申请日2017.05.25
公开(公告)日2017.09.15
IPC分类号G21F9/08; G21F9/22
摘要
一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统及其方法，该系统中，废水原水槽罐的原水泵入负压蒸发塔，蒸发形成的水蒸汽经第一除雾塔除雾后顺次进初级、次级冷却塔，冷却后的冷凝水泵入冷凝水暂存罐，真空泵从次级冷却塔处抽取真空，负压蒸发塔底的浓集液泵入浓集废水槽罐，再泵出到负压干燥器，干燥后的固体残留物待整备处置，负压干燥器出口水蒸汽进入第二除雾塔，除雾后进入初级冷却塔，本发明系统结构简单，工艺流程合理，处理过程安全可控、便于实现遥控和自动化操作，具有很好的应用前景。
权利要求书
1.一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统，其特征是，废水原水槽罐(7)出口经管道接于废水原水计量泵JB4进口，该计量泵JB4出口经管道接于负压蒸发塔(1)中部废水注入口，废水通过水喷头自上而下在蒸发柱段(62)的蒸发膜片(225)表面形成液膜并负压蒸发形成水蒸汽，布置于阱型加热电炉(12)中的负压蒸发塔(1)顶端的蒸汽导出口(234)经软管接于第一除雾塔(8a)底部进口，第一除雾塔顶部出口经管道连接初级冷却塔(2)顶部水蒸汽进口，初级冷却塔(2)底部残余蒸汽出口经管道连接次级冷却塔(3)顶部水蒸汽进口，次级冷却塔(3)底部残余蒸汽出口经管道连接水环式真空泵(6)进口，该真空泵(6)的冷凝水出口经其上设置有计量泵JB3的管道接于冷凝水暂存罐(5)进口，初级冷却塔(2)底部的冷凝水导出口以及次级冷却塔(3)底部的冷凝水导出口分别经计量泵JB1以及计量泵JB2输送至冷凝水暂存罐(5)进口;负压蒸发塔(1)底部的浓集废水出口经管道接于浓集废水槽罐(11)进口，浓集废水槽罐(11)出口经软管接于浓集废水计量泵JB5出口，该计量泵JB5出口经软管接于负压干燥器(9)顶部进口，负压干燥器(9)置于阱型电炉(10)中，负压干燥器(9)顶部的水蒸汽出口经软管接于第二除雾塔(8)底部进口，第二除雾塔(8)顶部出口经管道接于初级冷却塔(2)顶部水蒸汽进口。
2.根据权利要求1所述的一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统，其特征是，所述负压蒸发塔(1)由顶盖(23)、蒸发柱段(22)以及塔底支撑座(21)从上向下依次通过法兰连接组成;顶盖(23)顶板上有蒸汽导出口(234)顶盖内设置有水分配器(233)，水分配器上连接有多个废水原水喷头(235);蒸发柱段(22)的正方形的外筒体内沿纵向等间距地设置有若干蒸发膜片(225)，相邻蒸发膜片之间沿横向设置有若干列导热板条(223);塔底支撑座(21)的方形筒体(212)上部有法兰(213)，方形筒体(212)底板上设有浓集废水出口，方形筒体底部设有支撑群座(211)。
3.根据权利要求2所述的一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统，其特征是，所述初级冷却塔(2)由冷却塔顶盖(63)、冷凝柱段(62)以及支撑座(6)从上向下依次通过法兰连接组成;冷却塔顶盖(63)为下部开口的正方形筒体(632)，其顶板上有蒸汽进口(633)，冷却塔顶盖(63)下部设置有连接法兰(631);冷凝柱段(62)结构为：内筒体(623)设置在外筒体(622)内，外筒体(622)上设有冷却水进口(628)和冷却水出口(627)，内、外筒体之间形成冷却水通道，内筒体(623)内沿纵向等间距地设置有若干冷却膜(626)，相邻冷却膜之间沿横向设置有若干列导热条(624);支撑座(61)底部设置有残余蒸汽出口以及冷凝水导出口;次级冷却塔(3)与初级冷却塔结构完全相同。
4.根据权利要求3所述的一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统，其特征是，所述负压蒸发塔(1)工作温度80℃～120℃，工作压力5kPa～80kPa;所述初级冷却塔(2)工作温度5℃～40℃，工作压力5kPa～50kPa，以5℃冷却水为冷却介质;所述负压干燥器(9)工作温度100℃～150℃，工作压力5kPa～90kPa。
5.根据权利要求4所述的一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统，其特征是，所述负压蒸发塔(1)的顶盖(23)、蒸发柱段(22)的外筒体以及塔底支撑座(21)的材质为表面镀制环氧树脂涂层的耐酸钢，蒸发柱段的蒸发膜片(225)和导热板条(223)的材质为导热良好的导热塑料或表面具有抗酸碱涂层的金属薄膜;所述初级冷却塔(2)的冷却塔顶盖(63)、冷凝柱段(62)的内、外筒体以及支撑座(61)的材质为表面镀制环氧树脂涂层的耐酸钢，冷凝柱段的冷却膜(626)和导热条(624)的材质为导热良好的导热塑料或经过表面抗酸碱处理的金属薄膜。
6.一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统的废水处理方法，包含以下步骤：
(一)负压蒸发浓缩处理系统连接与准备
将系统各个设备用阀门和管道连接，连接前系统各个设备的密封性检验应符合技术条件要求;
开启初级冷却塔(2)、次级冷却塔(3)循环冷却水，同时冷却初级冷却塔、次级冷却塔;
启动负压蒸发塔阱型加热电炉(12)，控制负压蒸发塔(1)外壁温度在80℃-120℃之间;启动负压干燥器阱型电炉(10)，加热负压干燥器(9)，控制负压干燥器外壁温度120℃-150℃之间;
启动水环式真空泵(61)，对系统抽真空;
(二)高比放放射性废水预浓集
启动废水原水计量泵JB4，通过该计量泵以规定流量由废水原水槽罐(7)向负压蒸发塔(1)中部废水注入口注入规定流量废水，废水通过水喷头进入负压蒸发段，废水自上而下在蒸发芯体蒸发膜片表面形成液膜并负压蒸发形成水蒸汽，水蒸气通过第一除雾塔(8a)除去水蒸气中微小雾滴后依次进入初级冷凝塔(2)和次级冷凝塔(3)，分别通过计量泵JB1和计量泵JB2将冷凝水收集于冷凝水暂存罐(5)内;由于持续的蒸发作用，废水自上而下流动过程中将逐渐被浓缩，浓缩液集存于负压蒸发塔底部并进入浓集废水槽罐(11)中暂存;
(三)浓集废水干燥
启动浓集废水计量泵JB5，通过该计量泵以规定流量由浓集污水槽罐(11)向负压干燥器(9)顶端废水注入口注入规定流量的浓集废水，浓集废水在负压干燥器(9)中负压蒸发形成水蒸汽，通过第二除雾塔(8)除去微小水滴后，依次进入初级冷却塔(2)和次级冷却塔(3)，冷凝形成水后收集于冷凝水暂存罐(5)内;浓缩废液蒸干后留下固体残留物沉积于负压干燥器(9)底部;通过在线称重，或物料衡算，或放射性总量测定技术手段确定负压干燥器(9)内固体物总量和放射性物质总量达到规定值后停止向负压干燥器(9)供浓集废水;
(四)连接管道冲洗
当负压干燥器(9)内蒸发固体残留物达到规定值后，通过安装在负压干燥器顶部进口管道上的清洗管道阀门Fn3向负压干燥器(9)以规定流量提供清洁水，以清洗并安全拆卸连接负压干燥器(9)与浓集废水槽罐(11)之间的连接软管即供浓集废水软管;
采用负压蒸发方法蒸干负压干燥器(9)中添加的清洁水;为了降低拆除连接软管过程中放射性物质的释放或污染扩散风险，宜采用3次冲洗;
(五)负压干燥器拆除与包装暂存
将供浓集废水软管和负压干燥器(9)顶部的水蒸汽出口软管从负压干燥器上拆除，加盖容器防护盖，紧固;负压干燥器外表面去污达到规定的表面污染控制值后，暂存，或装入200L标准废物桶整备。
说明书
一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统及其方法
技术领域
本发明属于核燃料循环技术领域，具体涉及乏燃料后处理过程中产生的大量高比放放射性废水的负压蒸发浓缩处理系统及方法。
背景技术
完备的核燃料循环体系是核能(电)清洁、高效利用的基础，而乏燃料元件后处理则是核燃料循环的重要环节。核电站运行将产生大量的乏燃料，如果没能得到妥善处置，将对地球生物生物圈产生潜在安全威胁，进而对人类生存环境构成潜在危害，必须寻求更加经济可行的技术对乏燃料进行安全处置。在乏燃料后处置技术领域，水法后处理技术是目前唯一有商业应用的后处理技术，干法和超临界流体萃取法是待开发的新技术。水法后处理技术是专门为提取回收乏燃料中有用核燃料U、Pu设计的，利用萃取剂对U、Pu选择特点实现U、Pu与其他放射性物质分离，最新发展的乏燃料后处理/分离一体化流程，不仅可以实现U、Pu的回收，还能够实现MA和LLFP的分离。但水法后处理技术必须经历固态-溶液-固态转换，处理过程复杂，处理过程中会产生大量二次高放废液，废水中含有大量含有放射性核素U、Pu和其他裂变碎片核素的废水，其放射性比活度很高，处理过程中防护要求高。此外，废水中还含有相当高浓度的氚，按照国家氚环境排放有关标准，不能直接排放。乏燃料处理过程中产生大量二次高放废液用传统的放射性废水处理方法面临诸多问题。例如，传统的离子交换法虽是处理低水平含U废水的适宜方法，目前在国内核设施废水处理工厂得到广泛应用，但由于离子交换阳离子树脂柱离子交换量有限，处理这种含多种放射性阳离子的高浓度废水时，离子交换柱内离子交换树脂会很快饱和且还会产生大量放射性二次固体废物，效率低且不符合废物最小化原则，不适宜处理这类高放废水;传统的絮凝共沉淀是处理低水平含Pu放射性废水成熟技术，但将这种技术应用于处理这种含多种放射性阳离子高浓度废水时，同样会伴随产生大量放射性水平很高的废泥浆，这种高水平放射性泥浆需要进一步的妥善处置，成本比较高，这种方法会额外产生大量高比放固体废物，也不符合废物最小化原则;早期在部分国家曾经使用过天然蒸发池蒸发处理放射性废水技术，利用高温、干燥地区自然挥发对低水平放射性废水进行浓缩处理，但由于这种方法存在较高的放射性废水渗漏等环境风险早就被很多国家禁止使用，这样的技术也不能用于处理含氚废水。因此，开发安全可靠、经济可行的高比放放射性废水的处理技术很有必要，对于完善我国乏燃料元件的后处理技术也有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的诸多问题而提供一种工艺更加简单、处理过程安全可控、便于实现遥控或自动化操作、工艺过程中放射性物质释放风险小、废物最小化的一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统。
本发明的目的是这样实现的：一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统及其方法，废水原水槽罐出口经管道接于废水原水计量泵JB4进口，该计量泵JB4出口经管道接于负压蒸发塔中部废水注入口，废水通过水喷头自上而下在蒸发柱段的蒸发膜片表面形成液膜并负压蒸发形成水蒸汽，布置于阱型加热电炉中的负压蒸发塔顶端的蒸汽导出口经软管接于第一除雾塔底部进口，第一除雾塔顶部出口经管道连接初级冷却塔顶部水蒸汽进口，初级冷却塔底部残余蒸汽出口经管道连接次级冷却塔顶部水蒸汽进口，次级冷却塔底部残余蒸汽出口经管道连接水环式真空泵进口，该真空泵的冷凝水出口经其上设置有计量泵JB3的管道接于冷凝水暂存罐进口，初级冷却塔底部的冷凝水导出口以及次级冷却塔底部的冷凝水导出口分别经计量泵JB1以及计量泵JB2输送至冷凝水暂存罐进口;负压蒸发塔底部的浓集废水出口经管道接于浓集废水槽罐进口，浓集废水槽罐出口经软管接于浓集废水计量泵JB5出口，该计量泵JB5出口经软管接于负压干燥器顶部进口，负压干燥器置于阱型电炉中，负压干燥器顶部的水蒸汽出口经软管接于第二除雾塔底部进口，第二除雾塔顶部出口经管道接于初级冷却塔顶部水蒸汽进口。
本发明的另一目的是提供一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理方法。
本发明的另一目的是这样实现的：一种高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统的废水处理方法，包含以下步骤：
(一)负压蒸发浓缩处理系统连接与准备
将系统各个设备用阀门和管道连接，连接前系统各个设备的密封性检验应符合技术条件要求;
开启初级冷却塔、次级冷却塔循环冷却水，同时冷却初级冷却塔、次级冷却塔,冷却水为室温;
启动负压蒸发塔阱型加热电炉，控制负压蒸发塔外壁温度在80℃-120℃之间;启动负压干燥器阱型电炉，加热负压干燥器，控制负压干燥器外壁温度120℃-150℃之间;
启动水环式真空泵，对系统抽真空，使压力小于50kPa;
(二)高比放放射性废水预浓集
启动废水原水计量泵JB4，通过该计量泵以规定流量由废水原水槽罐向负压蒸发塔中部废水注入口注入规定流量废水，废水通过水喷头进入负压蒸发段，废水自上而下在蒸发芯体蒸发膜片表面形成液膜并负压蒸发形成水蒸汽，水蒸气通过第一除雾塔除去水蒸气中微小雾滴后依次进入初级冷凝塔和次级冷凝塔，分别通过计量泵JB1和计量泵JB2将冷凝水收集于冷凝水暂存罐内;由于持续的蒸发作用，废水自上而下流动过程中将逐渐被浓缩，浓缩液集存于负压蒸发塔底部并进入浓集废水槽罐中暂存;
(三)浓集废水干燥
启动浓集废水计量泵JB5，通过该计量泵以规定流量由浓集废水槽罐向负压干燥器顶端废水注入口注入规定流量的浓集废水，浓集废水在负压干燥器中负压蒸发形成水蒸汽，通过第二除雾塔除去微小水滴后，依次进入初级冷却塔和次级冷却塔，冷凝形成水后收集于冷凝水暂存罐内;浓缩废液蒸干后留下固体残留物沉积于负压干燥器底部;通过在线称重，或物料衡算，或放射性总量测定技术手段确定负压干燥器内固体物总量和放射性物质总量达到规定值后停止向负压干燥器供浓集废水;
(四)连接管道冲洗
当负压干燥器内蒸发固体残留物达到规定值后，通过安装在负压干燥器顶部进口管道上的清洗管道阀门Fn3向负压干燥器以规定流量提供清洁水，以清洗并安全拆卸连接负压干燥器与浓集废水槽罐之间的连接软管即供浓集废水软管;
采用负压蒸发方法蒸干负压干燥器中添加的清洁水;为了降低拆除连接软管过程中放射性物质的释放或污染扩散风险，宜采用3次冲洗;
(五)负压干燥器拆除与包装暂存
将供浓集废水软管和负压干燥器顶部的水蒸汽出口软管从负压干燥器上拆除，加盖容器防护盖，紧固;负压干燥器外表面去污达到规定的表面污染控制值后，暂存，或装入200L标准废物桶整备。
负压蒸发浓缩处理高比放放射性废水是一种成本低、安全可靠和环境风险可控的新技术，由于废水中放射性物质属于非挥发组分，浓缩、干燥处理时浓缩减容比很高，处理后存留的固体残渣量少，甚至便于后续工序对残渣中有用的U、Pu的进一步回收利用，是一种有发展潜力和推广价值的技术之一。高比放放射性废水的安全处理技术是泛燃料后处理的核心技术之一，发展有自主知识产权的先进技术，对于推动我国乏燃料元件处理技术进步有重要意义。本发明基于低温负压蒸发干燥原理，在前期相关技术研究基础上，为解决相关背景需求中面临的问题发展起来的一项新技术。
本发明的有益效果是：实现了危险性很高的高放放射性废水的预浓集和干燥处理，在获得了很高的减容比的同时，放射性很强的蒸干残留物得到了安全包容，技术进步显著;处理过程中辐射高风险高的工艺过程，包括高放废水转移、蒸发浓缩、蒸发干燥，蒸发水蒸气冷凝等工艺过程都在密封性要求很高的管道系统及设备内完成，且负压操作，能有效降低操作过程中放射性危险物质外泄风险;废水预浓集、浓集废水干燥等全工艺过程都可实现全程自动远程控制，减少了工作人员现场操作的外照射辐照风险。与背景技术比较，本发明的高比放放射性废水负压蒸发浓缩处理系统结构简单，工艺流程合理，方法先进;本发明各个环节紧密相扣，其不仅实用性相当强，而且运行稳定可靠，可推广应用到核设施退役、乏燃料后处理等领域高比放放射性废水的安全处理，用显著的技术进步，有很好的商业应用前景。对于推动我国具有自主知识产权的核电乏燃料处理技术进步有积极意义。