電子加速器輻照裝置臭氧排放環(huán)境影響分析

高文翰 李海新 馬 鋒（天津市聯(lián)合泰澤環(huán)境科技發(fā)展有限公司 天津 300000）

引言

輻照滅菌是指利用γ射線、X射線以及電子束等電離輻射裝置對食品、藥品、醫(yī)療器械、化妝品等以滅菌為目的的輻射處理。該技術(shù)具有滅菌徹底、成本低、節(jié)約能源、穿透力強(qiáng)、無殘留等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、日化、包裝材料、肉制品、玩具等滅菌處理，具有廣闊的市場前景。

能量范圍在5MeV至10MeV之間的電子加速器輻照裝置是用來進(jìn)行輻照滅菌的主要設(shè)備之一。電子加速器工作過程中，除電子束照射在輻照材料上產(chǎn)生很強(qiáng)的韌致輻射（X射線），對周邊環(huán)境產(chǎn)生輻射影響外，還會使空氣中的氧氣發(fā)生電離繼而產(chǎn)生臭氧。超標(biāo)的臭氧將會對人體健康產(chǎn)生一定損害，如刺激人的呼吸道，造成人的神經(jīng)中毒，破壞人體皮膚中的維生素E，甚至還會破壞人體的免疫機(jī)能等[1]。因此，輻照裝置排放臭氧對周圍環(huán)境的影響日益受到關(guān)注。

1 輻照工藝簡述

電子加速器輻照裝置的工作原理是利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束作用于輻照產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)滅菌目的。加速器產(chǎn)生的高能電子束被掃描整流成一均勻分布的線性束后引出，傳輸裝置承載被檢物以輻照工藝需要的速度通過輻照區(qū)域，經(jīng)過電子束的輻照，實(shí)現(xiàn)輻照工藝所需的處理。

電子加速器輻照裝置需要建設(shè)工業(yè)輻照專用的輻照室（如圖1所示），一般采用鋼混結(jié)構(gòu)，以屏蔽加速器裝置運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輻射影響，保證輻照室外工作人員的安全。輻照室一般為兩層結(jié)構(gòu)，首層為束靶室，二層為加速器室。加速器工作出束時(shí)，加速器室及束靶室內(nèi)均無人員停留。設(shè)備操作人員位于控制室內(nèi)設(shè)置機(jī)器參數(shù)并監(jiān)控加速器運(yùn)行情況，裝卸貨物的工人位于輻照室外裝卸貨區(qū)。

圖1 輻照室結(jié)構(gòu)示意圖

電子加速器輻照裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。加速器裝置的主要部分安裝在二層的加速器室內(nèi)，粒子引出系統(tǒng)位于加速器裝置機(jī)身正下方，通過二層樓地板伸向首層的束靶室。而接受輻照的物品通過自動(dòng)傳送系統(tǒng)從入口經(jīng)迷道進(jìn)入束靶室，到達(dá)粒子引出系統(tǒng)正下方的電子束有用線束范圍內(nèi)進(jìn)行輻照，之后又經(jīng)過迷道從出口離開輻照室。

圖2 輻照加速器裝置示意圖

2 臭氧影響預(yù)測與分析

輻照加速器的電子出射范圍小，易屏蔽，但在運(yùn)動(dòng)中受到加速器部件、阻擋板和地板等材料的阻擋后，產(chǎn)生很強(qiáng)的韌致輻射（X射線）。此外，電子束在轟擊靶（受照物體）時(shí)，輻照室內(nèi)空氣被部分電離或激發(fā)從而產(chǎn)生臭氧[2]。本文以天津市津南區(qū)某生物科技公司的電子加速器輻照裝置為例，預(yù)測、分析加速器運(yùn)行產(chǎn)生臭氧的環(huán)境影響。

2.1 加速器及輻照室參數(shù)

該公司所用電子加速器為同方威視技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的IS1020型電子加速器輻照系統(tǒng)，電子束最大能量10MeV，額度電流2mA，功率20kW。束流掃描寬度400~820mm。鈦窗距輻照物體距離0.7m。

首層束靶室凈空間約120m3（含迷道部分），凈高3.1m。二層加速器室凈空間約164m3（含迷道部分），凈高3.6m。輻照室內(nèi)束靶下方設(shè)置排氣口，排氣口通過埋深0.5m的地下管道連接到輻照室頂部的排氣口，排氣口標(biāo)高9.8m。輻照室通過排氣設(shè)施進(jìn)行換氣，將輻照室內(nèi)加速器產(chǎn)生的臭氧排出至大氣環(huán)境，以保護(hù)工作人員的安全健康，同時(shí)減少臭氧對設(shè)備的腐蝕。

2.2 輻照室內(nèi)臭氧濃度計(jì)算

輻照室設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)，其排風(fēng)量達(dá)到8100m3/h，將輻照加工時(shí)產(chǎn)生的臭氧強(qiáng)制排放車間外的高空。一層輻照通道凈空間約為120m3，一小時(shí)內(nèi)輻照室內(nèi)空氣與外界置換次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4次。

圖3 輻照室排氣口設(shè)計(jì)圖

按照輻照期間臭氧無分解，且在靶室內(nèi)均勻分布，則輻照室內(nèi)臭氧O3的濃度C0可按照《粒子加速器輻射防護(hù)規(guī)定》（GB5172-85）附錄 E（E.2.2 b）計(jì)算模式，用公式（1）計(jì)算：

式中：

C0——輻照室內(nèi)空氣中O3的濃度，mg/m3；

I——電子束流強(qiáng)度，mA；

d——電子束在空氣中的徑跡長度，cm；

t——輻照時(shí)間，s；

V——靶室體積，m3

v——排氣速率，m3/s。

束靶室體積V=120m3，排氣速率v為8100m3/h（換算后2.25m3/s），電子束流強(qiáng)度I為2mA，電子束徑跡長度d為70cm。通過計(jì)算，將輻照室內(nèi)臭氧的濃度C0隨供束時(shí)間的變化如圖4所示。電子加速器在通風(fēng)設(shè)施正常運(yùn)行狀態(tài)下，開始供束進(jìn)行輻照加工后，輻照室內(nèi)的臭氧的濃度C0逐漸升高，在連續(xù)供束一定時(shí)間后（約600s）達(dá)到最大值，之后再連續(xù)供束，輻照室內(nèi)的臭氧的濃度都將維持這個(gè)平衡濃度C0約（3.27mg/m3）不變。

圖4 加速器正常運(yùn)行時(shí)輻照室內(nèi)臭氧的濃度C0變化圖

正常情況下操作人員無需進(jìn)入輻照室工作，所以加速器的連續(xù)供束時(shí)間都非常長，會連續(xù)工作幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí)。直到加速器停機(jī)后，輻照室內(nèi)的臭氧濃度將隨著排風(fēng)設(shè)施的運(yùn)行逐漸降低。加速器停機(jī)后，抽風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作，則輻照室內(nèi)臭氧的濃度可按照《粒子加速器輻射防護(hù)規(guī)定》（GB5172-85）附錄E（E.2.3）計(jì)算模式，用公式（2）計(jì)算：

式中：

t——停機(jī)后的等待時(shí)間，s。

根據(jù)公式（2）可計(jì)算在輻照室內(nèi)的臭氧濃度己經(jīng)達(dá)到最大值（平衡濃度）以后停機(jī)，輻照室內(nèi)臭氧的濃度C0隨停機(jī)時(shí)間的變化如圖5所示。在通風(fēng)設(shè)施正常運(yùn)行的條件下停機(jī)（停止出束），輻照室內(nèi)臭氧的濃度迅速降低，在約停機(jī)300s后，己經(jīng)低于0.05mg/m3，滿足工作場所空氣中臭氧容許濃度0.3mg/m3[3]。實(shí)際上臭氧很不穩(wěn)定，在常溫下不斷地轉(zhuǎn)化成氧氣，或與其他材料和空氣中的雜質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，因此其濃度降低速度也將大大加快。

圖5 加速器停機(jī)后輻照室內(nèi)臭氧的濃度C變化圖

為保險(xiǎn)起見，一般要求在停機(jī)15分鐘（900s）后操作人員方可被允許進(jìn)入加速器輻照室內(nèi)。

2.3 室外環(huán)境臭氧影響分析

該加速器輻照系統(tǒng)采用連續(xù)作業(yè)方式，平均每天工作（出束）約20小時(shí)，平均年運(yùn)行時(shí)間為300天/年，全年輻照系統(tǒng)出束約6000小時(shí)，產(chǎn)生的臭氧經(jīng)風(fēng)機(jī)自排氣口排至室外。風(fēng)機(jī)風(fēng)量為8100m3/h，排氣口出口內(nèi)尺寸為1×1m，排放高度均為9.8m。按臭氧排放濃度為3.27mg/m3，則排放速率為0.0265kg/h。

采用SCREEN3估算模式預(yù)測臭氧排放的環(huán)境影響。預(yù)測參數(shù)和結(jié)果見表1。

表1 臭氧排放預(yù)測參數(shù)和結(jié)果

由上表可見，單根排氣筒排放臭氧最大落地濃度出現(xiàn)在距排氣口187m處，其最大落地濃度為0.002818mg/m3，對比《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中臭氧的二級標(biāo)準(zhǔn)濃度限值0.2mg/m3，占標(biāo)率僅為1.41%，預(yù)計(jì)不會對周邊環(huán)境空氣質(zhì)量造成顯著的不利影響。

結(jié)語

電子加速器輻照裝置運(yùn)行過程中不可避免產(chǎn)生臭氧氣體。輻照企業(yè)在加強(qiáng)輻照室排風(fēng)，引導(dǎo)室內(nèi)臭氧集中排放的情況下，輻照室內(nèi)臭氧濃度基本保持穩(wěn)定，不會過度積累。輻照企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)管理，嚴(yán)格控制停機(jī)后工作人員進(jìn)入輻照室的時(shí)間，避免對人體健康造成損害。

[1]曹宏,王國旗,刁端陽,翟建青,韓燕,包建忠,王錦榮,陳秀蘭.γ 輻照裝置對周圍臭氧濃度的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(03)：413-414.

[2]高振鏞.電子加速器臭氧產(chǎn)量計(jì)算[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),1989(04)：48.

[3]GB 5172-85,粒子加速器輻射防護(hù)規(guī)定[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1985.