鈾濃縮蒸發(fā)器改進(jìn)措施研究

任紅平（中國(guó)四○四有限公司第三分公司，甘肅 蘭州732850）

在許多國(guó)外后處理廠蒸發(fā)器是實(shí)現(xiàn)鈾濃縮操作的基本設(shè)備。而在諸多蒸發(fā)器型式中，鈾濃縮及廢液蒸發(fā)的過(guò)程一般采用外加熱蒸發(fā)器較為普遍[1]。它具有造價(jià)低廉，傳熱效果好，處理量大等優(yōu)點(diǎn)[2]。

鈾濃縮蒸發(fā)器采用外加熱式蒸發(fā)器，是鈾尾端關(guān)鍵設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著為流化床、電解槽供料的重要任務(wù)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如液位顯示不穩(wěn)定，冷凝液溫度較高等，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并取得了較好的效果。

1 設(shè)備及原理

圖1 外加熱式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

外加熱式蒸發(fā)器主要是由加熱室和分離室兩大部分構(gòu)成，料液從進(jìn)料口加入，液位加至中央循環(huán)管中線時(shí)，停止加料通入蒸汽，加熱蒸汽走殼程，料液走管程。由于熱溶液的比重小于冷溶液，加熱沸騰的料液在管束內(nèi)不斷上升，而冷料液不斷補(bǔ)充，形成自然循環(huán)。沸騰的料液進(jìn)入分離室后，二次蒸汽從料液中溢出，并夾帶有大量霧沫。二次蒸汽在容積較大的分離空間慢慢上升，夾帶的霧沫相互碰撞，匯集成較大的液滴，在自身重力的作用下墜落而與二次蒸汽分離[3]。通過(guò)此過(guò)程的不斷進(jìn)行，不易揮發(fā)的物質(zhì)會(huì)在蒸發(fā)器內(nèi)不斷積累，促使料液濃度不斷上升，最后達(dá)到工藝中需求的濃度。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

供料罐備好需要鈾濃縮蒸發(fā)試驗(yàn)的冷鈾料液，檢查相關(guān)的蒸汽及壓空供給及設(shè)備、儀表正常后，在設(shè)計(jì)的×××kgU/d 處理量下按照操作規(guī)程啟動(dòng)蒸發(fā)器及系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。鈾濃縮蒸發(fā)器啟動(dòng)后，記錄蒸發(fā)系統(tǒng)各控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的起始數(shù)據(jù)。每隔一段時(shí)間記錄一次蒸發(fā)器內(nèi)壓力、溫度、液位、密度等參數(shù)，并記錄開(kāi)始加熱后各參數(shù)值的變化情況。注意觀察蒸發(fā)器內(nèi)液位、壓力、密度顯示值的穩(wěn)定性，若液位、密度顯示值不穩(wěn)定，波動(dòng)超過(guò)5%則適當(dāng)調(diào)整加熱蒸氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥以保證其運(yùn)行穩(wěn)定；并在運(yùn)行中關(guān)注二次蒸汽冷凝水溫度和絲網(wǎng)除沫器壓差的變化情況。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在試驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)器液位控制在原設(shè)計(jì)的400mm，首先打開(kāi)冷凝水及冷卻水閥門(mén)，開(kāi)啟二次蒸汽冷凝冷卻器和壓空噴射器，當(dāng)蒸發(fā)器液位充至400mm 關(guān)閉計(jì)量泵（鈾濃縮蒸發(fā)器液位控制在原設(shè)計(jì)的400mm），之后開(kāi)啟加熱蒸汽閥門(mén)使蒸發(fā)器內(nèi)物料升溫，等到蒸發(fā)器液位開(kāi)始下降時(shí)再啟動(dòng)進(jìn)料劑量泵運(yùn)行。

從以上數(shù)據(jù)表明蒸發(fā)器在蒸發(fā)濃縮硝酸鈾酰時(shí)，液位在290mm～670mm之間，與設(shè)計(jì)的400mm相比較，變化幅度較大；密度指示波動(dòng)較大，不能反映濃縮液的真實(shí)密度。溫度指示不能滿足運(yùn)行要求，溫度最高只能達(dá)到102.9℃；蒸發(fā)器壓力滿足設(shè)計(jì)要求，但冷凝冷卻器冷凝液溫度高于設(shè)計(jì)的40℃，最高達(dá)到58.3℃不滿足要求。

4 試驗(yàn)問(wèn)題分析及改進(jìn)

4.1 液位、密度測(cè)量的改進(jìn)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出鈾濃縮蒸發(fā)器的液位和密度波動(dòng)較大。鈾濃縮蒸發(fā)器原設(shè)計(jì)的測(cè)量液位的吹氣管線為a 管和c管，測(cè)量密度的吹氣管線為b管和c管。經(jīng)分析，密度波動(dòng)較大的原因主要是由于測(cè)量密度的兩根吹氣儀表管b管和c管管口位差較小，僅為100mm。通過(guò)改進(jìn)重新安裝了吹氣儀表管c管，將測(cè)量密度的兩根吹氣管管口位差由100mm增大到750mm，吹氣管c 加長(zhǎng)部分見(jiàn)圖3 中虛線部分。改進(jìn)后由于吹氣管c 管比原管長(zhǎng)度增加了650mm，因此液位達(dá)到中央循環(huán)管中心線時(shí)的液位也由原來(lái)的400mm 改為1050mm。在今后的試驗(yàn)中，液位采用1050mm作為控制值。鈾密度測(cè)量的公式可知g、H均是定值，ρ值的變化只與ΔP的變化有關(guān)。增加了吹氣測(cè)量管之間的間距，也就是增加了ΔPbc和H 的值，而吹氣儀表的壓差波動(dòng)范圍是一定的，如果設(shè)定壓差波動(dòng)值為X，因此可得出ρ顯=因此隨著ΔPbc與H值增大，波動(dòng)值X對(duì)ρ顯的影響會(huì)明顯減小。液位測(cè)量的公式為ρ顯的波動(dòng)范圍變小后，液位測(cè)量值自然會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。

4.2 冷凝冷卻器的重新設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，在設(shè)計(jì)處理下鈾濃縮蒸發(fā)器正常運(yùn)行中冷凝冷卻器冷凝液溫度基本≥40℃，不滿足設(shè)計(jì)要求的≤40℃，因此對(duì)冷凝冷卻器的換熱面積重新進(jìn)行核算。

通過(guò)計(jì)算將冷凝液溫度降低到40℃時(shí)冷凝冷卻器的傳熱面積需10.6m2，而原設(shè)計(jì)的冷凝冷卻器換熱面積是10.1m2，因此冷凝冷卻器冷卻換熱面積不能滿足要求[4]。

因此對(duì)冷凝冷卻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，加大了冷凝冷卻器的換熱面積，由于設(shè)備室空間問(wèn)題將立式改為臥式，重新布置相關(guān)的管道。經(jīng)過(guò)后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，冷凝冷卻器冷凝液溫度低于40℃，新設(shè)計(jì)冷凝冷卻器換熱面積滿足要求。

4.3 冷凝液走向設(shè)計(jì)變更

在鈾濃縮蒸發(fā)器的試驗(yàn)過(guò)程中，原設(shè)計(jì)的冷凝液貯槽內(nèi)的冷凝液，加入去離子水稀釋后配置成0.01mol/L 硝酸，送共去污分離工序做1CX使用。試驗(yàn)中對(duì)冷凝液取樣分析發(fā)現(xiàn)，冷凝液貯槽的酸度基本在0.1mol/L 至0.3mol/L 之間，而調(diào)料的稀釋倍數(shù)達(dá)到10到30倍之間，由于貯槽體積的限制，無(wú)法進(jìn)行稀釋操作，因此不能作為1CX使用。后續(xù)試驗(yàn)中經(jīng)取樣發(fā)現(xiàn)冷凝液取樣分析鈾濃度小于1×10-3g/L，而β、α、氚也均滿足低放排放標(biāo)準(zhǔn)。因此將原設(shè)計(jì)去1CX 改為直接去冷凝液貯槽后做低放排放。

5 結(jié)語(yǔ)

在鈾濃縮蒸發(fā)器試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了鈾濃縮蒸發(fā)器存在液位、密度顯示波動(dòng)大，溫度測(cè)量不準(zhǔn)確，冷凝水溫度過(guò)高，冷凝水去向設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析排查，找出解決問(wèn)題的方法，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)后可滿足設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)其整改的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，保證了鈾濃縮蒸發(fā)器的穩(wěn)定運(yùn)行。