利用空压机闲置产能制备氮气的可行性研究

2021-11-30鲁陈林黄照焦胡杨

科学与信息化 2021年28期

鲁陈林黄照焦胡杨

中国核电工程有限公司北京 100840

引言

目前我国核电厂的氮气供应主要来自于外购液氮储存在液氮罐中，当要使用氮气时，液氮经汽化器汽化减压后送到用户。虽然储存液氮汽化能够解决核电厂氮气需求的问题，但是却存在以下几个问题，一是需要单独建立子项，占用大量厂区面积；二是需要外购液氮进行储存，由于液氮温度极低，在向液氮储罐充灌过程中极易导致操作人员冻伤，带来安全隐患。三是配套建设的液氮气化设备使用率不高，并且需要外购液氮，灵活性及经济性不高。随着核电厂越来越多的参与电网的调峰调频，目前核电厂的一些运行矛盾已逐渐暴露：一是核电厂不能满功率运行的情况下，怎样合理的利用核电厂的现有设备提高利用率，降低设备的折旧成本；二是利用核电厂自身设备的特点进行技术优化，实现一机多用的目的；三是降低核电厂的建造成本和运营成本。目前的外购液氮进行储存汽化供氮的方式已不能满足核电厂调峰调频下核电厂一机多用，使用灵活安全可靠的要求，因此寻找新的供氮方式势在必行。为解决这一突出问题，本文以某钠冷快堆为例，结合核电厂空压机的使用负荷情况及制取氮气的发展趋势，利用核电厂空压机的闲置产能制备氮气进行研究，研究表明利用空压机闲置产能制备氮气是一种使用灵活、安全性高、经济性好的氮气制取方式，提高空压机的利用率，可有效降低核电厂的建造及运行成本。

1 变压吸附制氮原理

变压吸附（PSA）制氮是以空气作为原料，在吸附塔中装上吸附剂碳分子筛，利用碳分子筛对空气中的氮气、氧气及其他气体的不同吸附性来筛选气体进行收集，进而得到纯度为98.0000%~99.9995%的氮气[1]。碳分子筛作为吸附剂，对氧气、氮气等气体的吸附性不同，通过增压可提高碳分子筛对氧气的吸附作用，通过降压可降低对氧气的吸附作用，进而对氮气和氧气进行分离，其原理图如图1所示。

图1 PSA制氮碳分子筛分离原理图

通过对吸附压力进行控制，进而从空气中分离出氮气，氮气的纯度与氮气产量成反比关系，氮气的产量越大，纯度越低[2]。由于变压吸附（PSA）制氮稳定性好，不需单独建立子项占用大量厂区用地，不需要外购液氮，节省大量液氮采购成本及后期液氮的交通运输成本。不考虑液氮储存时的蒸发因素，制氮设备无须专人值守，日常维护检修方便，降低了人力成本，能够连续不间断稳定运行，产量调节灵活，使用方便，因此可在核电厂进行应用。

2 空压机闲置产能制备氮气工艺流程

利用空压机闲置产能制备氮气的工艺流程如图2所示。空压机的配置：四台无油、水冷、箱式螺杆式空气压缩机组，排气量≥35Nm3/min，进气压力1005.3~1022.3hPa；排气压力0.9MPa，排气温度≤42℃。冷干机的处理气量与空压机排气相匹配，空压机排气量可调节[3]。由于空压机的负荷根据核电厂的功率情况进行调节，因此可监测空压机的负荷因子判断空压机的运行状况，对于核电厂未满功率运行的情况下，部分压缩空气输送给其他用户，制氮设备所需压缩空气通过空压机出口调节阀调节进入冷干机，再通过过滤器除去空气中的水分、油、颗粒等杂质，进而把干净的压缩空气送到吸附塔中进行吸附。通过调节吸附塔中空气的压力，运用碳分子筛对氧分子进行吸附，没有被吸附的氮气则通过另一侧进入氮气储罐中。当一侧的吸附塔吸附完成后，为使两侧的吸附压力维持平衡，则需要两台吸附塔的上下均压阀完成均压，使压缩空气进入另外一个吸附塔进行吸附，同时吸附氧气并把未被吸附的氮气送到氮气储存罐中，并在此过程中之前的吸附塔需要进行降压进行解吸，如此循环往复进行氮气的收集并储存。氮气收集后，应用在线氮气分析仪进行纯度分析，当纯度达不到使用要求时需排除制备的氮气，直到制备的氮气达到所要求的氮气使用要求时分别在低压氮气储罐和高压氮气储罐中进行储存和使用，以满足用户的使用要求。

图2 空压机闲置产能制备氮气的工艺流程

在某钠冷快堆的氮气用户中，氮气系统的主要功能是抑制钠火，作为灭火剂喷洒的驱动力；停堆期间，对蒸汽发生器充入氮气保养，钠水事故期间，对蒸汽发生器充入氮气保护；维持某些设备或房间的惰性气体，吹扫氮气监测支路，降低放射性本底水平等多种功能，氮气系统对核电厂的安全稳定运行起着至关重要的作用，因此氮气的制备与储存在整个核电厂的寿期内显得尤为重要。各个氮气用户的情况如表1所示：