CN103408030A - 分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法，包括：（1）将含硼酸的冷却剂输送至一再沸器进行加热；（2）将加热后的所述冷却剂输送至一蒸馏塔进行蒸馏；（3）将蒸馏所产生的水蒸汽进行冷凝形成蒸馏液；（4）将未蒸发的所述冷却剂回流至所述再沸器进行加热，并循环执行步骤（2）～（3）；（5）当所述冷却剂中硼元素的质量分数达到预设值时，获得硼酸浓缩液。所述蒸发提供一种新的分离冷却剂中硼酸的技术，且其分离效果好。本发明还提供一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的装置。

Description

分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置

技术领域

本发明涉及核工业技术，尤其涉及分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置。

背景技术

压水堆核电站的一回路系统中使用的冷却剂为含硼冷却剂，在核电站的运行及维修过程中，不可避免的会产生含硼酸的废液，这些含硼酸的废液进入硼回收系统及含硼废液处理系统。一般而言，这些废液中硼元素的质量分数为0～2300ppm，同时含有放射性气体、盐。需要对这部分可复用废液进行处理，处理流程包括过滤、除盐、除气和硼水分离。其中硼水分离过程最为重要，需将含硼酸的废液分离为含少量硼酸的水与硼酸浓缩液。分离出的硼酸浓缩液和水根据反应堆堆功率的安全需求重新配比后注入反应堆，进行重复利用。

专利号为EP0125017A2的专利公开了一种利用化学方法分离硼酸的技术，该方法成本低，配套设备简单。然而，核电站一回路系统对水的要求较高，需含硼元素的质量分数达到5ppm以下，同时能够使放射性活度降低1000倍以上。上述化学方法无法满足核电站对水的要求，影响其回收利用。

因此，需要提供一种新的、分离效果好的分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种新的、分离效果好的分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种新的、分离效果好、使用寿命长的分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的装置。

为实现上述目的，本发明提供一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法，包括如下步骤：

（1）将含硼酸的冷却剂输送至一再沸器进行加热；

（2）将加热后的所述冷却剂输送至一蒸馏塔进行蒸馏；

（3）将蒸馏所产生的水蒸汽进行冷凝形成蒸馏液；

（4）将未蒸发的所述冷却剂回流至所述再沸器进行加热，并循环执行步骤（2）～（3）；

（5）当所述冷却剂中硼元素的质量分数达到预设值时，获得硼酸浓缩液。

较佳地，所述预设值的范围为7000ppm～40000ppm。

较佳地，进行所述步骤（1）后的所述冷却剂的温度范围为101℃～103℃。

具体地，所述步骤（4）还包括向所述冷却剂中加入补给冷却剂。

较佳地，所述步骤（5）后还包括对所述硼酸浓缩液进行冷却。

较佳地，在冷却所述硼酸浓缩液的步骤后还包括储存所述硼酸浓缩液。

具体地，所述方法还包括将步骤（3）中的一部分所述蒸馏液储存，以及将其余部分的所述蒸馏液回流至所述蒸馏塔。

较佳地，回流至所述蒸馏塔的蒸馏液与储存的所述蒸馏液的质量流量之比的范围为0.1～0.2。

较佳地，还包括在储存所述蒸馏液前对所述蒸馏液进行冷却。

本发明还提供一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的装置，包括再沸器、蒸馏塔、强制循环系统、控制系统以及冷凝器，所述再沸器用于加热含硼酸的冷却剂，所述蒸馏塔与所述再沸器相连，用于蒸发所述冷却剂，所述强制循环系统设置在所述再沸器与所述蒸馏塔之间，用于将加热后的所述冷却剂输送至所述蒸馏塔，并将在所述蒸馏塔内未蒸发的所述冷却剂回流至所述再沸器，所述控制系统与所述强制循环系统相连，用于监测所述冷却剂中硼元素的质量分数，当其达到预设值时，获得硼酸浓缩液，所述冷凝器与所述蒸馏塔相连，用于冷凝来自所述蒸馏塔的水蒸汽以形成蒸馏液。

较佳地，所述预设值的范围为7000ppm～40000ppm。

具体地，所述强制循环系统包括一再沸器回流管，未蒸发的所述冷却剂通过所述再沸器回流管回流至所述再沸器。

较佳地，所述装置还包括与所述再沸器回流管相连的供料液罐，用于向所述冷却剂中加入补给冷却剂。

较佳地，在所述供料液罐与所述再沸器回流管之间设置一供料液泵。

较佳地，所述强制循环系统包括一强制循环泵。使所述冷却剂在所述再沸器和蒸馏塔之间强制循环。

较佳地，还包括与所述再沸器回流管相连的浓缩液罐。用于存储所述硼酸浓缩液。

较佳地，在所述浓缩液罐与所述再沸器回流管之间设置一浓缩液换热器。用于冷却所述硼酸浓缩液。

具体地，所述冷凝器具有一蒸馏液出口。

具体地，所述装置还包括与所述蒸馏液出口相连且用于存储所述蒸馏液的蒸馏液罐。

较佳地，所述装置还包括设置在所述蒸馏液出口和所述蒸馏液罐之间的蒸馏液换热器。

具体地，所述装置还包括连接所述蒸馏液出口和所述蒸馏塔的蒸馏塔回流管。部分蒸馏液经所述蒸馏塔回流管回流至所述蒸馏塔内。

具体地，所述装置还包括设置在所述蒸馏液出口处的蒸馏液泵。

作为本发明一较优实施例，所述蒸馏塔为筛板塔，所述筛板塔采用弓形溢流堰。

作为本发明另一较优实施例，所述蒸馏塔为填料塔，所述填料塔采用鲍尔环散装填料。

较佳地，所述蒸馏塔内设置有丝网除沫器。

与现有技术相比，本发明使用再沸器对冷却剂进行加热，加热后的所述冷却剂在一蒸馏塔内蒸馏，蒸馏产生的水蒸气冷凝成蒸馏液，未蒸发的所述冷却剂回流至再沸器以重复加热及蒸馏。获得的有益效果有：（1）提供了一种新的分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置；（2）能够将含硼酸的冷却剂分离为基本不含硼酸的蒸馏液，以及经重复加热及蒸馏后形成的硼酸浓缩液，分离效果好，可回收利用；（3）所述再沸器和蒸馏塔设备简单，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置的工作原理图。

图2为本发明蒸发装置的蒸馏塔第一实施例的结构示意图。

图3为图2所示蒸馏塔的断面图。

图4为本发明蒸发装置的蒸馏塔第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。下面结合附图，详细阐述本发明的实施例。

本发明实质在提供一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的蒸发方法及蒸发装置，用于硼回收系统和含硼废液处理系统中，能够将含硼酸的冷却剂分离为纯净的蒸馏液与硼酸浓缩液。

如图1所示，该蒸发装置100包括再沸器3、蒸馏塔2、强制循环系统、供料液罐6、控制系统以及冷凝器1。具体地，再沸器3用于加热含硼酸的冷却剂，加热后的冷却剂的温度范围为101℃～103℃。蒸馏塔2与再沸器3相连，用于蒸发冷却剂。强制循环系统设置在再沸器3与蒸馏塔2之间，包括一进料管12、一再沸器回流管13以及一强制循环泵4，加热后的冷却剂通过进料管12进入蒸馏塔2进行蒸馏，在蒸馏塔2内未蒸发的冷却剂通过再沸器回流管13回流至再沸器3，强制循环泵4设置在再沸器回流管13上，使冷却剂在再沸器3和蒸馏塔2之间强制循环。供料液罐6与再沸器回流管13相连，较佳地，在供料液罐6的出口处设置一供料液泵5，且供料液泵5的出口与强制循环泵4的入口相连，强制循环泵4与供料液泵5的流量之比为20～40。供料液泵5用于向冷却剂中加入补给冷却剂（即待处理的冷却剂）并进入强制循环系统，即补充被蒸发的那部分冷却剂，补给冷却剂中含硼元素的质量分数为0～2300ppm，温度为70℃～90℃。冷凝器1与蒸馏塔2的上部相连，用于冷凝来自蒸馏塔2的水蒸汽以形成蒸馏液。控制系统与强制循环系统相连，随着蒸发的进行，冷却剂中硼元素的质量分数逐渐增大，当控制系统检测到硼元素的质量分数当达到某预设值时，获得并排出硼酸浓缩液。该预设值根据系统需求设定，较佳地，预设值的范围为7000ppm～40000ppm。蒸发装置100还包括一浓缩液罐10，排出的硼酸浓缩液储存至该浓缩液罐10中。具体的，浓缩液罐10的入口与再沸器回流管13相连，并在浓缩液罐10与再沸器回流管13之间设置一浓缩液换热器11，用于冷却硼酸浓缩液，较佳地，该浓缩液换热器11选用可再生复用能量的方式，即采用低温冷却剂充当冷却水，完成硼酸浓缩液的降温，然后将降温后的硼酸浓缩液储存至浓缩液罐10中。

具体地，冷凝器1采用管壳式换热器，蒸馏塔2中的水蒸气进入冷凝器1中，并与冷却水逆流传热，从而形成蒸馏液，即纯净的水，蒸馏液的温度为90℃～99℃。冷凝器1使用的冷却水来自核岛设备冷却水系统RRI。冷凝器1内的压力为0.096MPa，此压力下，水的沸点为98.5℃。不凝结气体从冷凝器1顶部放出，进入废气处理系统的含氧部分。冷凝器1具有一蒸馏液出口14，在蒸馏液出口14处设有一蒸馏液泵7，用于将蒸馏液抽出，使其进入下步处理程序。更具体地，被抽出的蒸馏液一部分进入与蒸馏液泵7的出口相连的蒸馏液罐8进行储存，其余部分通过蒸馏塔回流管15回流至蒸馏塔2，蒸馏塔回流管15与蒸馏液泵7的出口相连。较佳地，在蒸馏液泵7和蒸馏液罐8之间设置蒸馏液换热器9，用于在储存蒸馏液前对蒸馏液进行冷却，较佳地，蒸馏液换热器9与浓缩液换热器11一样选用可再生复用能量的方式。回流至蒸馏塔2的蒸馏液与储存的蒸馏液的质量流量之比的范围为0.1～0.2。

更具体地，再沸器3可采用管壳式换热器，以热蒸汽作为热源，当然也可采用电加热元件作为热源。以管壳式换热器为例，蒸馏塔2的蒸发速度可通过调节管壳式换热器的热蒸汽流量来控制，具体地，管壳式换热器具有一进汽阀门，热蒸汽流量根据冷却剂温度信号操作进汽阀门来控制。当管壳式换热器的热蒸汽流量一定时，补给冷却剂的温度或管内侧壁的污垢都会影响蒸馏液的流量，为了保持蒸馏液的流量恒定，则需根据补给冷却剂温度和管内污垢情况的变化来改变热蒸汽的流量。

强制循环泵4给冷却剂提供动力，使其在蒸馏塔2和再沸器3之间循环流动，也由于强制循环泵4的压力作用，使得冷却剂在再沸器3、进料管12及再沸器回流管13内的压力大于其在蒸馏塔2内的压力。蒸馏塔2内的气相压力为0.11MPa，该压力下水的沸点为102.3℃，含硼的质量分数为7000ppm的冷却剂的沸点为102.6℃。由于压力越大，沸点越高，所以冷却剂在再沸器3、进料管12或再沸器回流管13内的沸点高于102.6℃。当冷却剂在再沸器3中加热至101℃～103℃时，冷却剂不蒸发，而当加热后的冷却剂经进料管12进入蒸馏塔2后，由于压力降低，冷却剂的沸点也降低，冷却剂达到过饱和的状态，所以部分冷却剂会蒸发形成蒸汽，蒸汽到达蒸馏塔2顶部时温度为101℃～103℃。

本发明使用的蒸馏塔2可选用板式塔或填料塔，板式塔包括筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、舌型板塔及斜孔塔，填料塔包括散装填料塔及规整填料塔。蒸馏塔2是完成气液传质的塔器设备，本发明首次将蒸馏塔2及其相关工艺应用于核电站，以处理可复用的冷却水。较优的，本发明选用弓形溢流堰筛板塔20及散装鲍尔环填料塔23，如图2～4所示，可取得很好的分离效果。如图2～3所示，其展示了弓形溢流堰筛板塔20的具体结构。加热后的冷却剂从进料管12进入蒸馏塔2底部，一部分发生蒸发形成蒸汽，其余部分从蒸馏塔2的底部沿再沸器回流管13回流至再沸器3。具体地，如图3所示，弓形溢流堰筛板塔20包括多个塔板，塔板上均匀地开有一定数量的筛孔供蒸汽自下而上沿方向B穿过。同时经蒸馏塔回流管15回流的蒸馏液在塔板18上形成液层，各塔板18两侧或一侧形成有弓形溢流堰19，在弓形溢流堰19的导向下，回流的蒸馏液沿如图2所示的A路线依次流过各塔板18，最后沿降液管16流至蒸馏塔2塔底，与未蒸发的冷却剂一同被输送至再沸器3。上升的蒸汽在穿过蒸馏液形成的液层时，进行气液传质，进一步降低蒸汽中携带的硼酸。在蒸馏塔2的上部，具体地，在塔板18的上方还设有丝网除沫器22，蒸汽穿过丝网除沫器22时，其所携带的含硼酸的小液滴被拦截，又进一步降低了蒸汽中硼的含量。穿过丝网除沫器22的蒸汽基本上为不含硼酸的水蒸气，通过出气管17进入冷凝器1中进行冷凝。在蒸馏塔2的顶部还设有一压力调节部21，用于调节蒸馏塔2内的压力。

图4展示了散装鲍尔环填料塔23的具体结构。该鲍尔环填料塔23与上述弓形溢流堰筛板塔20的结构类似，下面只介绍他们的不同处，其他结构和工作原理相同。如图所示，鲍尔环填料塔23包括一填料支撑装置26，承载于填料支撑装置26上的散装填料25，如鲍尔环、拉西环、阶梯环、鞍环等，较佳地，选用鲍尔环，以及设置在散装填料25上方的填料压紧装置24，以防被上升蒸汽吹动。在蒸馏塔回流管15的末端安装液体分布装置27，回流的蒸馏液经液体分布装置27喷淋到散装填料25上，并沿散装填料25表面流下。上升蒸汽与蒸馏液呈逆流方向通过散装填料25的空隙，在散装填料25表面上，气液两相密切接触进行传质。

与现有技术相比，本发明使用再沸器3对冷却剂进行加热，加热后的冷却剂在蒸馏塔2内蒸馏，蒸馏产生的水蒸气冷凝成蒸馏液，未蒸发的冷却剂回流至再沸器3以重复加热及蒸馏。获得的有益效果有：（1）提供了一种新的分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法及装置；（2）能够将含硼酸的冷却剂分离为基本不含硼酸的蒸馏液，以及硼酸浓缩液，分离效果好，蒸馏液中含硼的质量分数低于2ppm，与补给冷却剂即待处理的冷却剂相比，放射性活度降低了1000倍，满足了核电站回收利用的要求；（3）再沸器3和蒸馏塔2设备简单，设备使用寿命长，能使用60年。

蒸发装置100主要含有如下5种主要工况：

（1）工况0——“停运”工况：蒸发装置100完全停运，所有管线和设备均排空。

（2）工况1——“供料”工况：向蒸馏塔2、强制循环系统及再沸器3中加入补给冷却剂，即待处理的冷却剂至正常操作液位，然后启动运行强制循环泵4，使蒸馏塔2和再沸器3之间的冷却剂开始强制循环。冷却剂流经再沸器3后，再进入蒸馏塔2内，随后在蒸馏塔2内被强制循环泵4抽出。

（3）工况2——“全回流升温”工况：蒸馏塔2开始蒸馏。蒸馏塔2、再沸器3、强制循环系统和冷凝器1运行。

此工况下，蒸馏塔2准备好生产蒸馏液，将各设备的压力和温度提升至额定的操作范围。冷凝器1启动，准备好冷凝器1的冷却水，随后打开再沸器3的进汽阀门，逐渐加大再沸器3的热蒸汽流量，将强制循环系统中的冷却剂逐渐加热到101℃～103℃，同时不排放蒸馏液和硼酸浓缩液。当冷凝器1内的蒸馏液积存至能够满足回流量20～40秒的要求后，蒸馏液泵7将冷凝器1内的全部蒸馏液回流至蒸馏塔2内，以弓形溢流堰筛板塔20为例，蒸馏液从最上层塔板18的上部往下流到蒸馏塔2的底部。

从工况2可转入工况3或工况4。

（4）工况3——“蒸馏液生产”工况：蒸馏液排放到蒸馏液罐8。

工况3的目的是生产已除气的、含硼量小于2ppm的蒸馏液。当控制系统检测达到从工况2进入工况3信号后，蒸发装置100在工况3和工况4之间交替进行。

此工况下，供料液泵5运转，不断向强制循环泵4入口前的管线补充补给冷却剂，补充冷却剂的流量为3.5t/h；蒸馏液泵7运行，不断将产生的蒸馏液抽出，经过冷却后排放到蒸馏液罐8中，蒸馏液以3.5t/h的流量被送到蒸馏液罐8；蒸馏液以0.35t/h的流量回流至蒸馏塔2内；当工况3累计一定时间，冷却剂中硼元素的质量分数达到预设值7000ppm～40000ppm时，从工况3转入工况4。

（5）工况4——“硼酸浓缩液排放”工况：硼酸浓缩液排放到浓缩液罐10。

当蒸馏塔2、再沸器3及强制循环系统内冷却剂中硼元素的质量分数增加至7000ppm～40000ppm时，排放硼酸浓缩液至浓缩液罐10。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (25)

1.一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的方法，包括：

（1）将含硼酸的冷却剂输送至一再沸器进行加热；

（2）将加热后的所述冷却剂输送至一蒸馏塔进行蒸馏；

（3）将蒸馏所产生的水蒸汽进行冷凝形成蒸馏液；

（4）将未蒸发的所述冷却剂回流至所述再沸器进行加热，并循环执行步骤（2）～（3）；

（5）当所述冷却剂中硼元素的质量分数达到预设值时，获得硼酸浓缩液。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预设值的范围为7000ppm～40000ppm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行所述步骤（1）后的所述冷却剂的温度范围为101℃～103℃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）还包括向所述冷却剂中加入补给冷却剂。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（5）后还包括对所述硼酸浓缩液进行冷却。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在冷却所述硼酸浓缩液的步骤后还包括储存所述硼酸浓缩液。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括将步骤（3）中的一部分所述蒸馏液储存，以及将其余部分的所述蒸馏液回流至所述蒸馏塔。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：回流至所述蒸馏塔的蒸馏液与储存的所述蒸馏液的质量流量之比的范围为0.1～0.2。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括在储存所述蒸馏液前对所述蒸馏液进行冷却。

10.一种分离核电站反应堆冷却剂中硼酸的装置，包括：

再沸器，用于加热含硼酸的冷却剂；

蒸馏塔，与所述再沸器相连，用于蒸发所述冷却剂；

强制循环系统，设置在所述再沸器与所述蒸馏塔之间，用于将加热后的所述冷却剂输送至所述蒸馏塔，并将在所述蒸馏塔内未蒸发的所述冷却剂回流至所述再沸器，

控制系统，与所述强制循环系统相连，用于监测所述冷却剂中硼元素的质量分数，当其达到预设值时，获得硼酸浓缩液；以及

冷凝器，与所述蒸馏塔相连且用于冷凝来自所述蒸馏塔的水蒸汽以形成蒸馏液。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述预设值的范围为7000ppm～40000ppm。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述强制循环系统包括一再沸器回流管，未蒸发的所述冷却剂通过所述再沸器回流管回流至所述再沸器。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：还包括与所述再沸器回流管相连的供料液罐，用于向所述冷却剂中加入补给冷却剂。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：在所述供料液罐与所述再沸器回流管之间设置一供料液泵。

15.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述强制循环系统包括一强制循环泵。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于：还包括与所述再沸器回流管相连的浓缩液罐。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于：在所述浓缩液罐与所述再沸器回流管之间设置一浓缩液换热器。

18.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述冷凝器具有一蒸馏液出口。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：还包括与所述蒸馏液出口相连且用于存储所述蒸馏液的蒸馏液罐。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于：还包括设置在所述蒸馏液出口和所述蒸馏液罐之间的蒸馏液换热器。

21.如权利要求18所述的装置，其特征在于：还包括连接所述蒸馏液出口和所述蒸馏塔的蒸馏塔回流管。

22.如权利要求18所述的装置，其特征在于：还包括设置在所述蒸馏液出口处的蒸馏液泵。

23.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述蒸馏塔为筛板塔，所述筛板塔采用弓形溢流堰。

24.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述蒸馏塔为填料塔，所述填料塔采用鲍尔环散装填料。

25.如权利要求23或24所述的装置，其特征在于：所述蒸馏塔内设置有丝网除沫器。

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