放射性废油蒸汽重整尾气分析方法研究_顾文露.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 3放射性废油蒸汽重整尾气分析方法研究顾文露1,林 力1,梁 毅1,张家衡1,吴 璇1,沈恩伟2,熊扣红2(1.中国核动力研究设计院,成都 6 1 0 2 1 3;2.核电运行研究(上海)有限公司,上海 2 0 0 1 2 0)摘要:采用蒸汽重整技术,利用高温蒸汽与有机废油产生重整反应,将放射性有机废油中的高分子聚合物重整为小分子可燃气体,同时将其内部的放射性核素进行矿化包容,可安全有效处置。针对重整尾气的分析检测难点,本研究使用缓冲罐、电磁阀、辅助加热设备、金属烧结滤芯、真空泵等装置,自主设计了一套适用于重整尾气的检测分析系统。该系统实现了在负压和高温工况下,重整尾气的稳定进气和在线检测分析,减小尾气中水分和粉尘对检测结果的影响和对检测仪器的损害。实验结果验证了尾气分析方法的可靠性,为工程样机的研制提供了准确的实验数据和技术支持。关键词:放射性废油;蒸汽重整;尾气分析中图分类号:T L 9 4 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 0 1 5-0 5收稿日期:2 0 2 1-0 9-1 1;修回日期:2 0 2 2-0 3-0 5基金项目:四川省科技创新苗子工程培育项目(放射性有机废油蒸汽重整尾气分析和处理研究2 0 2 2 1 0 7)通信作者:顾文露d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 1.y o u x i a n.0 6 9A n a l y t i c a lM e t h o do fE x h a u s tG a sf r o mS t e a mR e f o r m i n go fR a d i o a c t i v eW a s t eO i lGU W e n l u1,L I NL i1,L I ANGY i1,Z HANGJ i a h e n g1,WUX u a n1,S HE NE n w e i2,X I ONGK o u h o n g2(1.N u c l e a rP o w e rI n s t i t u t eo fC h i n a,C h e n g d u6 1 0 2 1 3,C h i n a;2.N u c l e a rP o w e rO p e r a t i o n sR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h a n g h a i2 0 0 1 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sr e s e a r c hc a r r i e so u td i f f i c u l ta n a l y s i sa n dp r a c t i c a ld i s c u s s i o no nt h em e t h o df o r e x h a u s tg a sa n a l y s i so f t h es t e a mr e f o r m i n go f r a d i o a c t i v eo r g a n i cw a s t eo i l.T h i sp a p e ri n d e p e n d e n t l yd e s i g n e dad e t e c t i o na n a l y s i ss y s t e ms u i t a b l ef o rr e f o r m i n ge x h a u s tg a sb yu s i n gb u f f e r t a n k s,s o l e n o i dv a l v e s,a u x i l i a r yh e a t i n ge q u i p m e n t,m e t a ls i n t e r i n g f i l t e r s,v a c u u mp u m p s a n do t h e rd e v i c e s.T h e s y s t e mr e a l i z e s t h e s t a b l e i n t a k eo f r e f o r m i n ge x h a u s tg a sa n do n l i n ed e t e c t i o na n da n a l y s i su n d e r t h ec o n d i t i o no fn e g a-t i v ep r e s s u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r ea n dr e d u c e s t h e i n f l u e n c eo fm o i s t u r ea n dd u s t i nt h ee x h a u s tg a so nd e t e c t i o nr e s u l t sa n dd a m a g et od e t e c t i o ni n s t r u m e n t s.F i n a l l y,t h er e s u l tv e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo f t h ee x h a u s tg a sa n a l y s i sm e t h o dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n-t a ld a t a,w h i c hp r o v i d e sa c c u r a t ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt e c h n i c a li n p u tf o rt h en e x td e v e l o p m e n to f e n g i n e e r i n gp r o t o t y p e sa n dp r o m o t e st h et r a n s f o r m a t i o nf r o ms c i e n t i f i cr e s e a r c h i n n o v a t i o nt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e.K e yw o r d s:r a d i o a c t i v ew a s t eo i l;s t e a mr e f o r m i n g;e x h a u s tg a sa n a l y s i s 核电站日常运行维护时需用到润滑油、液压油等,这类油品使用后部分受到污染变成放射性废油,常规的焚烧或者热解等方式处理放射性废油存在燃爆腐蚀的风险,且尾气处理难度很大。由于缺乏安全、有效的处理处置技术,放射性废油只能采取集中暂存的方式处置。随着时间的推移,这些废物暂存场地不断增加,给人员健康和环境带来安全隐患。放射性有机废油的处理一直是核工业废物处置的技术难点1-4。蒸汽重整技术利用高温蒸汽与有机废油产生重整反应,将有机废油中的高分子聚合物重整为小分子可燃气体,同时将其内部的放射性核素进行矿化包容5-6。相比焚烧、水泥固化等技术,该技术更适用于有机废油的处理并具有高减容率,使放射性核素被包容在固体残渣矿物岩中,形成的最终固体产物具备良好的稳定性,且比水泥固化体具备更低的核素浸出率,不会产生二噁英、呋喃等污染物质。目前,国内的蒸汽重整技术处于研发阶段,为了进行热态实验,蒸汽重整系统后端需要配备先进完善的尾气分析系统,使得尾气中污染物排放达到G B1 8 4 8 4危险废物焚烧污染控制标准 和G B1 6 2 9 7大气污染物综合排放标准规定的排放要求。放射性有机废油经过蒸汽重整工艺处理后会产生放射性气溶胶,尾气处理系统需要截留、捕集粉尘小颗粒,防止放射性气溶胶随尾气逃逸。放射性有机废油中不仅含有烃类等有机成分、H2和C O等无机气体,还含有氮、硫、磷等元素,在重整过程中会产生NOx和酸性气体。本研究拟通过尾气分析系统对尾气进行在线实时测量,了解在重整反应器内反应情况,掌握反应条件对反应产物的影响,确定最佳的反应条件。通过尾气分析系统的数据,制定尾气处理方法和方案,改进尾气处理方案,使尾气的排放严格满足国家标准。为下一步工程样机的设计提供准确的数据支撑。1 尾气分析系统1.1 系统功能尾气在线检测和分析系统包括气相色谱分析单元和烟气分析单元。尾气分析系统用于实验台产生尾气的相关测试,需满足尾气中预估气体成分的含量定量检测。气相色谱分析系统需满足对气体中有机组分及H2、N2、O2、C O、C O2含量的测量。进样口实现定量进样,避免分流和不分流的进样歧视,橡胶隔垫可在相应测试温度下稳定工作。气相色谱仪数据采集速率可达2 5 0H z。电子压力控制范围11 5 0p s i。在可完成测试需求的前提下,实现色谱柱和检测器的高效配置,减小设备体积,提高测试效率。配置高效数据处理系统,检测器信号均为数字信号,避免数模转换带来的误差,可实现数据快速处理和分析。烟气分析单元实现对NOx、S Ox、O2、C O、C O2含量的定量测量以及尾气温度、湿度、压力、流速、粉尘的测量。气体成分的测量结果误差小于2%,1h内示值变化小于5%。防尘防水工业精密设计,可用于恶劣工况。配备高负载低噪声大流量抽气泵,采用精确电子流量计控制,实时监测,计温计压,自动调节流量。主机具备防倒吸功能,保证采样数据的准确性;具有断电记忆保护功能,采样中断电时自动保存工作数据,来电提示恢复采样。烟气分析仪前端的装置需要有效进行脱水、除尘,增强烟气成分检测精确度,可采用气液分离的装置,得到除水之后的烟气,并通入烟气分析仪中。1.2 检测难点有机废油通过重整反应后产生的尾气成分较为复杂,尾气中含有重整产生的有机小分子物质,反应不充分的大分子物质、床料中的粉尘颗粒,高温状态下气化的C s等核素、水蒸气、酸性气体和氮氧化合物等。复杂的成分为尾气分析带来了一定的难度。尾气分析面临的主要难点如下。1)为确保高沸点大分子有机物能通过进样管路(1 5mm)和定量环并进入色谱柱,不产生冷凝物阻塞管路,必须将进样管路、阀门等的温度控制在大分子有机物沸点以上(约2 0 02 2 0),提高了检测设备的使用要求。2)尾气中的水蒸气会影响检测结果并缩短检测设备的使用寿命,且通过降温方式除水会导致尾气中的高沸点大分子有机物冷凝。3)尾气中的粉尘颗粒容易堵塞进气管路,影响检测设备的正常运行。61同 位 素 第3 6卷4)前端设备的负压工况增加了尾气等体积、等比例进入气相色谱仪中进行检测的难度。2 方法与装置2.1 研究方法2.1.1 保温 为防止气相色谱分析单元中尾气高沸点大分子有机物冷凝,影响检测结果,采取电加热和保温棉保温的联合方法,确保尾气的温度大于2 0 0。首先在进气管路和缓冲罐上缠绕可升温至5 0 0 的陶瓷电加热带,随后在电加热带外表面上覆盖保温棉,以确保管路内尾气温度不低于设定温度值,减少有机物的冷凝和有机废液的生成。2.1.2 减少水分 针对尾气中大量水蒸气,尾气分析过程中通过保温、稀释的方法减少水蒸气对尾气分析的影响。由于尾气中含有高沸点的大分子化合物,通过降温除去尾气中的水蒸气会造成尾气中其他大分子有机物的冷凝,导致尾气成分检测结果不准确。因此,采用保温加稀释的方法减轻水蒸气的影响。在线检测时,进样管道和进样阀尾气温度为2 0 02 2 0,气相色谱仪满足尾气温度为2 0 0 2 2 0的检测条件。来自流化床的待测气体在流化床输出管道和气相色谱仪进样管道之间流动时,整个保温带内的尾气温度从5 0 0平稳降低至2 0 0,气相色谱仪的最终进气温度不高于2 2 0,不低于2 0 0。通过充入惰性气体(例如氮气)将尾气按比例稀释,减少尾气中水蒸气对