UF6干法轉(zhuǎn)化尾氣處理及HF回收設(shè)計(jì)探討

李冠華　何廣昌　張超

【摘 要】本文結(jié)合UF6轉(zhuǎn)化干法生產(chǎn)線特點(diǎn)，對含有較高濃度HF氣體和鈾化合物粉塵的尾氣處理以及HF回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述和分析，并對如何提高該系統(tǒng)有效性和安全性等重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】干法線；尾氣處理；HF回收

0 引言

UF6干法轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)工藝的原因會產(chǎn)生大量含有較高濃度HF氣體和微量鈾化合物（UO2F2）粉塵的尾氣。由于HF氣體及其水溶液具有劇毒性、強(qiáng)腐蝕性和強(qiáng)刺激性，對人體的呼吸系統(tǒng)和粘膜有較強(qiáng)的腐蝕作用，過量接觸會對人體長生嚴(yán)重危害。同時(shí)，鈾及其化合物均具有較強(qiáng)的化學(xué)毒性和輻射危害，可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)，引起重金屬中毒和內(nèi)照射。因此需采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案對有害尾氣進(jìn)行處理，確保生產(chǎn)操作人員的職業(yè)衛(wèi)生安全。本文結(jié)合UF6化工轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，對目前采用的尾氣回收和處理的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行描述，并就設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)行了分析和探討，以期對今后的工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 尾氣處理主要危險(xiǎn)源項(xiàng)

1.1 HF氣體及其水溶液

HF屬高毒類物質(zhì)，其對人體的危害為：嗅覺閾值0.03mg/m3；在25mg/m3時(shí)已感到刺激；26mg/m3時(shí)耐受數(shù)分鐘；在50mg/m3時(shí)引起眼和鼻黏膜刺激癥狀，皮膚刺痛；100mg/m3濃度下只能耐受1min；400～430mg/m3濃度下，急性中毒致死。工作場所F離子的職業(yè)接觸限值為2mg/m3（按F計(jì)）[1]。

HF氣體在較低溫度下會和水蒸氣共同冷凝生成氫氟酸。氫氟酸有劇毒，吸入高濃度的氫氟酸酸霧會引起支氣管炎和出血性肺水腫。氫氟酸還對皮膚有強(qiáng)烈刺激性和腐蝕性，可經(jīng)皮膚吸收而引起嚴(yán)重中毒。

因此，在尾氣處理工序中必須采取措施保證HF氣體冷凝回收裝置的安全性和有效性，避免泄漏造成設(shè)施和人員傷害。

1.2 鈾化合物粉塵和含鈾氣溶膠

干法化工生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化反應(yīng)化學(xué)方程式為：UF■+H■O→UO■F■+HF，UO2F2為羽狀固體化合物，可能以粉塵形式進(jìn)入尾氣造成污染[2]。

攝入可溶性鈾化合物會對腎臟造成急性化學(xué)損傷，超過限值會使人骨骼畸形，同時(shí)α射線會對人造成內(nèi)照射，誘發(fā)血淋巴染色體畸變及各種腫瘤。吸入可溶性鈾0.03mgU/kg不會對人體健康造成影響；吸入0.058mgU/kg可能造成短暫腎臟傷害或影響；0.3mgU/kg是造成持久腎臟傷害的最低量；而半致命量為1.63mgU/kg（以上數(shù)值均為相對于生物體的重量）。

1.3 H2氣體

干法轉(zhuǎn)化過程中使用H2氣還原UO2F2生成UO2。過量的H2氣與其他氣體一起進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)。由于氫氣的易燃易爆性質(zhì)，在尾氣處理中必須采取措施清除未完全反應(yīng)的H2，保證系統(tǒng)和人員安全。

2 尾氣處理設(shè)計(jì)方案分析

2.1 設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)

原料UF6與水蒸氣在氣相狀態(tài)下反應(yīng)生成UO2F2羽狀粉末，按照UF6流量約為50kg/h保守計(jì)算，非揮發(fā)性粉塵釋放因子為0.01，尾氣中鈾粉塵產(chǎn)生率約為338.1gU/h[3]。微孔管過濾器過濾效率取99%（一般>99%），則轉(zhuǎn)化爐尾氣鈾排放速率最大約為3.4gU/h。

HF作為劇毒氣體，依照其性質(zhì)采取冷凝回收處理方法，并通過水噴射泵進(jìn)行吸收洗滌，保證處理后含量達(dá)到安全閾值以下，達(dá)標(biāo)排放。

H2氣體為易燃易爆氣體，為防止其在車間內(nèi)可能的積聚，在尾氣處理工序中設(shè)置點(diǎn)火裝置，將H2點(diǎn)燃以達(dá)到去除的目的。并在室內(nèi)設(shè)置H2氣檢測裝置，當(dāng)檢測到濃度超標(biāo)時(shí)打開事故排風(fēng)機(jī)組進(jìn)行強(qiáng)制換氣。

尾氣中含有的微量UO2F2粉塵主要通過水噴射機(jī)組進(jìn)行洗滌吸收。

2.2 設(shè)計(jì)方案

由反應(yīng)室出來的工藝尾氣，通過蒙乃爾合金管道（沿流體流向1%坡度）進(jìn)入尾氣處理間，進(jìn)氣溫度約為165℃，尾氣中含有HF、N2氣體、水蒸汽、H2氣以及微量鈾化合物粉塵。尾氣首先經(jīng)過預(yù)冷器冷卻降溫，產(chǎn)生少量HF酸凝結(jié)液，沿坡向冷凝器的尾氣管道與未凝及不可凝氣體一起進(jìn)入石墨增強(qiáng)聚丙烯冷凝器。冷凝器進(jìn)氣溫度約為120℃，使用進(jìn)水溫度≤7℃的低溫水作冷媒再次冷凝，將大部分水蒸汽和HF氣體轉(zhuǎn)化為濃度40%左右的氫氟酸，并收集在氫氟酸冷凝液收集槽中；冷凝器中低溫冷卻水經(jīng)過換熱后出水溫度約為12℃，作為預(yù)冷器冷卻水后回制冷機(jī)組循環(huán)使用。冷凝液收集槽內(nèi)液體溫度為20℃，當(dāng)收集到一定量后，槽中氫氟酸會通過溢流和虹吸作用通過管道進(jìn)入氫氟酸貯槽暫存，并定期通過氫氟酸泵和轉(zhuǎn)運(yùn)槽車轉(zhuǎn)移到氫氟酸庫。

經(jīng)過石墨冷凝器處理后的不凝氣體通過尾氣管道進(jìn)入水噴射機(jī)組進(jìn)行吸收洗滌。尾氣洗滌裝置設(shè)為兩級，可并行和串行操作，便于工作人員根據(jù)工況對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。循環(huán)槽中洗滌液循環(huán)使用，在槽體底部設(shè)置取樣口，通過定時(shí)取樣分析，監(jiān)測洗滌液中F離子含量≤3g/L，U離子含量≤300mg/L，在限定濃度內(nèi)定期更換，送相關(guān)工序處理。

經(jīng)過水吸收后的尾氣基本上僅含有N2氣和H2氣，而HF氣體和鈾氣溶膠含量甚微，排放后不會對環(huán)境造成危害。尾氣經(jīng)點(diǎn)火裝置燃盡H2氣后排入局部排風(fēng)系統(tǒng)。

由于氫氟酸具有強(qiáng)腐蝕性，需要選擇耐腐蝕的管道和相關(guān)閥件以保證系統(tǒng)密閉性和完整性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用鋼襯聚四氟乙烯作為管道材料，但是由于該種管材制作和安裝繁瑣，且易出現(xiàn)腐蝕，目前嘗試采用聚偏二氟乙烯管道作為常溫氫氟酸輸送管道[4]。管道敷設(shè)及連接部位設(shè)置管道井，以保證事故情況下泄露的氫氟酸被密封在較小的范圍內(nèi)。

2.3 設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)

尾氣處理系統(tǒng)安全重要設(shè)備有：冷凝器、冷凝液槽、低溫水系統(tǒng)、水噴射機(jī)組、氫氟酸儲槽，點(diǎn)火裝置等。其安全保障措施如下：

石墨冷凝器作為HF氣體冷凝回收的關(guān)鍵設(shè)備，計(jì)算換熱面積為18.53m2，設(shè)計(jì)采用30m2換熱面積，以保證在操作過程中的換熱余量。

冷凝液槽作為氫氟酸冷凝液的收集容器，其密封性和安全性至關(guān)重要，因此在管道設(shè)計(jì)上采用溢流和虹吸方式出液，出液后槽內(nèi)保持一定高度的液位，確保系統(tǒng)的氣密性不被破壞；并設(shè)置上液位監(jiān)測系統(tǒng)，防止冒槽。同時(shí)在冷凝液槽上設(shè)置取樣口，通過控制分析室檢測確保氫氟酸濃度合格以及鈾離子濃度≤3ppm。

低溫冷卻水系統(tǒng)是HF氣體冷凝回收的重要保證。在冷凝器的進(jìn)口和出口處均設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，確保進(jìn)水溫度<7℃，溫升為5℃。同時(shí)設(shè)置入口流量和壓力監(jiān)測，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)報(bào)警并啟用應(yīng)急冷卻系統(tǒng)。

水噴射器和循環(huán)槽可以將未冷凝的HF氣體和鈾化合物粉塵洗滌吸收，保證排氣的安全。該系統(tǒng)設(shè)置兩級水噴射吸收裝置，并各設(shè)兩臺循環(huán)泵，一備一用。一方面保證發(fā)生單一操作錯(cuò)誤或設(shè)備故障時(shí)不會導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)和化學(xué)危險(xiǎn)物質(zhì)釋放，另一方面通過轉(zhuǎn)爐內(nèi)的壓力信號控制水噴射器吸氣口進(jìn)口壓力并實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，保證爐壓穩(wěn)定。在循環(huán)槽上設(shè)置取樣口，通過檢測循環(huán)液中F離子和U離子濃度保證臨界安全和洗滌效果。

氫氟酸儲槽統(tǒng)一放置在氫氟酸暫存間內(nèi)，通過實(shí)體墻與外部環(huán)境隔離。暫存間設(shè)有HF探測報(bào)警裝置，信號傳輸至控制室，一旦發(fā)生HF泄漏，將在操作崗位和控制室報(bào)警，保證操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理。在氫氟酸暫存間入口處設(shè)置氣衣間和洗眼器，所有進(jìn)入暫存間的操作人員都必須穿戴防護(hù)裝備，以最大限度減少氫氟酸對操作人員的影響。同時(shí)，在氫氟酸暫存間出口處設(shè)置30cm高圍堰，確保氫氟酸儲槽泄漏時(shí)酸液全部被封閉在暫存間內(nèi)。

在尾氣處理系統(tǒng)中使用的所有液體貯槽，均設(shè)置液位監(jiān)測裝置，確保出現(xiàn)事故時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

點(diǎn)火裝置通過點(diǎn)燃尾氣中的H2氣以消除意外聚集的可能。點(diǎn)火裝置上設(shè)有火焰監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)和連續(xù)點(diǎn)火裝置，熄火時(shí)能自動點(diǎn)燃，并在點(diǎn)火裝置進(jìn)氣管道上設(shè)置阻火器。同時(shí)為確保廠房和人員安全，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2006）和《爆炸和火災(zāi)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50058-92）的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將氫氣和天然氣濃度檢測報(bào)警裝置的報(bào)警控制值設(shè)為爆炸下限的10%。

3 尾氣處理設(shè)計(jì)展望

干法化工轉(zhuǎn)化尾氣處理設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足生產(chǎn)和安全需要，并不斷提高完善化、合理化、自動化水平。

當(dāng)前工藝中氫氟酸濃度及U離子濃度均采用現(xiàn)場取樣控制室分析的方法進(jìn)行檢測，不適合連續(xù)生產(chǎn)監(jiān)測，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除生產(chǎn)異常情況，產(chǎn)品質(zhì)量控制難以保障。后續(xù)設(shè)計(jì)中，將以連續(xù)在線檢測為重點(diǎn)，當(dāng)氫氟酸產(chǎn)品參數(shù)異常時(shí)報(bào)警并自動進(jìn)行管道切換，將不合格產(chǎn)品導(dǎo)入事故儲槽進(jìn)行處理。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案通常只設(shè)置一條氫氟酸管道，一旦發(fā)生管道泄漏，在檢修過程中不可避免會對操作人員身體健康產(chǎn)生威脅。如果可以通過實(shí)際運(yùn)行取得管材的使用壽命，在生產(chǎn)運(yùn)行期內(nèi)預(yù)留數(shù)根管線，當(dāng)所用管道發(fā)生問題時(shí)只需切換到預(yù)留管道，則可以有效減少操作量和接觸時(shí)間。

4 結(jié)論

本文對鈾化工轉(zhuǎn)化干法生產(chǎn)線尾氣處理以及HF回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，闡明了尾氣處理工序中需要關(guān)注的細(xì)節(jié)和重點(diǎn)，并就個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對未來該系統(tǒng)的發(fā)展方向和目標(biāo)提出了意見和看法。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]Air Sampling in the Workplace，NUREG-1400[S].

[4]喬治·費(fèi)歇爾塑料管道系統(tǒng)耐化學(xué)腐蝕性能手冊[S].

[責(zé)任編輯：張濤]