核能具有高效、清洁及可持续发展等优势，在能源资源紧缺的当今社会，核能可提供大规模的能量用于供电、供热等。目前，随着国内沿海地区可建立核设施的资源日趋减少，国内各大核电集团陆续在内陆开展核设施的选址工作[1-3]。在核设施运行期间，其中产生的放射性液态流出物是一种有限制解控的液体，经监管部门批准排放的液态流出物相当于普通废水，其排放的限制条件之一是需有可用于稀释的受纳水体[4-5]。然而，对于内陆核设施而言，液态流出物的排放途径主要为地表水，公众对此情况的接受度极低。同时，内陆某些区域缺乏受纳水体，或已有的受纳水体稀释和弥散能力不足。因此，在内陆核设施运行过程中，放射性液态流出物的排放控制成为待解决的重要问题之一[6-8]。

近年来，液态流出物转为气态排放的技术路线，即液转气排放，被越来越多的专家学者提出[2,9]。该方法能够使液态流出物转为气态并更好地在大气中扩散，对公众的辐射影响更小，使核设施能够满足运行条件，对于缺乏受纳水体的核设施而言是一种理想的选择。

国内外对液转气排放的技术有一定的实验实践，但目前暂未形成明确的排放技术路线[4]。其中，空冷塔排放是利用蒸发原理实现液转气排放。该方式利用排放泵和雾化辅助装置，借助外界环境的温度及风速使液体蒸发为气体排入大气环境。但该种方法设备占地面积大且需一用一备，全塔高约200 m[10]。水冷塔也是液转气排放的方式之一，液体经由喷雾装置分散，并随抽吸作用排入环境。该方法存在蒸发不完全的情况，未完全蒸发的雾化液滴会随空气进入大气[4]。

除此之外，利用空气作为载体的自然蒸发载带排放也是液转气排放的重要方法之一[1,11]。最原始的自然蒸发是天然池蒸发[12-13]，但该方式会受到环境、地理等因素的干扰，且不易于控制。目前，国内初期修建的部分天然蒸发池在退役方面面临着一定的困难。韩国原子能研究院建立了强制排风太阳能蒸发设施[14]，通过将废液喷淋至悬挂布条上，通过太阳能进行蒸发。该方式效率较高，但受自然环境影响较大，且会产生一定量的二次废物。中国原子能科学研究院利用空气载带排放的方式对含氚废水进行处理排放[15]。该方式利用空气增湿原理，采用挂布及喷洒方式，利用鼓风空气将含氚废水蒸发排入大气进行稀释。从蒸发效果来看，载带排放的方式效率较高，能够有效处理核设施运行过程中产生的液态流出物。为了实现液态流出物的近零排放，且不产生过多的二次废物，该方式值得被进一步研究与拓展。

综上，液转气排放的概念已被越来越多的专家学者提出，针对内陆核设施，载带排放是具有实现潜力的理想选择之一。目前极少有文献报道液转气排放的相关实验探究。因此，本文立足于附近无受纳水体的内陆核设施的液态流出物排放问题，采用液转气技术，设计可行工艺路线，并搭建1∶1工程规模实验台架进行探究验证。明确在不同工艺参数下，液转气载带能力的变化规律，以增强液转气装置的适应能力、拓展其适用范围，得到更好的经济效益，为液转气排放装置在工程上成功应用并实现预期功能提供一定的理论依据及技术支撑。

1、液转气工艺设计

目前，核设施的液态流出物转气态排放需要采用新建液转气设施以实现液态流出物转气态排放目的。但国内新建的核设施，如内陆供热反应堆，设计时要求小型化、一体化设计，单独建立液转气排放设施与反应堆设计目标不一致。为解决内陆反应堆液态流出物排放问题，提出采用一体化设计的液转气设备(载带塔)实现液态流出物的解决方案。

本研究主要目标是在载带塔设备内充分实现空气增湿以完成液转气的转化。在载带塔内设置多层塔板结构，以增大气液有效接触面积，提升单位空气的载带能力。液体、气体呈错流流动，液体经由分子扩散、传质等方式转化为气态，并由空气为载带介质排出载带塔。在此传质过程中，空气介质的湿度逐渐增加，以完成对待处理液体的载带。载带后的空气排入大气中，并由自然环境中的大气充分稀释。

图1 液相、气相路线示意图

液态转气态排放工艺主要分为液相与气相工艺两部分。待处理液体贮存在循环罐，由载带泵输送一定温度、流量的液体至载带塔顶部，进入塔内后沿塔板逐层顺流而下；自然环境中的空气除湿后经风机送入，经加热后以一定压力、温度、湿度、流量自载带塔下部进入塔内，沿塔板逐层逆流而上。液体及气体在载带塔内呈错流逐级接触，部分液体转化为气态经由塔顶排放，未转气的液体由塔底排出，经重力回流至循环罐，然后再次经载带泵送入载带塔内进行液转气过程。

其中，空气干燥主要采用冷干机干燥方式进行除湿。冷干机通过冷冻过程，对进入的空气进行冷却降温，使空气中含有的水蒸气凝结成液滴。最后经由气液分离，冷却液由自动排水器排出，干燥后的气体进入气相路线。通过调节冷干机工作功率可调节出口处气体的含湿量，本文选用冷干机露点温度范围为≥2℃。

2、实验验证

2.1 实验内容

本实验以国内某堆的液态流出物年排放量100 m3为预期载带能力，利用上述工艺路线对液体进行载带，最终转为气态排放。以去离子水为液相，以上述实验台架为液转气装置，分别在不同气相、液相运行参数下对液转气能力进行实验探究。分析载带塔塔顶液相温度、流量，塔底气相温度、流量、湿度等因素对液态流出物转气态处理能力的影响，通过数据分析得出各工艺参数与液转气处理能力之间的关系，探究载带能力受工艺参数影响的机理及原因，为内陆核电站液态流出物转气态排放应用提供技术支持。

2.2 实验设备

实验台架主要由液转气载带塔、循环罐、空气干燥器、电加热装置、鼓风机及电控器件等部分组成。其中载带塔为核心部分，塔高约3 m，由一定数量的传质单元构成，上下层塔板呈左右交错分布，塔内多层塔板总面积约为60 m2的。载带塔一侧设置观测窗口，能够观察到塔板上液体的分布情况。

图2 液转气载带塔设备及部分仪表图

2.3 实验方法

空气被充分干燥后经由风机进入系统，随后由气相加热装置加热至指定温度，自塔底空气进口进入液转气载带塔；将去离子水引入循环罐中，随后液体经由载带泵、液相加热装置，由塔顶液体进口进入载带塔内。实验过程中，通过控制变量法，分别以液相温度、液相流量、气相温度、气相流量和气相含湿量为变量，进行相应实验。液体载带量根据载带前后液位计记录的液位差进行计算。单次实验完成后，计算不同参数下液转气能力数据，得出最优参数，并分析其随参数的变化规律。

一般参数设定如下：液相、气相入口温度25℃，液相流量2 m3/h，气相流量2400 Nm3/h，气相冷干至5℃饱和含湿量(5.403 g水/kg绝干气)。

3、结果分析

3.1 温湿度的影响分析

为确定气体干燥及气液加热对载带效果的影响，本文设置了4组对比实验，结果如表1所示。其中，气、液体加热温度为25℃，液相流量2 m3/h，气相流量2400 Nm3/h。

表1 温湿度对载带能力的影响

经由4组实验对比可知，流体加热和气体干燥两种方式都可以明显提升设备的载带能力。但实验过程中观察到，仅采用流体加热的方式会导致塔顶气体出口处产生少量的冷凝水，而开启空气干燥装置进行载带时，气体出口未产生冷凝现象。这是由于仅开启加热条件并不能降低进入载带塔空气的含湿量，空气的载带能力有限，而加热条件下液体载带速率升高，出口处空气处于过饱和状态，因此出现少量冷凝水。而降低空气含湿量能够提升空气载带量的上限，这是提升载带量的关键。此外，在未增加加热设备的情况下，实验台架范围内流体的温度明显低于环境温度，且变动较大(实验1、2)。因此，外接加热设备在提高载带速率的同时，使运行环境更为稳定，实验结果和运行状态更有可预测性。

3.2 液相温度的影响分析

图3为液相温度18℃～70℃的载带情况，其中，气相温度25℃，液相流量2 m3/h，气相流量2400 Nm3/h，气相冷干至5℃饱和含湿量。

图3 液相温度对载带能力的影响

由图可知，载带量随液相温度升高而增大。实验过程中，当温度高于40℃时，载带塔气体出口处有水流出。当温度高于60℃时，气体出口处有大量冷凝水流出。当液体温度升高时，液体受热从而蒸发速率增大，因此载带量升高。液体温度过高时，其自身蒸发速率过快，从而导致空气中含湿量过高，进而形成冷凝水甚至水流。此时，载带塔气体出口处的水流为液体自身蒸发后冷凝所致，而非待处理的废液。经由实验分析得出该设备在本实验环境下，液体运行温度需<40℃。

3.3 液相流量的影响分析

在气、液相温度25℃，气相流量2400 Nm3/h，气相冷干至5℃饱和含湿量条件下，在液相流量为0.5 m3/h～2 m3/h条件下进行实验，探究液相流量对载带能力的影响。

实验中载带量随液相流量的增大而迅速升高，随后增速变缓。其现象受到气液间有效接触面积的影响。实验中观察到，当流量为0.5 m3/h时，风机开启后塔板表面的液膜未能铺满塔板表面，其接触面积较小。当流量上升至1.5、2 m3/h时，塔板表面的液体始终保持铺满状态，因此其有效接触面积较大，具有较高的载带量。

图4 液相流量对载带能力的影响

3.4 气相温度的影响分析

其他参数条件一定的情况下，在气相温度为15℃～50℃条件下进行实验，探究气相温度对载带能力的影响。

图5 气相温度对载带能力的影响

如图5所示，气相温度上升时，气体的载带能力随之升高。这是由于温度升高时，气体的饱和含湿量升高，其载带上限升高。此外，在实验中观察到，当气相温度高于35℃时，载带塔气体出口处出现了冷凝水。其原因是当气相温度过高时，载带塔气体出口处空气的含湿量高于环境温度下的饱和含湿量，故出口处随着温度的降低而出现冷凝现象。因此最佳的气相温度运行范围需低于35℃。

3.5 气相流量的影响分析

其他参数条件一定的情况下，在气相流量为1200 Nm3/h～3600 Nm3/h条件下进行实验，探究气相流量对载带能力的影响。

如图6所示，载带量随气相流量的增大而升高。气相流量高于2500 m3/h时，载带塔气体出口处有液体出现。气量为3600 m3/h时，大量的水流被直接吹出。气相流量增大时，气体出口处的液体主要为液沫夹带所导致，此时吹出的液体为待处理液，因此该情况下的气相流量值不可使用。因此气相流量的可运行范围为≤40 m3/min。

图6 气相流量对载带能力的影响

3.6 气相初始含湿量的影响分析

在液相、气相温度25℃，液相流量2 m3/h，气相流量2400 Nm3/h条件下，通过调节冷干机工作功率调节气相含湿量的大小，探究其对载带能力的影响。

图7 气相初始含湿量对载带能力的影响

此时载带塔入口处空气含湿量变化范围为1℃～21℃时饱和空气含湿量，即4.060 g水/kg～15.658 g水/kg绝干气。由数据分析可知，气相含湿量越低，其载带量越大，且载带效果更稳定。因此运行过程中需要对设备进气进行充分干燥。

3.7 载带量核算

综合以上数据分析，对本实验台架的载带量进行核算，确定其载带能力。

表2 不同气相初始含湿量的月载带量

冷干机的工作功率决定着出口气体对应的露点温度，露点温度越高时，载带量越低。按照30天/月、24 h/天的工作时间进行载带，得到月载带量见表2。当环境温度高于冷干机出口空气的露点温度时，本实验台架可以正常运行。本台架中冷干机出口平均露点温度可达3℃～5℃，在环境温度高于5℃的地区进行实验可对空气进行有效干燥。以实验地点的载带情况进行概算，该地每年有约4个月的平均气温高于25℃。以冷干机满功率运行，取实验1～3载带量的平均值用于计算，本台架运行3个月即可达到载带量104.5 m3，满足本设备100 m3/年的设计需求。对于其他温度较低、湿度较高的地区，可通过延长每年的工作时间或增加机组个数的方式来提升年载带量。

4、结论

为实现无受纳水体附近核设施液态流出物的近零排放，本研究设计了液转气排放的工艺路线，搭建了工程规模的液转气实验台架，获得了液转气载带能力随工艺参数的变化规律。得到结论如下：

(1)研究表明，液体温度、液体流量、气体温度及含湿量、气体流量分别通过影响蒸发速率、气液有效接触面积、单位气体载带上限，以及设备的载带速率，进而影响液转气设备的载带能力；

(2)对进塔空气进行干燥处理，降低空气初始含湿量，是提升液转气载带能力的关键；

(3)实验结果表明，本台架运行3个月即可达到载带量104.5 m3，满足本设备100 m3/年的设计需求。

(4)对于其他温度较低、湿度较高的地区，可通过延长每年的工作时间或增加机组个数的方式来提升年载带量。

本研究验证了液转气载带塔设备在液态流出物处理领域的可行性，证明该工艺及设备具备通过调整两相流体参数，实现预期液转气性能的能力，可根据实际需求扩展应用于其他规模设备。

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文章来源:王辰宇,吕军,吕海雷,等.无受纳水体区域核设施液态流出物转气态排放技术研究[J].广东化工,2024,51(14):11-14+10.