浸渍活性炭燃点影响因素研究

俞　杰，马莉娜，张　伟，刘　群，魏　鹏，张　渊，侯建荣，李永国，张雪平

浸渍活性炭燃点影响因素研究

俞杰1，马莉娜1，张伟2，刘群1，魏鹏2，张渊1，侯建荣1，李永国1，张雪平1

（1. 中国辐射防护研究院，山西 太原 030006；2. 台山核电合营有限公司，广东 台山 529200）

本文以椰壳活性炭为基材，研究了浸渍剂TEDA含量、KI含量、风速、堆积体积对燃点的影响规律，并利用均匀性试验设计建立数学模型，对改性活性炭燃点进行燃点预测以及实验验证。结果表明：TEDA浸渍后的活性炭燃点低于基炭，随着TEDA含量的升高，活性炭燃点收敛于335 ℃；少量的KI能够显著降低活性炭的燃点，但随着KI浸渍比例的再升高，其燃点有所升高，但不会高于基炭；燃点随通过活性炭层空气流速和堆积体积的增大而降低。均匀性试验设计得到的回归方程燃点计算值与实际测量值具有较好的一致性，可以利用此方程在一定范围内对燃点进行预测。

活性炭；碘吸附器；燃点

碘吸附器是核空气净化系统控制流出物放射性气态碘达到安全排放的关键设备，它对单质碘和以甲基碘为主的有机碘化物气体具有极高的捕集效率，可阻止或减少气态放射性碘进入核设施中可居留的工作厂房或大气环境中，从而保证工作人员、公众及环境的安全。

碘吸附器所用吸附剂通常是采用TEDA和KI等化学试剂改性处理后的椰壳活性炭，但这些化学试剂的加入会降低活性炭的燃点，火灾危害性分析数据中[1]：碘吸附器所用浸渍活性炭燃烧所释放的热量约35 MJ/kg。目前核设施常用的Ⅰ型折叠式碘吸附器和Ⅱ型抽屉式碘吸附器单台活性炭装载量分别约40 kg、30 kg，Ⅲ型深床式碘器的单台活性炭装载量有时能够达到1 t，因此，碘吸附器的火灾荷载不容小觑。在核电发展史上碘吸附器的着火的事故也有报道[2]，1970年美国一座核电厂的碘吸附器运行情况下被上游设置的碘加热器加热使其发生火灾。1986年美国Perry核电厂碘吸附器通风系统在运行结束后，未进行完全冷却就停止了通风，碘吸附器活性炭被系统余热加热到了350 ℃，通入3 h氮气后才将温度降低至常温。而在德国也有碘吸附器着火相关报道，其中一例是由于在吸附器小室愉进行焊接而引起，另一例是吸附器上游的一组空气加热器短路造成了火灾。因此科学地研究核级活性炭燃点影响因素，对电厂的防火安全具有重要意义。而国内对活性炭着火的研究[3-6]都基于活性炭原炭，并没有对改性活性炭，尤其是核设施用核级活性炭进行系统的影响因素分析。因此，本文以椰壳活性炭为基材，研究了浸渍剂TEDA含量、KI含量、风速、堆积体积对核级活性炭燃点的影响规律，为通风系统防火设计和正确评价碘吸附器用活性炭的安全性提供依据。

1　实验材料与实验设备

1.1　实验材料

LY-999椰壳活性炭（8～16目），碘化钾（纯度：99%），三乙烯二胺（纯度：99.5%），去离子水。

1.2　实验设备

KSD-Ⅵ燃点测量仪，FA2204B电子分析天平，Setsys Evolution热重分析仪，GZX-9140MBE电热鼓风干燥箱。

2　样品的制备

准确称取1.5 kg的活性炭，在1.2 kg的去离子水中分别加入15 gTEDA晶体，搅拌充分溶解后加入上述活性炭中，搅拌均匀后置于干燥箱中，在80 ℃恒温条件下烘干至恒重，得到浸渍比例为1%TEDA改性活性炭。按上述方法再分别制备TEDA和KI含量分别为1%、2%、3%、4%、5%的样品以及混合浸渍的系列样品，备用。

3　试验结果与讨论

3.1　燃点影响因素研究

3.1.1KI含量对燃点的影响

取1%、2%、3%、4%和5%KI浸渍椰壳活性炭样品，依据国家标准《活性炭燃点测试方法》（GB/T 20450—2006）[7]测量燃点，为保证结果的可靠性，对每组样品重复进行了3次测量。

图1给出了不同KI含量下活性炭燃点测试结果，可以看出，浸渍剂KI对活性炭的燃点有明显的影响作用，当在基炭中加入1%KI时，着火有明显的下降，由原来的397 ℃降低至323 ℃，低于行业标准不低于330 ℃要求，出现此现象的主要原因是碱金属对活性炭的氧化具有催化作用；然而，再加入浸渍剂KI，其燃点却呈现出缓慢上升趋势，但总体上其燃点均低于基炭。这可能是由于增大催化剂用量并不能持续降低氧化反应能垒，反而由于KI的离子晶格结构和良好的热稳定性对其产生了一定的阻燃作用，因此产生燃点升高的现象。

图1　不同KI含量下活性炭燃点

3.1.2TEDA含量对燃点的影响

为考察TEDA含量对燃点的影响规律，按上述方法对TEDA含量为1%、2%、3%、4%和5%椰壳活性炭进行了燃点测试，实验结果如图2所示。

图2　不同TEDA含量下活性炭燃点图

可以看出，TEDA对活性炭燃点也有显著的影响作用，当加入1%TEDA后，活性炭燃点降低至353 ℃。TEDA易挥发，当温度升高时，气流中有机蒸气浓度的升高容易引发燃烧，从宏观上看为燃点降低。但随着TEDA量的增大，燃点有缓慢下降趋势，最终收敛至335 ℃左右。

3.1.3气体流速对燃点的影响

活性炭燃点不仅与活性炭自身物化性质有关而且也与外界条件有密切的关系，本部分就气体流速对燃点的影响进行了研究。以目前国内CPR1000机组的几个重要通风系统流过碘吸附器的面速为依据，进行燃点测试实验设计。表1为实验所用五种风速。

表1　核电厂系统风量与实验设计风速

图3给出了浸渍活性炭燃点与气流流速之间的关系曲线图，可以看出，通过活性炭的气流流速对燃点有影响，流速与燃点呈正相关关系。空气的流通具有冷却与促进氧化双重效果，在核电厂通风系统中，由于维持活性炭氧化所需的氧气比较充足，大量的气流带走热量是控制活性炭的燃点的主要因素，气体流速越大，通过活性炭单位面积的气体量也越大，带走的蓄积在活性炭层中的热量就越多，从而对活性炭起到了冷却效果，表现为活性炭的燃点随气体流速的升高而升高。

图3　不同风速下浸渍活性炭燃点

3.1.4堆积体积对燃点的影响

碘吸附器类型不同，活性炭装填量和堆积密度也有很大的差别。此外，从深床式碘吸附器中卸载出的旧活性炭均装在废物桶中，由于活性炭导热能力差，大量的活性炭的堆积也有可能引发活性炭的自燃，因此本部分研究了活性炭堆积体积对燃点的影响。

以浸渍椰壳活性炭为研究对象，在15 L/min的气体流速条件下，分别对堆积体积为8 ml、16 ml、24 ml和32 ml的活性炭燃点进行了测量，其中吸附床截面积为5.306 6×10-4m2，实验结果如图4所示。

图4　不同体积下浸渍活性炭的燃点

图4给出了浸渍活性炭燃点与活性炭堆积体积之间的关系曲线图，可以看出，随着炭床厚度的增加，浸渍椰壳活性炭燃点呈下降趋势，基本为一次线性关系，这是由于活性炭的导热系数小，随着体积的增大，活性炭与空气氧化生成的热量难以扩散，蓄积在活性炭内部，加速其氧化；因此，随着活性炭床深度的增加，活性炭的着火危险性增加。

3.2　均匀性试验方法设计及实验验证

目前，国内碘吸附器中所采用的活性炭是由KI和TEDA两种浸渍剂按一定比例混合改性，因此，为明晰不同比例的双组份浸渍剂对活性炭燃点的影响规律，利用均匀性设计方法研究了KI和TEDA在1%～5%范围内的混合浸渍活性炭燃点试验。

由于KI和TEDA单组份在1%～5%范围内对活性炭燃点的影响接近于一次方程，因此设计KI和TEDA混合浸渍活性炭的燃点模型为一元二次方程，从均匀性实验设计表中查找KI和TEDA两种因素在一定范围内具有均匀代表性的水平试验点，设计2因素5水平试验，进行燃点的测试。

表2给出了KI和TEDA两组份混合浸渍活性炭燃点均匀性试验因素水平以及对应的燃点测试结果，对上述试验结果进行回归分析，得到其回归方程为：

表2　实验设计与结果

为检验上述二元线性回归方程的可信性，对回归方程进行方差分析，其方差分析表如表3所示。

表3　方差分析

由方差分析知，＞0.05（2，2）所求得的回归方程显著，该回归方程是可信的。由回归方程可知：1的系数为正，表明燃点随因素1的增加而增加；而2的系数为负，表明燃点随因素2的增加而降低，因此，在确定燃点优选方案时，1的取值应偏上限而2的取值应偏下限。但在实际应用中，不仅需要考虑活性炭的燃点，更重要的是还要考虑浸渍配比对放射性碘的去除效率，因此，在实际应用中应综合考虑效率和燃点，提出活性炭改性最优方案。

为验证上述回归方程在实际应用中的可行性，随机制备了4%KI/1%TEDA、2%KI/3% TEDA、3%KI/2%TEDA的混合浸渍椰壳活性炭，对其进行燃点测试，并与回归方程的计算值进行比较，结果如表4所示。

表4　测量结果与计算结果对比

可以看出，对于随机配制的三种样品，由均匀性实验方案得出的二因素五水平活性炭燃点回归方程的计算值与实际测量值都非常相近，两者之间的偏差都在2 ℃范围内，因此，在不方便进行浸渍活性炭的燃点测试的情况下，可以利用此方程对其进行预测。

4　结论

本文以椰壳活性炭为基材，研究了浸渍剂TEDA和KI含量、风速、堆积体积对燃点的影响规律，并利用均匀性试验方法建立数学模型，对改性活性炭燃点进行预测以及实验验证，结果表明：

（1）浸渍剂KI和TEDA的加入能够影响活性炭的燃点，其中TEDA浸渍后的椰壳活性炭燃点低于基炭，随着TEDA含量的升高，活性炭燃点收敛于335 ℃；而少量的KI能够显著降低活性炭的燃点，但随着KI浸渍比例的再升高，其燃点有所升高，但不会高于基炭。

（2）活性炭燃点随通过气流比速的增大而升高，随堆积体积的增大而降低。

（3）利用均匀性试验设计得到了浸渍活性炭的燃点回归方程，其燃点计算值与实际测量值具有较高的一致性，因此，在一些不方便进行浸渍活性炭的燃点测试的情况下，可以利用此方程在一定范围内对燃点进行初步预测。

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［7］ 活性炭燃点测试方法：GB/T 20450—2006［S］．

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Study on Factors Affecting the Ignition Point of Nuclear Grade Activated Carbon

YU Jie1，MA Lina1，ZHANG Wei2，LIUQun1，WEI Peng2，ZHANG Yuan1，HOU Jianrong1，LI Yongguo1，ZHANG Xueping1

（China Institute for Radiation Protection，Shanxi of Taiyuan Prov. 030006, China）（Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.Ltd., Guangdong of Taishan Prov. 529200, China）

In this paper, coconut-based activated carbon was used as the substrate to study the influence of impregnation agent TEDA content, KI content, air flow rate, and volume of activated carbon on the ignition point of activated carbon. In addition, the mathematical model was established by using the uniform design, and the ignition temperature of impregnation activated carbon was predicted and verified. The results show that the ignition point of activated carbon after TEDA is lower than the initial carbon. With the increase of TEDA content, the ignition temperature of activated carbon converges to 335°C. A small amount of KI can significantly reduce the ignition temperature of activated carbon, but with the increase of KI content. The ignition temperature is raised, but it is not higher than the initial activated carbon. The ignition temperature decreases as the air flow rate increase which through the activated carbon layer. And the ignition temperature decreases as the volume of activated carbon increase. The regression equation obtained by the uniformity design and has a high consistency with the actual measured value, and the equation can be used to predict the ignition point within a certain range.

Activated carbon; Iodine absorber; Ignition point

O69

A

0258-0918（2021）06-1154-05

2021-03-11

山西省应用基础研究计划项目（201701D221095）

俞杰（1985—），甘肃武威人，副研究员，硕士，现主要从事核空气净化技术研究