后處理廠溶解排氣系統(tǒng)的流程優(yōu)化設(shè)計

□楊欣靜 鄒洪伶

我國后處理廠當(dāng)前主要采用批式溶解來處理乏燃料，批式溶解時排氣存在氣峰，系統(tǒng)的負壓調(diào)控設(shè)計較為困難。溶解的高溫環(huán)境導(dǎo)致排氣對料液的夾帶量大，排氣的濕含量高。溶解排氣中不僅夾帶有放射性液滴和氣溶膠，還含有隨乏燃料溶解而釋放出129I、85Kr、3H、14C等多種氣態(tài)裂變產(chǎn)物和氮氧化物。隨著溶解反應(yīng)進行程度的不同，溶解排氣的流量波動范圍大，存在較高的氣峰值，峰值排氣量可達平均排氣量的5～8倍。溶解排氣中需要去除的主要是放射性蒸汽、液滴、氣溶膠、氮氧化物和129I。本文研究批式溶解過程下的溶解排氣系統(tǒng)的流程優(yōu)化設(shè)計。

一、單元優(yōu)化設(shè)計

(一)蒸汽凈化單元。溶解排氣中夾帶的高放射性蒸汽和液滴必須在流程前端首先除去，這樣不僅可以快速降低排氣放射性水平，縮短高放射性管路長度，同時可避免蒸汽在管路或凈化設(shè)備中冷凝成水，使管路堵塞或?qū)υO(shè)備造成不良影響。所以，首先將溶解排氣通入冷凝冷卻器中。排氣的氣體飽和濕度隨氣體溫度的降低而減小，且氣體溫度越高，冷卻所產(chǎn)生的濕含量降低效果越明顯。假設(shè)冷凝冷卻器將初始溶解排氣由80℃冷凝至40℃，由表1可知，排氣濕含量將由290.7g/m3降低到50.8g/m3，大量蒸汽從排氣轉(zhuǎn)入冷凝液中。

表1 不同溫度下飽和空氣中水蒸氣壓力及濕含量

(二)液滴和氣溶膠凈化單元。經(jīng)冷凝冷卻后的不凝氣中還含有較多放射性氣溶膠，可設(shè)置多管除塵器、淋洗塔等氣溶膠前級凈化設(shè)備[1]。由于通入蒸汽與排氣接觸，多管除塵器排出的溶解排氣中夾帶有較大液滴，應(yīng)設(shè)置絲網(wǎng)捕集器去除液滴。為增強捕集器氣液分離效果，在多管除塵器與捕集器之間設(shè)置氣體冷卻器，降低排氣溫度。

(三)酸回收單元。去除蒸汽與初步凈化氣溶膠后的溶解排氣中，還含有氮氧化物和129I。建議工藝排氣系統(tǒng)以堿液洗滌法作為前級除碘手段，以附銀吸附法作為補充除碘手段；以水吸收法凈化回收氮氧化物。溶解排氣應(yīng)首先去除氮氧化物，然后再凈化放射性碘。氮氧化物吸收塔須設(shè)置在堿液洗滌塔之前，否則氮氧化物將被堿液中和，而在氮氧化物吸收塔中被吸收進入回收酸中的碘，易于通過與加熱空氣對流的方式趕回排氣系統(tǒng)中；對于內(nèi)陸后處理廠，由于含碘廢液的處理處置較為困難，可僅采用吸附劑作為除碘手段(在保證碘的凈化效率前提下)，此時，兩個凈化單元的設(shè)置順序與吸附劑選型有關(guān)。銀八面沸石的耐酸性能有限，已吸附的碘有可能因為排氣中氮氧化物的侵蝕作用而又釋放出來，銀八面沸石必須設(shè)置在氮氧化物吸收塔之后；附銀硅膠耐酸性能強[2]，設(shè)置在氮氧化物吸收塔前后均可。為使流程設(shè)計整齊劃一，可統(tǒng)一將除碘工序設(shè)置在氮氧化物吸收工序之后。

由于排氣中含有大量不與水反應(yīng)的一氧化氮，為提高氮氧化物吸收率，在進行氮氧化物吸收之前，設(shè)置一氧化氮氧化器，先將一氧化氮氧化為二氧化氮。氧化器之后設(shè)置氮氧化物吸收塔，用去離子水或稀硝酸逆流吸收排氣中的氮氧化物，形成回收酸復(fù)用。在一氧化氮氧化器前設(shè)置補氣點，一方面可維持氮氧化物吸收塔進氣流量的穩(wěn)定，另一方面通入空氣有利于一氧化氮的氧化。

(四)129I凈化單元。排氣在酸回收之后，進行129I的凈化處理。在氮氧化物吸收塔后設(shè)置堿液洗滌塔，使排氣與氫氧化鈉溶液逆流接觸，初步凈化溶解排氣中的129I。堿液洗滌塔也可以對14C起到一定的凈化作用。從堿液洗滌塔排出的氣體中也夾帶有較多液滴，為避免液滴打濕附銀吸附劑和過濾器芯，設(shè)置冷卻器和絲網(wǎng)捕集器截留排氣中的液滴。然后將排氣加熱至最佳吸附溫度后通入附銀吸附器補充除碘。

(五)高效過濾單元。除碘后的溶解排氣在排放之前，還需要經(jīng)過中效過濾器和兩級高效過濾器(由于溶解排氣放射性水平高，所以增設(shè)一級高效過濾器)，除去排氣中的微小液滴和氣溶膠，使排氣的放射性水平進一步降低，達到排放標準。在碘吸附器后設(shè)置冷卻器，將排氣在過濾器中的溫度維持在100℃左右，避免排氣冷凝成液打濕過濾器芯或?qū)⑦^濾器芯燒壞。凈化后的溶解排氣冷卻至40℃后由風(fēng)機排往排風(fēng)煙囪。

二、負壓調(diào)控

工藝排氣系統(tǒng)除了要滿足工藝廢氣的凈化要求外，還是密封放射性物質(zhì)的重要屏障，影響到主工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。工藝排氣系統(tǒng)必須確保工藝設(shè)備及管道相對設(shè)備室(或熱室)存在一定的負壓梯度，以防止放射性物料外逸，甚至需要精確控制某些關(guān)鍵設(shè)備的壓力參數(shù)，進而保障主工藝過程的穩(wěn)定運行。出于這個原因，工藝排氣系統(tǒng)必須合理進行規(guī)模大小的劃分，規(guī)模適中的排氣系統(tǒng)有利于負壓的維持和調(diào)節(jié)。除此之外，工藝排氣系統(tǒng)還必須設(shè)置一些負壓調(diào)節(jié)手段，維持管路及設(shè)備負壓，以保障排氣過程的平穩(wěn)進行，并在出現(xiàn)一些異常工況的情況下，能夠通過系統(tǒng)負壓的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)回歸正常狀態(tài)。工藝排氣系統(tǒng)中較為常見的負壓和流量調(diào)控手段有以下幾種。

(一)保證設(shè)備液封。為保證氣體凈化設(shè)備的負壓，設(shè)備連接的廢液管應(yīng)插入廢液槽底部形成液封；貯槽上的接管也要具體考慮是否液封，避免出現(xiàn)漏氣和竄氣的情況，增大負壓調(diào)節(jié)難度。

以溶解排氣系統(tǒng)捕集器是否液封為例進行說明。在捕集器的廢液管未插入廢液槽底部形成液封的情況下，當(dāng)廢液管不滿流(這種情況經(jīng)常出現(xiàn))時，溶解排氣與廢液槽呼排相連通，存在竄氣的可能。當(dāng)溶解排氣系統(tǒng)負壓高于貯槽呼排系統(tǒng)時，廢液槽呼排氣可能進入溶解排氣系統(tǒng)，反之，溶解排氣可能進入呼排系統(tǒng)。這不僅會增加各系統(tǒng)排氣總量的不確定性，加大系統(tǒng)負壓調(diào)節(jié)難度，同時使捕集器負壓無法得到保障，影響其凈化效率。所以在設(shè)備設(shè)計，尤其是排氣系統(tǒng)設(shè)備和某些特殊槽罐的設(shè)計時，應(yīng)認真考慮伸入設(shè)備內(nèi)部管線的水封，盡量避免出現(xiàn)竄氣或漏氣的情況，同時嚴格按照規(guī)程操作，以保證設(shè)備的負壓。此外，廠房的通風(fēng)排氣也有通過設(shè)備室地坑竄入貯槽呼排處理系統(tǒng)的可能，這會造成工藝排氣量增大，加重排氣系統(tǒng)的工作負荷。向地坑中加入適量去離子水或烯酸進行液封，以實現(xiàn)貯槽呼排處理系統(tǒng)與設(shè)備室紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)的隔離。

(二)合理設(shè)置補氣點。對于排氣流量波動范圍較大的排氣管路，應(yīng)專門設(shè)置補氣點，以維持排氣流量的基本穩(wěn)定，防止由于氣體流量變化引起管路壓降的快速變化，使凈化設(shè)備脫離彈性操作區(qū)間，排氣系統(tǒng)管路和關(guān)鍵設(shè)備的負壓脫離控制范圍。

國內(nèi)外后處理廠的工藝排氣系統(tǒng)經(jīng)常使用這種壓力調(diào)控方式。比如美國巴威爾后處理廠，在排氣系統(tǒng)低負載的狀態(tài)下，通過兩個輔助控制裝置維持氣流的穩(wěn)定性。首先，在控制鼓風(fēng)機兩端壓差的情況下，通過向鼓風(fēng)機的進氣口加一些排氣來防止鼓風(fēng)機的波動。其次，在工藝排氣流量較低的情況下，通過與鼓風(fēng)機吸氣控制閥配套工作的比例控制裝置向VOG冷凝器進氣口補充空氣；UP3后處理廠通過向廢包殼再循環(huán)空氣提升裝置通入空氣的量來控制溶解器內(nèi)的壓力。

本文中的溶解排氣系統(tǒng)的流量波動范圍最大，溶解尾氣的峰值氣量可達平均氣量的5～8倍，有必要設(shè)置補氣點，維持總排氣量基本穩(wěn)定，以保證溶解器負壓處于正常水平，保障氣體凈化設(shè)備特別是酸回收各塔器處于正常操作區(qū)間。

(三)設(shè)置連鎖調(diào)節(jié)裝置。連鎖調(diào)節(jié)裝置是一種廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程的，能夠按照規(guī)定的條件或程序來控制有關(guān)設(shè)備的自動操作系統(tǒng)。用于后處理廠工藝排氣系統(tǒng)的連鎖是設(shè)備本身正常運轉(zhuǎn)或者設(shè)備之間正常聯(lián)絡(luò)所必須的連鎖。連鎖調(diào)節(jié)裝置的實質(zhì)在于：執(zhí)行操作A是執(zhí)行操作B的前提條件，執(zhí)行操作B是執(zhí)行操作C的前提條件等，其關(guān)系如下：

前一操作可以是一個具體的操作，也可以是與生產(chǎn)工藝參數(shù)(如壓力、溫度等)聯(lián)系的自動操作。

在工藝排氣系統(tǒng)中不少設(shè)備的正常運行都必須在一定的條件下進行，或者遵守一定的操作程序。在設(shè)備之間往往也存在相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系，必須按照一定的程序或條件來自動控制。通過連鎖調(diào)節(jié)，不但能實現(xiàn)上述要求，而且可以轉(zhuǎn)化操作步驟，避免誤操作。因此，連鎖調(diào)節(jié)裝置在國內(nèi)外后處理廠工藝排氣系統(tǒng)的負壓調(diào)控中應(yīng)用廣泛。比如美國巴威爾后處理廠將高放廢液排放系統(tǒng)的開關(guān)閥與DOG/VOG系統(tǒng)壓力連鎖，在DOG/VOG系統(tǒng)過壓的情況下，自動切斷來自高放廢液的排氣，并把高放廢液排氣轉(zhuǎn)移到鈾產(chǎn)品室。這樣就保護了高放廢液排放系統(tǒng)，并避免DOG/VOG系統(tǒng)壓力進一步增長。

對于各工藝排氣系統(tǒng)，應(yīng)將系統(tǒng)末端壓空噴射器的壓空調(diào)節(jié)閥與噴射器進氣管路負壓連鎖，或與系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備如淋洗塔、緩沖罐等的壓力連鎖(或末端風(fēng)機前的氣動閥門開度與排氣管路負壓/關(guān)鍵設(shè)備壓力連鎖)。當(dāng)排氣管路負壓不足時，自動調(diào)大壓空噴射器的壓空進量或開大風(fēng)機氣動閥門開度，以增大排氣管路負壓；反之則自動調(diào)小壓空噴射器的壓空進量或開小風(fēng)機氣動閥門開度。補氣點的補氣量可與管路中排氣流量或關(guān)鍵設(shè)備的壓力參數(shù)連鎖，自動維持排氣流量的穩(wěn)定或維持關(guān)鍵設(shè)備的正常負壓。

(四)增設(shè)氣體傳輸裝置。當(dāng)排氣系統(tǒng)流程很長，凈化設(shè)備過多，導(dǎo)致系統(tǒng)壓降過大，排氣氣流不暢時，可以在過長的管路中增設(shè)氣體傳輸裝置，這也是負壓調(diào)控的一種手段。比如可在工藝排氣流程中間設(shè)置壓空噴射器，增加氣體傳輸動力，且壓空噴射器的壓縮空氣可作為一種補氣，并設(shè)置連鎖調(diào)節(jié)裝置。

綜合考慮以上幾種負壓調(diào)控手段，溶解排氣系統(tǒng)負壓調(diào)控優(yōu)化設(shè)計建議：將末端壓空噴射器的壓空調(diào)節(jié)閥或羅茨風(fēng)機前氣動閥與排氣管路負壓或關(guān)鍵設(shè)備壓力連鎖自調(diào)；應(yīng)注意設(shè)備液封，防止出現(xiàn)漏氣或竄氣，以保證氣體凈化設(shè)備的負壓；應(yīng)設(shè)置補氣點。其補氣量可與管路排氣流量或關(guān)鍵設(shè)備的壓力參數(shù)建立連鎖；由于壓降過大，可能導(dǎo)致排氣不暢，可以在流程中增設(shè)壓空噴射器。壓空噴射器的壓空可作為補氣，并設(shè)置連鎖。

三、管路壓降分析

本文選擇溶解排氣峰值、平均值、低負載、酸回收過程空置和酸回收過程短路等五種情形進行管路壓降計算。了解不同工況下管阻大小，確保排氣系統(tǒng)在任何工況下都能保持正常的負壓水平，負壓調(diào)控手段可行有效。

(一)計算前提[3]。假設(shè)管內(nèi)氣體是不可壓縮流體，其密度保持不變；計算僅考慮一個使用點時的最大管路壓降，不考慮多個使用點下的情況。

(二)管路壓降計算公式。使用風(fēng)機或壓空噴射器輸送排氣的過程可以視為氣力輸送過程，管路的總壓力損失△Pt由以下幾個部分構(gòu)成[4]：

△Pt=△Pa+△Pp+△Pj+△Psh+△Pw+△Pq(Pa)

式中，△Pa——純氣體(氣體中不含物料)運動產(chǎn)生的壓力損失，Pa；

△Pp——沿直管中輸送氣流與管壁、液滴的摩擦，液滴與管壁及液滴之間相互碰撞摩擦產(chǎn)生的壓力損失，Pa；

△Pj——將液滴加速到穩(wěn)定輸送速度所產(chǎn)生的壓力損失，主要發(fā)生在溶解器、冷凝器和彎管之后，Pa；

△Psh——在垂直管路中提升液滴時克服重力所產(chǎn)生的壓力損失，Pa；

△Pw——彎管壓力損失，主要是由流動方向改變而產(chǎn)生離心力作用，引起液滴沿外壁滑行所產(chǎn)生的壓力損失，Pa；

△Pq——各主要凈化設(shè)備如多管除塵器、捕集器、過濾器等產(chǎn)生的壓力損失，Pa。

(三)不同工況下管路壓力損失分析。在正常工況下，通過壓空噴射器和羅茨風(fēng)機的共同作用，可以維持溶解器負壓在1.1KPa的設(shè)計水平，并維持整個系統(tǒng)的負壓梯度。通過計算可以得出，羅茨風(fēng)機的壓頭變化(29.50～31.15KPa)在5%以內(nèi)，且風(fēng)機的進口風(fēng)量變化很小，羅茨風(fēng)機穩(wěn)定，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

在酸回收過程出現(xiàn)異常工況時，系統(tǒng)壓降變化很大，但是通過壓空噴射器和羅茨風(fēng)機的調(diào)節(jié)，能夠維持整個系統(tǒng)的負壓梯度處于正常水平。在這種情況下，壓空噴射器的壓頭基本不變，能夠精確維持溶解器的負壓值在設(shè)計水平。而通過羅茨風(fēng)機與管路的連鎖，能夠維持系統(tǒng)負壓梯度，保持排氣順暢。在異常工況下，系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)密封氣載放射性物質(zhì)和維持溶解負壓恒定的要求。

計算數(shù)據(jù)也表明，在溶解排氣系統(tǒng)流程中增設(shè)壓空噴射器是有積極意義的。在正常工況下，壓空噴射器減小了羅茨風(fēng)機的工作負荷，使溶解排氣流量波動很大時，羅茨風(fēng)機的壓頭和進口風(fēng)量基本保持不變，能夠平穩(wěn)運行；同時在異常工況下，能夠通過壓空噴射器，高精度地調(diào)控溶解器負壓。此外，壓空噴射器距離溶解器的距離更短，連鎖調(diào)節(jié)的靈敏度更高。

四、系統(tǒng)流程設(shè)計

綜合上述分析，批式溶解過程下的溶解排氣系統(tǒng)流程設(shè)計如下：溶解排氣先經(jīng)過冷凝冷卻器冷凝，冷凝液返回溶解器。不凝氣進入多管除塵器，去除夾帶的放射性液滴及初步凈化放射性氣溶膠。從多管除塵器出來的排氣經(jīng)冷卻器冷卻后，進入捕集器截留排氣中的液滴。然后經(jīng)壓空噴射器補氣后進入一氧化氮氧化器，大部分一氧化氮在這里與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為二氧化氮，然后進入氮氧化物吸收塔，將氮氧化物制成硝酸。凈化氮氧化物后的排氣進入堿液洗滌塔，初步凈化排氣中的129I和14C。經(jīng)吸收塔和洗滌塔后的排氣中夾帶液滴較多，經(jīng)冷卻器冷卻后進入捕集器，截留排氣中的液滴。排氣經(jīng)冷卻器和捕集器捕集夾帶的液滴后，再經(jīng)過氣體加熱器加熱，進入碘吸附器(附銀硅膠或銀八面沸石)補充除碘。除碘后的氣體經(jīng)冷卻后，送入中效過濾器和兩級高效過濾器凈化排氣中的氣溶膠。凈化后的排氣經(jīng)過冷卻器冷卻后，由羅茨風(fēng)機送往廠區(qū)排風(fēng)煙囪高架排放。

五、結(jié)語

本文通過對溶解排氣各凈化單元的分析與研究，對管路壓降進行計算以及負壓調(diào)控手段的分析，明確了適用于溶解排氣系統(tǒng)的凈化工藝和設(shè)置原則，得出了后處理廠批式溶解過程下的溶解排氣系統(tǒng)優(yōu)化流程。使溶解排氣中的放射性蒸汽、液滴、氣溶膠、氮氧化物和129I等得到有效凈化，保證了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對于后續(xù)后處理廠溶解排氣系統(tǒng)的流程設(shè)計有一定的參考意義。