核电厂一回路储罐排气净化系统活性炭国产化替代方案

魏建军，欧阳钦，付小军，管玉峰，朱金雄，张 震

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

核电厂一回路储罐排气净化系统活性炭国产化替代方案

魏建军，欧阳钦，付小军，管玉峰，朱金雄，张 震

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

田湾核电站1、2号机组一回路储罐排气净化系统，设置了两列碘吸附器，其功能为对进入储罐的一回路排气进行除碘净化后排放。系统从调试安装后，运行6年，活性炭出现了失效。由于库存活性炭已经过了有效期，且俄方国内该型号活性炭已停产，电站开展了活性炭国产化研究工作。通过确定活性炭国产化性能指标、活性炭种类筛选、加工、活性炭浸渍、配比、性能测试、改进环节，成功实现了一回路储罐排气净化系统碘吸附器活性炭的国产化替代工作。

储罐排气净化系统；活性炭；替代

田湾核电站1、2号机组采用的是俄罗斯VVER-1000型核电机组，一回路采用4环路设计，额定热功率为3 000 MW。在核燃料裂变反应过程中，一些放射性核素，如碘—131等伴随裂变反应产生并释放到一回路冷却剂中。在机组换水过程中，这些放射性核素随着冷却剂一起进入储罐中。

为了处理储罐排气中的放射性核素，电站设置了一回路储罐排气净化系统。系统由俄罗斯设计，设有两列，一用一备，每列均设有一个碘吸附器（KPL70AT002和KPL70AT004），系统功能为对进入储罐的一回路排气进行除碘净化后排放。碘吸附器中安装的活性炭为俄罗斯产品，型号为CKT-3И，于2004年调试期间安装，运行6年后，活性炭失效，其对碘—131的净化系数低于运行手册的要求，需要更换。然而，库存的俄供CKT-3И型活性炭为调试期间的备品，已经过了有效期，且俄罗斯国内已不生产该类型活性炭，鉴于以上情况，电站开展了一回路储罐排气净化系统碘吸附器活性炭国产化替代工作。

一回路储罐排气净化系统碘吸附器属深床类型，装载活性炭量多，阻力大，且活性炭为加工过的柱状炭，因此，在替代过程中，如何在保证活性炭阻力不超标情况下，研制除碘性能满足要求的活性炭成为本文的关键。

1 技术方案

1.1 技术方案原则

1）确保替代后活性炭吸附碘—131的性能满足运行手册要求，即净化系数大于50。

2）避免替代后活性炭阻力超过运行限值，即活性炭前后压差小于3.4 kPa。

1.2 技术方案内容及实施

1.2.1 确定活性炭国产化替代关键技术指标

活性炭技术指标包括颗粒成分、强度、含水量、堆积密度等物理指标和除碘效率要求，通过调研国内活性炭技术参数，结合俄方设计文件要求，明确了活性炭国产化替代关键技术指标[1]。

1.2.2 国产活性炭筛选及性能指标实验室测试

（1）活性炭种类选择

活性炭种类有很多，包括椰壳炭、煤基炭等，椰壳炭硬度、吸附性能虽然比其他种类炭好，但其货源不稳定，不适合大量用作活性炭备品，而煤基炭货源比较稳定，且通过添加浸渍剂等改性操作，可以提高其吸附性能，因此，一回路储罐排气净化系统碘吸附器国产化活性炭选择煤基炭作为主要吸附剂。

（2）活性炭浸渍

活性炭由于其比表面积比较大，通过与气体分子的充分接触，对单质碘的吸附效率很高，但其对碘有机化合物的吸附效率却很低，因此，需要用化学试剂对活性炭进行浸渍，提高其对有机碘的吸附效率。一回路储罐排气净化系统碘吸附器国产化替代活性炭，使用了碘化钾溶液对活性炭进行浸渍，浸渍后沉积在活性炭表面的浸渍剂含量控制在炭重量的5%以内。浸渍后活性炭通过物理吸附和同位素交换（CH3131I+K127I→CH3127I+K131I），提高了除碘性能。

（3）性能指标测试

在实验室测试了国产活性炭的物理性能指标，结果如表1所示。

表1 国产活性炭的物理性能指标Table 1 Physical properties of domestic activated charcoal

为了测试活性炭除碘性能，选取了较难去除的有机物甲基碘，并在低温高湿最不利的条件下，进行吸附效率验证试验。试验参数及结果如表2所示。

表2 实验室除碘效率验证试验Table 2 Iodine removal efficiency proof test in laboratory

从以上实验室性能测试结果看，国产化替代活性炭性能指标都满足关键技术指标要求，堆积密度略大，可以适当调整装载量进行控制。

1.2.3 活性炭更换及测试

在两台机组第3次大修期间，分别于2010年4月1日至4月15日和2010年5月30日至6月5日，使用研制的国产活性炭更换了1号和2号机组一回路储罐排气净化系统碘吸附器活性炭，4台碘吸附器原失效活性炭全部取出，装入了合格的活性炭，活性炭床安装厚度约45 cm，安装后启动系统试验，运行阻力小于3.4 kPa。使用放射性甲基碘示踪剂对活性炭进行测试，试验结果如表3所示。

在国产活性炭安装后服役过程中，为了检验活性炭除碘性能，于2010年8月9日和12月6日分别对2KPL70AT004和1KPL70AT004进行了吸附效率检验试验，在4台碘吸附器服役一个换料大修后，在两台机组第4次大修期间，对其进行了吸附效率检验试验，试验结果如表4所示，均满足验收准则要求。

表3 国产活性炭吸附效率试验Table 3 Adsorption efficient test of domestic activated charcoal

表4 国产活性炭吸附效率检验试验Table 4 Adsorption efficient check test of domestic activated charcoal

2 国产活性炭优化改进

从以上国产活性炭除碘性能验证结果看，经过一个换料大修后，1号机组一回路储罐排气净化系统碘吸附器1KPL70AT004除碘性能有所下降，且2号机组2KPL70AT004在使用同列风机运行时，其阻力偏大，大于3.4 kPa产生报警。

为了提高碘吸附器活性炭吸附性能，降低碘吸附器运行阻力，对以上现象产生的原因进行了分析，并针对原因实施了以下优化改进：

首先，由于国产活性炭堆密度比设计指标略大，为了减小碘吸附器运行阻力，安装时减小了活性炭床厚度，降低了碘吸附器吸附容量。根据俄供СКТ-3И型活性炭技术指标，筛选了相近颗粒度的国产活性炭，并按照俄方运行和维修手册1569-03-0005PЭ要求进行了满装，炭床安装厚度约60 cm，安装后其运行阻力较大为6.1 kPa左右，大于3.4 kPa的要求。在炭床横截面积、系统风量和活性炭颗粒大小基本不改变情况下，碘吸附器运行阻力和炭床厚度近似成正比，为了减小阻力，将炭床安装厚度调整为45 cm左右，炭床厚度减小后，运行阻力降为2.6 kPa左右，满足运行要求。炭床厚度减小降低了碘吸附器的吸附容量，在炭床横截面积、风量、活性炭颗粒大小和安装密度基本不变情况下，碘吸附器的吸附容量和活性炭安装厚度成正比，炭床厚度减小为45 cm后，碘吸附器吸附容量减小为原来的75%左右。这样，推测国产活性炭床的使用寿命将比原俄供活性炭短。

其次，国产活性炭为煤质炭，种类单一，其吸附能力低。

针对以上原因，采取了以下措施：

措施一，通过增大活性炭颗粒，降低碘吸附器运行阻力，恢复活性炭床安装厚度，增大活性炭安装量，以增大碘吸附器吸附容量。

根据俄方运行和维修手册要求，活性炭形状为圆柱形。针对此要求，将活性炭重新加工成圆柱形浸渍煤质炭，增大了活性炭颗粒。通过在与现场同等比速0.4 m/s条件下，在60 cm厚度满装炭床上进行模拟实验，确定4～10目的圆柱形活性炭（含8～10目椰壳炭以8:2比例混合）运行阻力满足要求，试验条件及结果见表5所示[2]。

在两台机组第4次大修期间，1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002和2KPL70AT004碘吸附器活性炭更换成了圆柱形活性炭，投运后其运行阻力分别为2.16 kPa、2.13 kPa、2.77 kPa和2.83 kPa左右，满足小于3.4 kPa的要求。通过增大活性炭颗粒，成功降低了碘吸附器运行阻力，恢复了炭床满装厚度，增大了活性炭装载量，增大了碘吸附器吸附容量。

措施二，添加吸附能力比较高的椰壳炭。活性炭颗粒增大后，吸附能力会有所下降。为了增大碘吸附器吸附能力，在圆柱形煤质炭中以8:2比例混合加入了8～10目的椰壳炭。通过5 cm厚度的试验床效率试验验证，其吸附效率达到了95%，相当于净化系数为20。碘吸附器炭床安装厚度为60 cm左右，相当于12个厚度5 cm的炭床串联，通过安装后碘吸附器效率试验验证，1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002

和2KPL70AT004净化系数分别为3 730、32 200、329 000和609 000，对应的效率分别为99.97%、99.99%、99.999%和99.999%，满足大于98%的要求。

优化后的活性炭安装到KPL70AT002和KPL70AT004碘吸附器后，经过一个换料大修的运行验证，正常运行期间，两台机组一回路储罐排气净化系统碘吸附器运行阻力正常，碘吸附器后没有出现报警现象，在两台机组第5次大修期间分别对1KPL70AT002、1KPL70AT004、2KPL70AT002和2KPL70AT004进行了吸附效率验证，结果如表6所示。

表5 国产圆柱形活性炭阻力试验条件及结果Table 5 Resistance test and result of domestic cylinder-shaped activated charcoal

表6 国产活性炭现场吸附效率验证试验Table 6 On-site verification test for the adsorption efficiency of domestic activated charcoal

3 结论

一回路储罐排气净化系统碘吸附器活性炭国产化替代是田湾核电站机组废气处理系统碘吸附器活性炭首次开展的国产化替代，在活性炭种类选择、性能参数测试、活性炭改性等方面积累了成功的经验，为田湾核电站扩建工程及国内其他核电站活性炭选型提供了宝贵的借鉴：

1）确定合适的国产化技术指标，应包括活性炭颗粒成分、强度、湿度、堆密度、形状及吸附效率等。

2）活性炭的种类应多样化，应适当添加吸附性能较高的椰壳炭，以增大吸附效率。

3）活性炭应经过加工、改性以及在实验室模拟炭床上进行性能指标测试等操作，以获得满足要求的活性炭。

4）国产化替代应控制活性炭的阻力，阻力过大，安装的活性炭量就需要减少，碘吸附器的吸附容量降低。

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

[2] 中国辐射防护研究院.活性炭阻力测试报告[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

魏建军（1981—），男，江苏人，工程师，学士，从事核电厂设备性能分析与试验工作。