安全壳过滤排放系统文丘里洗涤器除碘性能分析

王 稹，张计荣，白东进，缪骐远，李永国，任宏正，王 佳，张渊，丘丹圭，侯建荣

(1.中国辐射防护研究院，太原 030006；
2.三门核电有限公司，浙江 三门 317100)

安全壳过滤排放系统主要功能是在严重事故工况下进行排气，以降低安全壳内压力,并对排放气体中的放射性碘及气溶胶进行有效去除[1]。目前，我国在役反应堆多数采用以文丘里洗涤器+金属纤维过滤器为基础的湿式过滤排放系统[2]。文丘里洗涤器用于去除气体中较大颗粒尺寸的放射性碘及气溶胶，工作原理如图1所示：气流从入口流入喉部位置，形成高速流体，喉部吸液口形成负压，将洗涤液引射入喉部内，并与高速流体接触。洗涤液经过高速气流的剪切力作用后被雾化成液滴。气流中的粉尘颗粒在雾化形成的液滴表面沉降，同时气流中的放射性碘与洗涤液中NaOH和Na2S2O3充分混合并发生化学反应，生成可溶性物质滞留在洗涤液中。

图1 文丘里洗涤器工作原理

目前针对核电厂用文丘里洗涤器的研究较少。ALI等[3]研究了液相流量对过滤效率的影响，并指出过滤效率在一定范围内与液相流量成正相关性。Mayinger等[4]对气相流速、过滤介质颗粒直径、液位高度等因素对效率影响做了一定研究。周艳民等[5]在实验室建立了对文丘里水洗器性能研究装置，数据显示气相压力是影响引射量的重要因素。Naoki Horiguchi等[6]通过数值计算对两相流特性做了一定研究，验证了液膜的存在。Lehner[7]对引射量和流动阻力随喉部流速的变化规律进行了实验研究。Ahmadvand等[8]对微观液滴分布进行了CFD(计算流体动力学)数值模拟。

本文使用CFD数值模拟方法，对安全壳过滤排放系统文丘里洗涤器运行工况进行模拟。探讨文丘里洗涤器气液两相瞬态流动特性及净化机理；
研究气相流量、系统压力对文丘里洗涤器引射特性的影响；
分析洗涤器除碘性能影响因素。

本次研究搭建了实验室规模安全壳过滤排放系统回路。实验回路可模拟真实事故时安全壳大气环境[9]，设计最大压力为0.8 MPa，最高温度200 ℃。实验中碘配送浓度按照反应堆严重事故24小时后安全壳大气中碘浓度，约为7.3 mg/m3。图2为实验回路示意图。实验回路主要包括：(1)尾气处理器；
(2)下游电磁阀；
(3)下游采样点；
(4)温湿度探头；
(5)安全壳过滤系统模拟样机(内部安装单个文丘里洗涤器)；
(6)上游电磁阀；
(7)上游采样点；
(8)示踪剂注入点；
(9)温度控制系统；
(10)蒸汽发生器；
(11)空气压缩机。

图2 实验回路示意图

2.1 两相流模型

本文采用CFD模拟软件Fluent对文丘里洗涤器运行过程进行数值模拟。文丘里内部气液流动呈现湍流状态，选择湍流模型RNG k-ε，近壁标准壁面方程[10]。

本研究中计算模型基于以下假设以简化计算过程：(1)文丘里洗涤器气液两相之间传热、传质忽略不计。(2)气相与液相均为连续不可压缩流体。

选择Euler双流体模型解决两相流问题，控制方程如下：

连续性方程：

(1)

(2)

动量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

2.2 模型与网格

图3(a)、(b)分别为文丘里洗涤器喷嘴三维数学模型图与网格划分图。过滤系统运行时，整个喷嘴浸没在NaOH和Na2S2O3洗涤液中。试验介质(即气相)从inlet 1进入，洗涤液(即液相)从inlet 2进入，气液混合物从outlet流出。网格划分采用三角形非结构化网格，通过调节网格精细度，使计算趋于稳定，不受网格尺寸影响。

图3 文丘里喷嘴模型图与网格划分图

2.3 边界条件

为模拟文丘里洗涤器真实运行工况，气相入口设置为速度入口边界，液相入口设置为压力入口，气液混合出口设置为压力出口边界。

3.1 文丘里洗涤器液相瞬态流动特性

图4为CFD模拟文丘里洗涤器液相流线图，图4(a)、(b)、(c)、(d)分别记录瞬态1 s、3 s、5 s、7 s时液相流动过程及形态。可见文丘里喷嘴工作过程中，液相由气相流动所形成的负压从吸液管吸入喉部位置，在喷嘴内壁以液态薄膜形式连续流动，并在靠近喉部位置流速达到最大值。

图4 文丘里洗涤器液相流线图

3.2 文丘里洗涤器入口流速对引射量的影响

图5为CFD模拟文丘里洗涤器引射量随入口气相流速变化的计算结果。由图5可见，随气相流速逐渐增大，洗涤液引射量近似线性增长。

图5 文丘里洗涤器引射量与入口流速关系

图6为文丘里洗涤器吸液管内外侧压差随入口气相流速变化的计算结果。分析可知，随气相流速的增大，吸液管内外侧压差呈现近似抛物线规律。压差与流速之间表现为二次函数关系。结合文丘里喷嘴引射机理可知，气相流速变化引起的吸液管内外侧压差是影响文丘里洗涤器引射性能的重要因素。

图7为在碘配送浓度为7.3 mg/m3，不同气相入口流速下，洗涤器对单质碘的净化效率。结果表明：在流速0～20 m/s范围内，净化效率与引射量增长趋势保持一致，证明文丘里洗涤器引射能力是提高除碘性能的重要因素。随流速提升，在15 m/s之后净化效率将不再继续增加，稳定在95%以上。分析原因：净化效率取决于气相与液相传质过程，当引射量达到一定量时，气液混合足够充分，碘与硫代硫酸钠反应较为完全，净化效率将趋于稳定。将入口流速15 m/s按照某核电厂安全壳排放系统尺寸换算成体积流量约为3 300 m3/h，小于此风量下的排放工况，除碘效率将很难保证在较高水平。

图7 文丘里洗涤器除碘效率与入口流速关系

3.3 文丘里洗涤器系统压力对引射量的影响

模拟计算了在不同系统压力下，引射量随气流流速变化规律，结果如图8所示。分析可知，喷嘴在系统压力0.1～0.5 MPa范围内变化时，随入口流速增大，引射量明显增大，并且高流量区比低流量区更为明显。在可压缩流中，系统压力的增大，将导致气相密度近似等比例增大，使得入口压力提高，进一步影响吸液压差，提高引射量。

图8 系统压力对引射量的影响

本文通过CFD数值模拟方法，对安全壳过滤排放系统文丘里洗涤器不同流速、系统压力进行了数值计算，结合实验方法对除碘效率的测定，得到以下结论：

(1)在瞬态计算中发现文丘里洗涤器内液相以液态薄膜形式紧靠内壁连续流动，并在靠近喉部位置流速达到最大值。

(2)在入口流速0～20 m/s范围内，碘配送浓度7.3 mg/m3条件下，引射量呈现近似线性增长关系；
吸液管内外侧压差呈现近似抛物线规律，二者表现为近似二次函数关系；
系统除碘效率在初始阶段与引射量的增长趋势保持一致，随后在引射量达到一定水平后趋于稳定。为保证较高除碘效率，建议系统排放风量应保持在3 300 m3/h以上。

(3)在系统压力0.1～0.5 MPa范围内变化时，除碘效率均可保持在较高水平，压力增大有助于引射量提升，并且在高流量区提高更加明显。