CN105174312B - 一种uf6水解柱、水解系统及水解工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种UF6水解柱、水解系统及水解工艺，UF6水解柱顶部设有加水口(3)、排气口(5)和循环水解液入口(4)，底部设有水解液出口(12)，中部设有伸入水解柱壳体(1)内的气体入口管(8)，气体入口管(8)上设有电伴热机构(16)，气体入口管(8)伸入水解柱壳体(1)内的端部连接有喷嘴(7)，喷嘴(7)配置有保温机构；与水解液出口(12)相连的水解液出口管线(13)连接有与循环水解液入口(4)相连的水解液循环旁路(14)。本发明提供的UF6水解柱能保证柱内水解液浓度、温度均匀，并能防止喷嘴处UO2F2结晶体出现，稳定性、安全性高；水解系统及水解工艺可实现UF6连续水解，并能保证水解充分。
Description
技术领域
本发明属于核燃料元件生产线化工转化过程中气化水解工艺技术领域，具体涉及一种UF6水解柱、水解系统及水解工艺。
背景技术
在我国核燃料元件生产中，以UF6为原料湿法转化制备陶瓷UO2粉末或颗粒，都需要首先将常温下呈固态的六氟化铀气化为气体，随后与水反应生成氟化铀酰水溶液(气化水解工序)，再经沉淀、固液分离后得到ADU浆体，继续干燥煅烧后得到U3O8粉末，最后经溶胶凝胶、洗涤干燥、还原烧结等工序后制得合格的陶瓷UO2核芯颗粒。
UF6是一种强氧化剂和氟化剂，当UF6泄漏到空气中时，会与空气中的水份发生反应，生成HF和UO2F2，与人体接触会引发皮肤烧伤及暂时性肺损伤和肾损伤。同时，UF6还带有放射性毒性(与U-235含量有关)，对人体会造成很大的危害。经多年生产实践发现，UF6气化水解系统是整个化工转化过程中最容易泄漏且危害性最大的部位，所以UF6气化水解系统的工艺设计特别是安全设计显得尤为重要。
气化水解系统主要由三部分组成：UF6加热气化装置、水解槽(柱)和尾气吸收装置。从国内核燃料元件厂多年生产运行实践中发现，传统的UF6水解装置设计存在不足，存在整个柱内水解液浓度和温度不均匀的情况，同时UF6气化喷嘴进口处往往由于水解反应剧烈，易发生UO2F2结晶堵塞，从而影响气化水解工序水解柱的安全性及设备运行的连续稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的第一个目的是提供一种UF6水解柱，其结构精巧，能保证柱内水解液浓度、温度均匀，并能防止喷嘴处的UO2F2结晶体出现，稳定性、安全性高。
本发明的第二个目的是提供一种UF6水解系统，采用该系统可实现UF6的连续水解过程，并能保证水解充分。
本发明的第三个目的是提供一种UF6水解工艺，采用该工艺可实现UF6的连续水解过程，并能保证水解充分。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种UF6水解柱，包括水解柱壳体，所述UF6水解柱的顶部设有加水口和排气口，所述UF6水解柱的底部设有水解液出口，所述水解液出口连接有水解液出口管线，所述UF6水解柱的中部设有伸入水解柱壳体内的气体入口管，所述气体入口管伸入水解柱壳体的端部连接有水平设置的位于柱内水解液液面以上的喷嘴；所述气体入口管上设有电伴热机构，所述喷嘴配置有保温机构；所述水解液出口管线连接有水解液循环旁路，水解液循环旁路与设在UF6水解柱顶部的循环水解液入口相连，水解液循环旁路上设有循环泵。
进一步，所述气体入口管包括相连的竖直的管段Ⅰ和水平的伸入水解柱壳体内的管段Ⅱ，电伴热机构设在气体入口管的管段Ⅰ上。
进一步，所述喷嘴的保温机构为套装在气体入口管的管段Ⅱ外的水蒸汽管，水蒸汽管的外壁与水解柱壳体密封连接，水蒸汽管的内壁与气体入口管的管段Ⅱ外壁之间设有提供水蒸汽进入水解柱壳体内的蒸汽通道。
进一步，所述喷嘴的保温机构为设在喷嘴上的电加热结构。
进一步，所述水平设置的喷嘴的喷管为上部长、下部短的结构，喷嘴的喷管的上部外缘连接有突出的弧形挡板，弧形挡板的中心线与喷嘴的喷管的中心线在同一水平线上。
进一步，所述UF6水解柱还设有上、下液位检测装置，所述上、下液位检测装置与循环泵及与UF6水解柱的加水口相连的去离子水管路的阀门联锁。
进一步，所述水解柱壳体内上部装填有填料层。
本发明所提供的一种UF6水解系统包括气化罐、上述UF6水解柱以及水解液储液柱；所述气化罐的设有液相进口和气相出口，气化罐的液相进口与一UF6储存容器相连，气化罐的气相出口与UF6水解柱的气体入口管相连， UF6水解柱的水解液出口与所述水解液储液柱相连，水解柱的排气口与一水喷射机组相连，水喷射机组与排风系统相连。
本发明所提供的一种UF6水解工艺采用上述UF6水解系统进行UF6水解，其包括以下步骤：
气化：使UF6储存容器内的液态UF6通过气化罐的液相进口进入气化罐内，加热气化罐使液态UF6气化为UF6气体，并将UF6气体送至UF6水解柱的气体入口管，同时启动气体入口管上的电伴热机构；
水解：通过UF6水解柱的气体入口管端部的喷嘴将UF6气体水平地喷入 UF6水解柱内，并启动喷嘴的保温机构，同时自UF6水解柱顶部的加水口喷洒去离子水，使UF6气体与去离子水逆向接触进行水解，并启动循环泵将自UF6水解柱底部的水解液出口排出的部分水解液送入UF6水解柱内进行循环；
尾气处理：使UF6水解后的尾气经UF6水解柱的排气口排出，并输送至水喷射机组进行吸收，经吸收处理后的气体排入排风系统；
储存水解液：将达标的水解液输送至水解液储液柱进行储存。
进一步，所述UF6水解工艺还包括，将储存在水解液储液柱的水解液送至沉淀干燥工序；将经过水喷射机组吸收的尾气吸收液送至铵盐沉淀工序。
本发明具有以下优点：
第一、本发明的UF6水解柱中，UF6气体入口管上设电伴热机构，可防止UF6因冷却凝结堵塞管道。
第二、本发明的UF6水解柱中，喷嘴具有配套的保温机构，保温温度维持在70-110℃，确保在喷嘴位置处不会出现UO2F2结晶体，可有效解决常规UF6水解柱内气体喷嘴口位置易结垢的问题。
第三、本发明的UF6水解柱中，在UF6气相进口处附近设计了预留口，如发现堵塞，可打开预留口，进行人工疏通，从而保证核燃料元件生产线气化水解工序UF6水解柱的连续稳定运行要求。
第四、本发明的UF6水解柱中，在喷嘴上方设有约2米的填料层，可用于确保UF6充分水解，未完全水解的UF6气体从排气口排出，以便进一步处理。
第五、本发明的UF6水解柱配置有循环泵，可使水解液不断进行循环，确保水解液浓度和温度均匀，采用该UF6水解柱的UF6水解工艺能够实现UF6的连续水解过程。
第六、本发明的UF6水解柱的几何结构具有几何良好特点，水解柱内径尺寸小于235U实际富集度下对应的UO2F2水解液直径单参数次临界限值规定，且有一定的安全裕量，可保障水解系统的核临界安全性。
附图说明
图1是本发明提供的一种UF6水解柱的结构示意图；
图2是本发明提供的一种UF6水解系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明所提供的一种UF6水解柱包括水解柱壳体1，所述 UF6水解柱的顶部设有加水口3和排气口5，所述UF6水解柱的底部设有水解液出口12，所述水解液出口12连接有水解液出口管线13，所述UF6水解柱的中部设有伸入水解柱壳体1内的气体入口管8，所述气体入口管8 伸入水解柱壳体1的端部连接有水平设置的位于柱内水解液液面以上的喷嘴7，所述气体入口管8上设有电伴热机构16，所述喷嘴7配置有保温机构；所述水解液出口管线13连接有水解液循环旁路14，水解液循环旁路 14与设在UF6水解柱顶部的循环水解液入口4相连，所述水解液循环旁路14上设有循环泵15。
为连接气体入口管8，可在水解柱壳体1上气体入口管8的伸入位置处连接外延管1-1，外延管1-1的端部以法兰(17)封闭，在法兰(17) 的中心处设置开口，以便插入气体入口管8。
在优选的实施方案中，如图1所示，气体入口管8可包括相连的竖直的管段Ⅰ8-1和水平的伸入水解柱壳体1内的管段Ⅱ8-2，电伴热机构16 可设在气体入口管的管段Ⅰ8-1上。
电伴热机构16可包括缠绕在管段Ⅰ8-1的电加热丝以及配套的温控器、温度监测仪表和报警器等。电伴热机构16可分段设置在管段Ⅰ8-1上，以便对管道进行分段保温，通过温控器调节温度范围为70-110℃，并通过温度监测仪表实时监控温度，防止因温度降低使UF6气体结晶而堵塞管路；一旦温度超限报警，立即采取措施以防出现局部过热现象。
当气体入口管8采用上述结构时，喷嘴7的保温机构可采用套装在气体入口管8的管段Ⅱ8-2外的水蒸汽管9，水蒸汽管9的外壁与水解柱壳体 1密封连接，水蒸汽管9的内壁与气体入口管8的管段Ⅱ8-2外壁之间设有提供水蒸汽进入水解柱壳体1内的蒸汽通道10。
在另一种优选的实施方式中，喷嘴7的保温机构可以是设在喷嘴7上的电加热结构(未示出)，其结构组成可以与电伴热机构16相同，如可包括缠绕在喷嘴7的喷管上的电加热丝以及配套的温控器、温度监测仪表和报警器等。
本发明中，水平设置的喷嘴7的喷管可采用上部长、下部短的结构，即喷管的端部轮廓为椭圆形。喷嘴7的喷管的上部外缘连接有突出的弧形挡板6，弧形挡板6的中心线与喷嘴7的喷管的中心线在同一水平线上。本发明采用设在喷嘴7喷管的上部的弧形挡板6，可防止喷嘴7的口部因物料长期反应产生累积性结垢造成堵塞。
另外，水解柱壳体1上气体入口管8伸入位置的另一侧也可设对应于喷嘴7的外延管1-1，在外延管1-1的端部设预留口11，所述预留口11 处可设有盲板或视镜。如发现堵塞，可打开预留口，进行人工疏通。
在本发明更优选的实施方式中，水解柱壳体1内上部装填有填料层2，填料层2的高度可根据实际情况设定。填料层2可用于确保UF6充分水解，未完全水解的UF6气体从UF6水解柱的排气口5排出，然后作进一步处理。
为便于填充填料层2和检修UF6水解柱，UF6水解柱可采用上、下两段式结构，气体入口管8的伸入位置可设在UF6水解柱的下段柱体的上部。
本发明中，UF6水解柱还可以设有上、下液位检测装置，并与循环泵15 (可采用氟塑料磁力驱动泵)和去离子水管路(与UF6水解柱的加水口3相连)阀门联锁。设置上液位检测装置，是为了防止液位上升堵塞UF6进气管口，当液位达到液位检测点时发出报警信号，并联锁去离子水管路阀门，减少流量或关闭；设置下液位检测装置是为防止因进液量减少使UF6水解不完全而进入尾气净化排放系统。
本发明中，流体介质为UF6的管道结构材料采用新一号，可耐HF酸腐蚀，设计温度200℃，压力1.6MPa，确保流体均密封在管道内。流体介质为UO2F2水解液的管道结构材料采用碳钢滚衬聚乙烯，可耐HF酸腐蚀，设计温度100 ℃，压力1.6MPa，确保流体均密封在管道内。循环泵15采用氟塑料磁力驱动泵，确保密封效果，且一用一备，出现故障时自动切换。
如图2所示，本发明所提供的一种UF6水解系统包括气化罐200、所述结构的UF6水解柱300以及水解液储液柱400；所述气化罐200的设有液相进口和气相出口，气化罐的液相进口与一UF6储存容器100相连，气化罐 200的气相出口与UF6水解柱300的气体入口管8相连，UF6水解柱300的水解液出口12与所述水解液储液柱400相连，UF6水解柱300的排气口5 与一水喷射机组500相连，水喷射机组500与排风系统600相连。
以下根据图2并结合图1具体说明本发明所提供的采用上述UF6水解系统进行UF6水解的UF6水解工艺，该UF6水解工艺主要包括以下步骤：
(a)气化步骤
使UF6储存容器100内的液态UF6通过气化罐200的液相进口进入气化罐200内，加热气化罐200，控制加热温度在70～120℃之间，使气化罐 200内的液态UF6气化为UF6气体，并将UF6气体送至UF6水解柱300的气体入口管8，同时启动气体入口管8上的电伴热机构16，防止UF6气体结晶。
(b)水解步骤
通过UF6水解柱300的气体入口管8端部的喷嘴7将进入气体入口管8 中的UF6气体水平地喷入UF6水解柱300内，并启动喷嘴8的保温机构，同时自UF6水解柱300顶部的加水口喷洒去离子水，使UF6气体与去离子水逆向接触进行水解，并启动循环泵15将自UF6水解柱300底部的水解液出口排出的部分水解液送入UF6水解柱300内进行循环。
在这一步中，优选地，喷嘴8的保温机构采用蒸汽保温的形式，通过水蒸汽管9和蒸汽通道10将水蒸汽送入UF6水解柱300的喷嘴8的出口位置。维持蒸汽温度在70-110℃，保证喷嘴出口不会出现UO2F2结晶体。
此外，水解过程中，使UF6水解后的水解液自UF6水解柱300底部的水解液出口12和水解液出口管线13排出。在保证一定通量并连续进水、供气条件下，通过循环泵15和水解液循环旁路14将部分水解液送入UF6水解柱内进行循环，以实现连续水解和确保柱内水解液浓度和温度均匀。
(c)尾气处理步骤
使UF6水解后的尾气(包括未水解的UF6气体和水解反应产生的HF气体)经UF6水解柱的排气口5排出，并输送至水喷射机组500进行尾气吸收，经吸收处理后的气体排入排风系统600。
通常，水喷射机组500由水喷射器、尾气吸收槽、循环泵组成，尾气处理方法为：尾气进入水喷射器与吸收液混合接触后进行初步吸收，未吸收完全的尾气鼓泡进入装有吸收液的尾气吸收槽内与吸收液混合吸收，通过泵循环保证尾气吸收槽内吸收液浓度的均匀性，及槽内尾气吸收的充分性。
(d)储存水解液步骤
水解完毕后，将达标的水解液(例如，可控制水解液中铀浓度为(100 ±5)gU/l)输送至水解液储液柱400进行储存。
另外，本发明提供的UF6水解工艺还可以包括：将储存在水解液储液柱400的水解液送至沉淀干燥工序，进行沉淀干燥。
此外，本发明提供的UF6水解工艺还可以包括：将经过水喷射机组500 吸收的尾气吸收液送至铵盐沉淀工序，将有害尾气吸收液以铵盐形式沉淀下来。
上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种UF6水解柱，所述UF6水解柱包括水解柱壳体(1)，所述UF6水解柱的顶部设有加水口(3)和排气口(5)，所述UF6水解柱的底部设有水解液出口(12)，所述水解液出口(12)连接有水解液出口管线(13)，所述UF6水解柱的中部设有伸入水解柱壳体(1)内的气体入口管(8)，所述气体入口管(8)伸入水解柱壳体(1)的端部连接有水平设置的位于柱内水解液液面以上的喷嘴(7)，其特征在于，
所述气体入口管(8)上设有电伴热机构(16)，所述喷嘴(7)配置有保温机构；
所述水解液出口管线(13)连接有水解液循环旁路(14)，水解液循环旁路(14)与设在UF6水解柱顶部的循环水解液入口(4)相连，所述水解液循环旁路(14)上设有循环泵(15)；
所述水解柱壳体(1)内上部装填有填料层(2)。
2.根据权利要求1所述的UF6水解柱，其特征在于，所述气体入口管(8)包括相连的竖直的管段I(8-1)和水平的伸入水解柱壳体(1)内的管段Ⅱ(8-2)，电伴热机构(16)设在气体入口管的管段I(8-1)上。
3.根据权利要求2所述的UF6水解柱，其特征在于，所述喷嘴(7)的保温机构为套装在气体入口管(8)的管段Ⅱ(8-2)外的水蒸汽管(9)，水蒸汽管(9)的外壁与水解柱壳体(1)密封连接，水蒸汽管(9)的内壁与气体入口管(8)的管段Ⅱ(8-2)外壁之间设有提供水蒸汽进入水解柱壳体(1)内的蒸汽通道(10)。
4.根据权利要求2所述的UF6水解柱，其特征在于，所述喷嘴(7)的保温机构为设在喷嘴(7)上的电加热结构。
5.根据权利要求1所述的UF6水解柱，其特征在于，所述水平设置的喷嘴(7)的喷管为上部长、下部短的结构，喷嘴(7)的喷管的上部外缘连接有突出的弧形挡板(6)，弧形挡板(6)的中心线与喷嘴(7)的喷管的中心线在同一水平线上。
6.根据权利要求1-5任一所述的UF6水解柱，其特征在于，所述UF6水解柱还设有上、下液位检测装置，所述上、下液位检测装置与循环泵(15)及与UF6水解柱的加水口(3)相连的去离子水管路的阀门联锁。
7.一种UF6水解系统，其特征在于，包括气化罐(200)、权利要求1-6任一所述的UF6水解柱(300)以及水解液储液柱(400)；所述气化罐(200)的设有液相进口和气相出口，气化罐(200)的液相进口与一UF6储存容器(100)相连，气化罐(200)的气相出口与UF6水解柱(300)的气体入口管(8)相连，UF6水解柱(300)的水解液出口(12)与所述水解液储液柱(400)相连，UF6水解柱(300)的排气口(5)与一水喷射机组(500)相连，水喷射机组(500)与排风系统(600)相连。
8.采用权利要求7所述的一种UF6水解系统的UF6水解工艺，包括以下步骤：
气化：使UF6储存容器内的液态UF6通过气化罐的液相进口进入气化罐内，加热气化罐使液态UF6气化为UF6气体，并将UF6气体送至UF6水解柱的气体入口管，同时启动气体入口管上的电伴热机构；
水解：通过UF6水解柱的气体入口管端部的喷嘴将UF6气体水平地喷入UF6水解柱内，并启动喷嘴的保温机构，同时自UF6水解柱顶部的加水口喷洒去离子水，使UF6气体与去离子水逆向接触进行水解，并启动循环泵将自UF6水解柱底部的水解液出口排出的部分水解液送入UF6水解柱内进行循环；
尾气处理：使UF6水解后的尾气经UF6水解柱的排气口排出，并输送至水喷射机组进行吸收，经吸收处理后的气体排入排风系统；
储存水解液：将达标的水解液输送至水解液储液柱进行储存。
9.根据权利要求8所述的UF6水解工艺，其特征在于，所述UF6水解工艺还包括，将储存在水解液储液柱的水解液送至沉淀干燥工序；将经过水喷射机组吸收的尾气吸收液送至铵盐沉淀工序。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |