CN106297932A - 一种含氚废水处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含氚废水处理系统和处理方法，系统为多级水精馏塔级联后再与单级N‑VPCE级联，用多级水精馏塔级联系统先预处理含氚废水，将其精馏为低氚含量组分和氚含量较高的氚浓度递增的多个组分；氚含量较高的氚浓度递增的多个组分按氚浓度从小到大的顺序，以高温水蒸气的形态从下到上引入N‑VPCE柱蒸汽相催化交换，从N‑VPCE柱蒸汽相催化交换的底部引入氢气，经过催化交换将水蒸气中的氚转移到氢气相中，流出N‑VPCE柱蒸汽相催化交换的水再反馈回上一级精馏塔。本发明的含氚水处理系统结构简单，流程合理，系统的建造和运行成本低；处理方法不仅实用性强，而且运行稳定可靠，能够解决内陆核电氚环境排放控制技术问题，也适于贫氘水的生产。

Description

一种含氚废水处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及核电厂废水处理技术领域，具体为一种含氚废水处理系统及处理方法。

背景技术

核电厂运行过程中要产生大量的低氚含量的含氚水废水。氚是一种放射性核素，且其氧化形态氚水（HTO，DTO与T2O）的放射性毒性比元素态氚气（HT，DT与T2）强10 000倍，因此，将含氚废水直接排放到环境，特别是排放到内陆水系，将对环境和公众安全造成不利影响。国家有关标准规定，内陆核电厂运行过程中产生的含氚废水排放时，距其排放口1公里处氚的浓度应小于100Bg/l，这样几乎所有内陆核电厂含氚废水都需要去氚处理才能实现达标排放。因此，氚的达标排放是内陆核电需要解决的重要问题之一。

在核电厂含氚废水中，氚主要以HTO形态存在。由于氚水（HTO）比普通水（H2O）的沸点高，因此可以采用传统的水精馏方法将水中氚（HTO）除去。但由于HTO的蒸汽分压与H2O的蒸汽分压差值很小，水中HTO含量很低，直接采用水精馏技术将水中氚除氚去，要求水精馏塔的塔板数很多，回流比大，需要的实现达标排放的效率很低，能耗非常高，经济上不合算。

在Pt或Ni等催化剂作用下，能够使水蒸汽相中的氚转移到氢气相中，催化剂能加速QTO/Q2O与QT/Q2（Q表示氢同位素总称）间的相转移过程发生，使水中的微量氚高效转移到氢气相以实现水中氚的去除，将氢中的微量氚分离去除后，作为交换介质的氢可以重复使用。蒸汽相催化交换（N-VPCE）技术在重水提氚中被证明技术可行，并有发明专利。 但由于单台核电机组运行时含氚废水年产生量达到千吨量级，单独采用N-VPCE技术，需要分离的氢同位素气体的量非常庞大，成本也很高。

发明内容

针对上述问题本发明的目的在于提供一种多级水精馏塔与单级蒸汽相催化交换柱级联含氚废水处理系统及处理方法，克服了单根精馏塔深度精馏时精馏塔很高，回流比大，高能耗的缺点，节约了用于催化交换的氢的量，降低了成本，实现了核电厂含氚水的低成本达标排放。技术方案如下：

一种含氚废水处理系统，包括贫化精馏塔、预精馏塔、富集精馏塔、浓集精馏塔和N-VPCE催化交换柱；贫化精馏塔、预精馏塔、富集精馏塔和浓集精馏塔均包括自上而下顺次连接的冷凝器、精馏柱段和再沸器；N-VPCE催化交换柱包括顺次连接的上冷凝器、催化交换柱段和下冷凝器；贫化精馏塔冷凝器上设有排水口，贫化精馏塔再沸器通过水计量泵L4连接到预精馏塔精馏柱段；预精馏塔冷凝器通过水计量泵L3连接到贫化精馏塔精馏柱段，预精馏塔精馏柱段上设有接入待处理含氚水的进水口，预精馏塔再沸器通过水计量泵L6连接到富集精馏塔精馏柱段；富集精馏塔冷凝器通过水计量泵L5连接到预精馏塔精馏柱段，富集精馏塔再沸器通过水计量泵L7连接到浓集精馏塔精馏柱段；浓集精馏塔精馏柱段和浓集精馏塔再沸器分别通过气化装置连接到催化交换柱段；催化交换柱段上设有通入不含氚氢气的接口，上冷凝器上设有排出含氚氢气的接口，下冷凝器通过水计量泵L12连接到富集精馏塔精馏柱段。

进一步的，所述浓集精馏塔精馏柱段自上而下设置有接口J43、接口J44和接口J45，浓集精馏塔再沸器上设置有接口J46；催化交换柱段自上而下设置有接口J52、接口J53、接口J54、接口J55；接口J43通过气化装置连接到接口J55，接口J44通过气化装置连接到接口J54，接口J45通过气化装置连接到接口J53，接口J46通过气化装置连接到接口J52。

更进一步的，所述气化装置包括相互连接的水蒸汽发生器和水蒸汽加热器，水蒸汽发生器通过水计量泵连接到浓集精馏塔精馏柱段或浓集精馏塔再沸器，水蒸汽加热器连接到催化交换柱段。

更进一步的，所述贫化精馏塔、预精馏塔、富集精馏塔和浓集精馏塔的冷凝器上均连接有抽空泵。

一种含氚废水处理方法，包括：

通过水计量泵L2将待处理含氚水注入预精馏塔精馏柱段；

待预精馏塔再沸器的液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L6向富集精馏塔精馏柱段中部接口J33注入预精馏氚水，同时启动预精馏塔冷凝器和预精馏塔抽空泵；

待预精馏塔冷凝器的液位达到预定位置后，通过水计量泵L3向贫化精馏塔精馏柱段中部注入贫化氚水；

待贫化精馏塔再沸器液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L4向预精馏塔精馏柱段反馈含氚水，同时启动贫化精馏塔冷凝器和贫化精馏塔抽空泵；

待贫化精馏塔冷凝器的液位达到预定位置后，通过水计量泵L1提取处理后的水；

待富集精馏塔再沸器液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L7向浓集精馏塔精馏柱段中部注入富集氚水，同时启动富集精馏塔冷凝器和富集精馏塔抽空泵；

待富集精馏塔冷凝器的液位达到预定位置后，通过水计量泵L5向预精馏塔精馏柱段中部反馈含氚水；

待浓集精馏塔再沸器液位达到预定位置后将其启动，并启动浓集精馏塔冷凝器和浓集精馏塔抽空泵；

分别采用水计量泵抽取浓集精馏塔精馏柱段和浓集精馏塔再沸器中的浓集含氚水，经气化装置气化后，分别向催化交换柱段送含氚水蒸气；

通过水计量泵L12从下冷凝器向富集精馏塔精馏柱段反馈含氚水；

向催化交换柱段下方通不含氚的氢，从上冷凝器提取含氚的氢。

所述从上冷凝器（51）提取含氚的氢送往氢同位素分离工段进行去氚处理，处理后的氢复用

进一步的，所述贫化精馏塔、预精馏塔、富集精馏塔和浓集精馏塔的精馏柱段工作温度为50-100℃，工作压力为负压；所述冷凝器工作温度10-45℃；所述催化交换柱段工作温度为150-200℃，工作压力为0.2MPa。

本发明的有益效果是：

1）本发明通过多个水精馏塔级联，通过将氚浓度不同的水在不同精馏塔中精馏，提高了精馏效率，减小了精馏塔高度，降低了装备制造成本，还有效降低了再沸器中水的蒸发量，节约了运行成本；

2）本发明通过多个水精馏柱的级联，在富集精馏塔内氚得到极大程度富集，大大减小了催化交换工段处理量，从而大大减小了催化交换工段需要高成本分离的氢同位素气体量，从而减低了运行成本；

3）本发明通过将浓集水精馏塔与N-VPCE柱的级联，实现了在N-VPCE柱内从上到下氚浓度的从大到小的浓度梯度分布，进一步提升了N-VPCE交换效率，与直接催化交换比较，流出N-VPCE柱的氢气中的氚含量得到了极大提高，进而提升了催化交换柱的效率，减小了同位素分离工段成本；

4）与现有技术相比，本发明的含氚水处理系统结构简单，流程合理，方法先进，系统的建造和运行成本低；本发明的方法逻辑严谨，各环节紧密相扣，不仅实用性强，而且运行稳定可靠，能够解决内陆核电氚环境排放控制技术问题，也适于贫氘水的生产。

附图说明

图1为本发明的含氚废水处理系统的结构示意图。

图2为本发明贫化精馏塔的结构示意图。

图3为本发明预精馏塔的结构示意图。

图4为本发明富集精馏塔的结构示意图。

图5为本发明浓集精馏塔的结构示意图。

图6为本发明N-VPCE催化交换柱的结构示意图。

图中：1-贫化精馏塔；11-贫化精馏塔抽空泵；12-贫化精馏塔冷凝器；13-贫化精馏塔精馏柱段；14-贫化精馏塔再沸器；2-预精馏塔；21-预精馏塔抽空泵；22-预精馏塔冷凝器；23-预精馏塔精馏柱段；24-预精馏塔再沸器；3-富集精馏塔；31-富集精馏塔抽空泵；32-富集精馏塔冷凝器；33-富集精馏塔精馏柱段；34-富集精馏塔再沸器；4-浓集精馏塔；41-浓集精馏塔抽空泵；42-浓集精馏塔冷凝器；43-浓集精馏塔精馏柱段；44-浓集精馏塔再沸器；5-N-VPCE催化交换柱；51-上冷凝器；52-催化交换柱段；53-下冷凝器；6-水蒸汽发生器；7-水蒸汽加热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本系统将多级水精馏塔级联后再与单级N-VPCE级联，构成一种多级水精馏塔与单级蒸汽相催化交换柱级联的含氚废水处理系统。用多级水精馏塔级联系统先预处理含氚废水，将其精馏为低氚含量组分和氚含量较高的氚浓度递增的多个组分。氚含量较高的氚浓度递增的多个组分按氚浓度从小到大的顺序，以高温水蒸气的形态从下到上引入N-VPCE柱蒸汽相催化交换，从N-VPCE柱蒸汽相催化交换的底部引入氢气，经过催化交换将水蒸气中的氚转移到氢气相中，流出N-VPCE柱蒸汽相催化交换的水再反馈回上一级精馏塔。

系统结构如图1所示，一种含氚废水处理系统，包括贫化精馏塔1、预精馏塔2、富集精馏塔3、浓集精馏塔4和N-VPCE催化交换柱5；贫化精馏塔1、预精馏塔2、富集精馏塔3和浓集精馏塔4均包括自上而下顺次连接的冷凝器、精馏柱段和再沸器；N-VPCE催化交换柱5包括顺次连接的上冷凝器51、催化交换柱段52和下冷凝器53；贫化精馏塔冷凝器12上设有排水口，贫化精馏塔再沸器14通过水计量泵L4连接到预精馏塔精馏柱段23；预精馏塔冷凝器22通过水计量泵L3连接到贫化精馏塔精馏柱段13，预精馏塔精馏柱段23上设有接入待处理含氚水的进水口，预精馏塔再沸器24通过水计量泵L6连接到富集精馏塔精馏柱段33；富集精馏塔冷凝器32通过水计量泵L5连接到预精馏塔精馏柱段23，富集精馏塔再沸器34通过水计量泵L7连接到浓集精馏塔精馏柱段43；浓集精馏塔精馏柱段43和浓集精馏塔再沸器44分别通过气化装置连接到催化交换柱段52；催化交换柱段52上设有通入不含氚氢气的接口，上冷凝器51上设有排出含氚氢气的接口，下冷凝器53通过水计量泵L12连接到富集精馏塔精馏柱段33。

本实施例的气化装置包括相互连接的水蒸汽发生器6和水蒸汽加热器7，水蒸汽发生器6通过水计量泵连接到浓集精馏塔精馏柱段43或浓集精馏塔再沸器44，水蒸汽加热器7连接到催化交换柱段52。气化装置用于将浓集的含氚水气化成水蒸气通入N-VPCE柱蒸汽相催化交换柱。

图1中的水计量泵L1与贫化精馏塔冷凝器12接口J11连接，用于按规定流量从贫化精馏柱提取处理后的水；水计量泵L2与预精馏塔的接口J24连接，用于向预精馏柱按规定流量送待处理的含氚水；水计量泵L3两端分别连接贫化精馏塔接口J13和预精馏柱冷却器接口J21，用于将预精馏柱冷凝器的水以一定流量送到贫化精馏塔。

水计量泵L4的两端分别连接贫化精馏塔接口J14和预精馏塔接口J23，用于将贫化精馏柱再沸器中的水以一定流量送到预精馏柱。

水计量泵L5的两端分别连接预精馏塔接口J25和富集精馏塔接口J31，用于将富集氚水精馏柱冷凝器中的水以一定流量回送到预精馏塔；水计量泵L6的两端分别连接预精馏塔接口J26和富集精馏塔接口J33，用于将预精馏塔冷凝器中的水以一定流量送到富集精馏塔。

水计量泵L7的两端分别连接富集氚水精馏塔接口J35和浓集氚水精馏塔接口J42，用于将浓集精馏塔冷凝器中的水以一定流量送到富集氚水精馏塔。

水计量泵L8的一端与富集氚水精馏塔接口J43连接，另一端与蒸汽发生器、蒸汽加热器串联后，再与N-VPCE柱的接口J55连接；水计量泵L9的一端与富集精馏塔接口J44连接，另一端与水蒸汽发生器、水蒸汽加热器串联后，再与N-VPCE柱的接口J54连接；水计量泵L10的一端与富集精馏塔接口J45连接，另一端与蒸汽发生器、蒸汽加热器串联后，再与N-VPCE柱的接口J53连接；水计量泵L11的一端与富集氚水精馏塔接口J46连接，另一端与蒸汽发生器、蒸汽加热器串联后，再与N-VPCE柱的接口J52连接。

水计量泵L12的一端与N-VPCE柱的下冷凝器的接口J57连接，另一端与富集氚水精馏塔接口J34连接。

这种级联组合的优点是，通过水的预精馏将需要处理的含氚废水分为氚含量不同的组分，且部分氚含量低的组分达到直接排放浓度要求，克服了单根精馏塔深度精馏时精馏塔很高，回流比大，高能耗缺点。

本实施例的浓集精馏塔精馏柱段43自上而下设置有接口J43、接口J44和接口J45，浓集精馏塔再沸器44上设置有接口J46；催化交换柱段52自上而下设置有接口J52、接口J53、接口J54、接口J55；接口J43通过气化装置连接到接口J55，接口J44通过气化装置连接到接口J54，接口J45通过气化装置连接到接口J53，接口J46通过气化装置连接到接口J52。

上述级联方式通过在最后一级精馏塔不同部位提取液态水，得到呈氚浓度梯级分布的不同组分，然后按氚浓度从小到大次序，以水蒸气形态从下到上引入N-VPCE催化交换柱。这种级联方式使N-VPCE催化交换柱形成了从上到下依次递减的氚浓度分布，N-VPCE催化交换柱内这种氚浓度的梯级分布的好处是节约了用于催化交换的氢的量，从而降低了成本。通过这种级联组合，实现了核电厂含氚水的低成本达标排放。

本实施例的贫化精馏塔1、预精馏塔2、富集精馏塔3和浓集精馏塔4的冷凝器上均连接有抽空泵，可使精馏塔内的含氚水经再沸器加热后产生的水蒸气更快速的进入冷凝器冷凝，负压精馏提高了处理效率。

贫化精馏塔1、预精馏塔2、富集精馏塔3、浓集精馏塔4和N-VPCE催化交换柱5的具体结构示意图如图2、3、4、5、6所示。

其中贫化精馏塔1、预精馏塔2、富集精馏塔3和浓集精馏塔4工作温度为50-100℃，工作压力为负压；冷凝器工作温度10-45℃；N-VPCE催化交换柱内装填亲水催化剂，工作温度为150-200℃，工作压力为0.2MPa。

本系统的含氚废水处理方法如下：

a）通过水计量泵L2将待处理含氚水注入预精馏塔精馏柱段23。待预精馏塔再沸器24的液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L6向富集精馏塔精馏柱段33中部接口J33注入预精馏氚水，同时启动预精馏塔冷凝器22和预精馏塔抽空泵21。预精馏塔抽空泵21将产生的水蒸气抽入预精馏塔冷凝器22冷凝成液态，待预精馏塔冷凝器22的液位达到预定位置后，通过水计量泵L3向贫化精馏塔精馏柱段13中部注入贫化氚水。

b）待贫化精馏塔再沸器14液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L4向预精馏塔精馏柱段23反馈含氚水，同时启动贫化精馏塔冷凝器12和贫化精馏塔抽空泵11。贫化精馏塔抽空泵11将产生的水蒸气抽入贫化精馏塔冷凝器12冷凝成液态，待贫化精馏塔冷凝器12的液位达到预定位置后，通过水计量泵L1提取处理后的水。

c）待富集精馏塔再沸器34液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L7向浓集精馏塔精馏柱段43中部注入富集氚水，同时启动富集精馏塔冷凝器32和富集精馏塔抽空泵31。富集精馏塔抽空泵31将产生的水蒸气抽入富集精馏塔冷凝器32冷凝成液态，待富集精馏塔冷凝器32的液位达到预定位置后，通过水计量泵L5向预精馏塔精馏柱段23中部反馈含氚水。

d）待浓集精馏塔再沸器44液位达到预定位置后将其启动，并启动浓集精馏塔冷凝器42和浓集精馏塔抽空泵41；浓集精馏塔抽空泵41将产生的水蒸气抽入浓集精馏塔冷凝器42冷凝成液态后回流入浓集精馏塔精馏柱段43。

e）分别采用水计量泵抽取浓集精馏塔精馏柱段43和浓集精馏塔再沸器44中的浓集含氚水，经气化装置气化后，分别向催化交换柱段52送含氚水蒸气。具体为：通过水计量泵L11以规定流量从接口J46，经蒸汽发生器、蒸汽加热器向N-VPCE柱接口J52送含氚水蒸汽；通过水计量泵L10以规定流量从接口J45，经蒸汽发生器、蒸汽加热器向N-VPCE柱接口J53送含氚水蒸汽；通过水计量泵L9以规定流量从接口J44，经蒸汽发生器、蒸汽加热器向N-VPCE柱接口J54送含氚水蒸汽；通过水计量泵L8以规定流量从接口J43，经蒸汽发生器、蒸汽加热器向N-VPCE柱接口J52送含氚水蒸汽。

f）通过水计量泵L12从下冷凝器53向富集精馏塔精馏柱段33反馈含氚水，循环进行精馏处理。向催化交换柱段52下方通不含氚的氢，从上冷凝器51提取含氚的氢，并送氢同位素分离工段进行去氚处理，处理后的氢复用，以节约水处理成本。

综上所述，本发明用多级水精馏塔与单级催化交换柱级联，实现了水中氚的高效去除，解决了内陆核电氚环境排放控制世界性技术难题，达到了现有技术不能实现的效果，因此，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (7)

1.一种含氚废水处理系统，其特征在于，包括贫化精馏塔（1）、预精馏塔（2）、富集精馏塔（3）、浓集精馏塔（4）和N-VPCE催化交换柱（5）；贫化精馏塔（1）、预精馏塔（2）、富集精馏塔（3）和浓集精馏塔（4）均包括自上而下顺次连接的冷凝器、精馏柱段和再沸器；N-VPCE催化交换柱（5）包括顺次连接的上冷凝器（51）、催化交换柱段（52）和下冷凝器（53）；贫化精馏塔冷凝器（12）上设有排水口，贫化精馏塔再沸器（14）通过水计量泵L4连接到预精馏塔精馏柱段（23）；预精馏塔冷凝器（22）通过水计量泵L3连接到贫化精馏塔精馏柱段（13），预精馏塔精馏柱段（23）上设有接入待处理含氚水的进水口，预精馏塔再沸器（24）通过水计量泵L6连接到富集精馏塔精馏柱段（33）；富集精馏塔冷凝器（32）通过水计量泵L5连接到预精馏塔精馏柱段（23），富集精馏塔再沸器（34）通过水计量泵L7连接到浓集精馏塔精馏柱段（43）；浓集精馏塔精馏柱段（43）和浓集精馏塔再沸器（44）分别通过气化装置连接到催化交换柱段（52）；催化交换柱段（52）上设有通入不含氚氢气的接口，上冷凝器（51）上设有排出含氚氢气的接口，下冷凝器（53）通过水计量泵L12连接到富集精馏塔精馏柱段（33）。

2.根据权利要求1所述的含氚废水处理系统，其特征在于，所述浓集精馏塔精馏柱段（43）自上而下设置有接口J43、接口J44和接口J45，浓集精馏塔再沸器（44）上设置有接口J46；催化交换柱段（52）自上而下设置有接口J52、接口J53、接口J54、接口J55；接口J43通过气化装置连接到接口J55，接口J44通过气化装置连接到接口J54，接口J45通过气化装置连接到接口J53，接口J46通过气化装置连接到接口J52。

3.根据权利要求1所述的含氚废水处理系统，其特征在于，所述气化装置包括相互连接的水蒸汽发生器（6）和水蒸汽加热器（7），水蒸汽发生器（6）通过水计量泵连接到浓集精馏塔精馏柱段（43）或浓集精馏塔再沸器（44），水蒸汽加热器（7）连接到催化交换柱段（52）。

4.根据权利要求1所述的含氚废水处理系统，其特征在于，所述贫化精馏塔（1）、预精馏塔（2）、富集精馏塔（3）和浓集精馏塔（4）的冷凝器上均连接有抽空泵。

5.一种采用权利要求1所述的含氚废水处理系统的处理方法，其特征在于，包括：

通过水计量泵L2将待处理含氚水注入预精馏塔精馏柱段（23）；

待预精馏塔再沸器（24）的液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L6向富集精馏塔精馏柱段（33）中部接口J33注入预精馏氚水，同时启动预精馏塔冷凝器（22）和预精馏塔抽空泵（21）；

待预精馏塔冷凝器（22）的液位达到预定位置后，通过水计量泵L3向贫化精馏塔精馏柱段（13）中部注入贫化氚水；

待贫化精馏塔再沸器（14）液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L4向预精馏塔精馏柱段（23）反馈含氚水，同时启动贫化精馏塔冷凝器（12）和贫化精馏塔抽空泵（11）；

待贫化精馏塔冷凝器（12）的液位达到预定位置后，通过水计量泵L1提取处理后的水；

待富集精馏塔再沸器（34）液位达到预定位置后将其启动，并通过水计量泵L7向浓集精馏塔精馏柱段（43）中部注入富集氚水，同时启动富集精馏塔冷凝器（32）和富集精馏塔抽空泵（31）；

待富集精馏塔冷凝器（32）的液位达到预定位置后，通过水计量泵L5向预精馏塔精馏柱段（23）中部反馈含氚水；

待浓集精馏塔再沸器（44）液位达到预定位置后将其启动，并启动浓集精馏塔冷凝器（42）和浓集精馏塔抽空泵（41）；

分别采用水计量泵抽取浓集精馏塔精馏柱段（43）和浓集精馏塔再沸器（44）中的浓集含氚水，经气化装置气化后，分别向催化交换柱段（52）送含氚水蒸气；

通过水计量泵L12从下冷凝器（53）向富集精馏塔精馏柱段（33）反馈含氚水；

向催化交换柱段（52）下方通不含氚的氢，从上冷凝器（51）提取含氚的氢。

6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述从上冷凝器（51）提取含氚的氢送往氢同位素分离工段进行去氚处理，处理后的氢复用。

7.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述贫化精馏塔（1）、预精馏塔（2）、富集精馏塔（3）和浓集精馏塔（4）的精馏柱段工作温度为50-100℃，工作压力为负压；所述冷凝器工作温度10-45℃；所述催化交换柱段（52）工作温度为150-200℃，工作压力为0.2MPa。