成JAVA PLUS测试设备（见图D-5）。这个测试设备是为了安全壳过滤排放系统的测试专门建造的，包含特殊仪表和过程控制。

图D-5　计算机模型和JAVA PLUS测试设备（德国卡尔什太因）

为了证明相关运行条件下的留存效率，尤其是为了优化过程设计，以及避免不可预测的实验室规模效应的影响，进行了如下测试：

（1）频繁启动；

（2）安全壳压力变化下的连续操作；

（3）气体成分变化；

（4）其他测试。

组合式的洗涤器容器（原始高度）及注入的质量流量代表的比例系数大约为真正排放系统的1/10（根据需要）。因为单个工艺段集成在原有规模尺寸中，所以能够产生代表性结果。

为了改善实际技术设计并验证FCVS PLUS中补充的有机碘保留段的留存效率，用JAVA PLUS测试设备进行了大规模有机碘留存测试。在具有代表性的工艺段的各种工艺条件下，已经证实了对有机碘的去污因子大于50。

3）TUV实验室测试和整体大型测试验证试验（JAVA PLUS）的有机碘留存效率比较

比较JAVA PLUS大型测试验证试验与TUV实验室规模测试，相比从大型测试验证试验获得的去污因子（＞50）来说，实验室规模的有机碘去污因子显著更高（10～100）。

观察到的规模效应/因素通常由局部不同的运行条件引起（如速率、温度、扰动、表面反应、化学浓度等），可能由下面的参数引起：

（1）在大规模的留存单元中，不同的操作状况和流体动力学。

（2）器壁效应，如由重型机械设计引起（重量、留存设备的壁厚、混合布置限制、过滤和吸附成分，等等）。

（3）混合物及留存物质的表面传质效应（如影响气泡的大小和质量，反应表面的可及性）。

（4）复合传热的影响（如冷表面和边界结合局部的低流速可能导致无法预料的缓慢加热过程）。

（5）污垢的影响（实验室条件不干净）。

（6）瞬态操作条件（如升温和降温操作条件，包括频繁操作）。

（7）整个验证过程中所测量因素的综合影响，结合了下面两点：

①节流/膨胀干燥处理内部被动生成过热焓；

②如上文所述，真正机械设备的留存（考虑现实的传热效果和瞬态操作条件下的加热和冷却所造成的热损失，包括频繁启动等）。

4）总结

如果简单地将实验室测试结果复制到全尺寸留存设备中，则报告的实验室测试结果可能出现不切实际的高留存因子及操作特性。采用常见的工业实践的原理和方法来进行完整的大规模原型测试（通常在比例系数为1/10的范围内），可提供非常可靠的结果。因此，完整的大规模留存测试的方法可提供可靠的结果，为许可程序奠定良好的基础。

D.3.3　性能总结

阿海珐公司的安全壳过滤排放系统解决方案普遍是符合要求的。为了确定不同的气溶胶特性（如溶解性、吸湿性、密度、气体条件，等等）及最大的直径范围（包括0.1μm微粒），在不同的气流和气体含量条件下，对各种各样的气溶胶类型进行了测试。

使用的气溶胶如下：

（1）BaSO4，固体；

（2）Uranine，可溶，细化气溶胶；

（3）SnO2，固体，细化气溶胶，可能有高、低浓度；

（4）CsI，吸湿，可溶；

（5）MnO，固体；

（6）DOP，固体，细化气溶胶。

此外，对气态碘的留存进行了测试（分子碘和有机碘）。

这些性能是基于最具代表性的大规模的测试得到的。作为扩展，其他独立的第三方测试（ACE和TUV）也包括在内。测试结果如表D-1所示。

表D-1　阿海珐组合式文丘里洗涤器的过滤排放系统的大规模测试结果汇总

注：在严苛条件下测量：非碱性pH值，非浸没式文丘里喷嘴。不代表正常操作。

D.4　许可/遵循标准

不同的核电站有不同的要求和标准。

D.5　参考

世界范围内，超过50个安全壳过滤排放系统运用在压水堆、沸水堆和VVER能量反应堆核电站中（德国、瑞士、荷兰、芬兰、保加利亚、加拿大、中国、韩国、日本……）。

D.6　主要特点

主要特点可以概括如下：

（1）捕获的裂变产物的衰变热，其平均值从大于100 kW到大于1000 kW；

（2）在长期和短期排放操作中，可靠的放射性留存；

（3）氢安全（系统设计可以承受的氢燃烧负荷）。

系统在以下方面非常高效：

（1）受益于高速湿式洗涤技术和最有效的干式金属纤维过滤器的综合优势，中期和长期操作很可靠；

（2）FCVS PLUS最大的气溶胶的留存效率大于99.99%（DF＞10000），对于分子碘大于99.5%～99.9%（DF＞200～1000），对于有机碘大于98%（DF＞50）；

（3）对气溶胶和碘具有较大的过剩储存能力，如大于200～500 kg；

（4）对不同类型和大小的气溶胶和碘，在滑压和温度增加的条件下，可进行完整的过程验证；

（5）返回安全壳的再循环活动；

（6）其他。