CN106582198B - 一种净化处理氟化工艺尾气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铀转化领域，具体涉及一种用于六氟化铀生产过程中产生含氟含铀工艺尾气的净化处理系统。本发明通过提供一种净化处理氟化工艺尾气系统，采用长期摸索确定的木炭吸附—碱液淋洗技术实现了对六氟化铀生产过程中氟化尾气中有害成分的净化处理，净化后的工艺尾气达到排放标准。该技术方法具有：系统结构简单、操作简便、控制条件易于实现、安全系数较高等优点。

Description

一种净化处理氟化工艺尾气系统
技术领域
本发明属于铀转化领域，具体涉及一种用于六氟化铀生产过程中产生含氟含铀工艺尾气的净化处理系统。
背景技术
在天然六氟化铀生产过程中，工艺尾气通常含有0.05％～0.10％的UF6、3％～7％的氟气和少量的氟化氢等有害气体。因此，工艺尾气的净化处理既要达到回收铀的目的，又要防止铀、氟对环境的污染。
氟化工艺尾气常用的处理方法有固体化学阱法、UF4吸收法和碱液洗涤法。
1)固体化学阱法。常用的固体吸附剂有木炭、碱石灰以及活性CaSO4(无水)、CaF2、Al2O3等。木炭、碱石灰的吸附为化学吸附，其余三种吸附剂的吸附主要是物理吸附(它们中含有水份时，也能与氟气和UF6作用；CaSO4也能与氟气反应)。加拿大霍普港厂使用活性Al2O3以去除氟化工艺尾气中的UF6。在一组以六个阱内径约为0.3m钢制的吸附柱中，气流在每个柱中的停留时间约为2分钟。排气管串接双重空气喷射器，以克服系统阻力，Al2O3中的铀采取酸浸法进行回收和去除。由于固体吸附剂在使用时，除NaF外，达到饱和吸附容量后，必须经采取湿法回收方式以回收铀，而氟气的回收再利用存在较大困难。因此，国外除少数工厂使用Al2O3吸附法外，一般不利用该类吸附剂进行氟化工艺尾气的处理。
2)UF4吸收法。目前，在氟化工艺尾气的处理过程中，UF4是普遍采用的一种吸附剂。它与工艺尾气中的UF6作用时，可生成铀的中间氟化物，如UF5、U4F17、U2F9等；与氟气作用时，除可生成UF6外，也可生成上述铀的中间氟化物。这些铀的中间氟化物可直接返回到氟化反应器中继续参与氟化反应，而无需采取其他回收手段，因而UF4是一种最为经济的吸附剂。为最大限度的利用氟气，国外多数铀转化厂采用UF4吸收法设置氟气净化或再循环利用装置。
3)碱液洗涤法。氟化工艺尾气与水或水溶液接触时，UF6水解为UO2F2和氟化氢而转入到溶液中。氟气也能与水作用，除生成氢氟酸外，还释放出氧气、微量臭氧、氟化氧等气体和大量的热。由于氢氟酸具有强烈的腐蚀性，生产中，通常采用浓度为5％～10％的苛性碱或纯碱溶液作淋洗剂，以便及时中和生成的氢氟酸。法国皮埃尔拉特厂采用的碱液洗涤法基本流程如图1所示。
目前，国内有转化生产线通过借鉴国外先进经验，结合自身多年生产经验，采用木炭吸附—碱液淋洗技术，建立了一套安全、有效的氟化工艺尾气净化处理系统，并熟练掌握了氟化工艺尾气净化处理技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用木炭吸附—碱液淋洗技术，提供一种净化处理氟化工艺尾气系统，安全有效的去除六氟化铀生产过程中的氟化工艺尾气，确保处理后的工艺废气达到排放标准。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种净化处理氟化工艺尾气系统，该系统包括尾气系统、冷却水系统以及碱液循环系统；
(一)尾气系统
炭反应器是碳钢结构的立式固定床，炭反应器炉体外设置炭反应器炉体水夹套进行冷却，炭反应器上端设置沉降室对气体进行沉降；炭反应器底部设置用水冷却的条状隔板，在条状隔板上堆木炭，在条状隔板下方设置渣罐；
条状隔板外部设置条状隔板水夹套；
入氟化尾气包含氮气、氟气、氟化氢、六氟化铀，从炭反应器底部的气体进口进入炭反应器炉体，与从炭反应器内的木炭进行反应，反应后产生的固体残渣落入渣罐中；反应后的气体经过沉降室沉降后从炭反应器顶部排出，并随管道进入填料淋洗塔底部，气体在填料淋洗塔中自下而上，从填料淋洗塔上部排入排风系统；
(二)冷却水系统
冷却水来自厂房生产上水，由总阀PW01阀门控制，冷却水分为两部分：一部分冷却炭反应器炉体，冷却水经阀门PW02进入炭反应器炉体水夹套，冷却水低进高出，经DR01阀门排出炭反应器炉体水夹套回水；
另一部分冷却炭反应器条状隔板，冷却水经阀门PW03进入炭反应器条状隔板水夹套，冷却水从侧面一进一出，经DR02阀门排出条状隔板水夹套回水，然后条状隔板水夹套回水汇和炭反应器炉体水夹套回水排入生产回水系统；
填料淋洗塔中的淋洗液由填料淋洗塔水进口经洒水器进入填料淋洗塔内，通过填料淋洗塔内的填料进行均匀分布，反应后，经填料淋洗塔水出口排入碱液槽；
(三)碱液循环系统
先将配置好的质量浓度为3～5％的碳酸钠溶液加入碱液槽中，碱液槽液位为1200～1500mm，碱液槽底部与屏蔽泵通过管道相连，屏蔽泵出口阀门为NA01；
屏蔽泵出口阀门与填料淋洗塔通过管道相连，填料淋洗塔进口阀门为NA02；
碱液在填料淋洗塔淋洗后，由填料淋洗塔底部自流至碱液槽中；
在屏蔽泵出口阀门NA01与填料淋洗塔进口阀门NA02之间的管道设有三通，由阀门NA03引出，连接至含铀含氟处理工序；
填料淋洗塔进口处与阀门NA02之间设置三通，由阀门PW04引出，连接生产上水，当碱液槽更换碱液时，开启阀门PW04，将生产用水作为临时淋洗液用。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，尾气系统中，炭反应器炉体水夹套温度控制在(70～80)℃，通过调节冷却水的流量控制。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，尾气系统中，条状隔板堆放一层厚度为100mm氟化钙砖，以避免木炭与条状隔板直接接触、降低条状隔板温度的目的。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，冷却水系统中，填料淋洗塔塔体内部采取碳钢衬胶制成；填料为硬聚乙烯拉西环。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，碱液循环系统中，定期取样测量淋洗液的pH值，确保淋洗液呈碱性。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，碱液循环系统中，当淋洗液pH值为7时，关闭阀门NA02，开启阀门PW04、NA03，将废液排往至含铀含氟处理工序。
进一步的，如上所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，碱液循环系统中，在废液排出过程中，当碱液槽液位下降至500mm左右时停止排放，开启阀门NA02，关闭阀门PW04、NA03，同时重新补充新鲜的碳酸钠溶液至碱液槽液位为1200～1500mm。
本发明通过提供一种净化处理氟化工艺尾气系统，采用长期摸索确定的木炭吸附—碱液淋洗技术实现了对六氟化铀生产过程中氟化尾气中有害成分的净化处理，净化后的工艺尾气达到排放标准。该技术方法具有：系统结构简单、操作简便、控制条件易于实现、安全系数较高等优点。具体优点如下所述：
1)系统结构简单。氟化尾气净化处理系统主要由炭反应器、填料淋洗塔、碱液槽、屏蔽泵、监测仪表及相应管道组成。
2)操作简单。该系统正常运行之后，通过控制少量相关控制阀门的开启/关闭状态，氟化尾气在系统压差的作用下，直接通过炭反应器、填料淋洗塔处理后，进入排风系统。在运行过程中，当炭反应器中木炭燃烧完全可通过切换备用设备实现系统的连续运行，设备切换过程也仅通过开启/关闭相关控制阀门状态即可实现。
3)控制条件易于实现。该系统正常运行主要控制系统的压力、温度、淋洗液的pH值等工艺参数，其控制方式简单易于实现。
4)安全系数高。氟化尾气中含有UF6、氟气、氟化氢等有害气体，为防止气体外泄，本系统采用四氟垫、铅垫等密封形式确保系统具有良好的密封性。另外本系统对金属铀、氟气、氟化氢的净化系数较高，产生的废气排往排风系统，废液排往含铀含氟废液处理工序，固体废物直接用渣罐储存，确保作业环境中的放射性水平维持在较低水平。
附图说明
图1为氟化工艺尾气碱液洗涤流程示意图；
图2为立式炭反应器—填料淋洗塔氟化尾气净化处理系统工艺流程图。
图中：1—炭反应器，2—填料淋洗塔，3—碱液槽，4—屏蔽泵。
具体实施方式
在六氟化铀生产过程中，氟化工艺气体经过冷凝器的冷凝捕集、氟气回收、氟化氢回收后，其不凝性尾气部分仍含有少量的氟气、氟化氢以及微量的六氟化铀；本发明采用木炭吸附-碱液淋洗两级串联方式，实现对氟化工艺尾气的净化处理；
木炭作为一种常用的吸附剂，吸附容量高，不仅能将六氟化铀还原成四氟化铀或铀的中间氟化物，还能与氟气反应生成无毒的四氟化炭和石蜡状氟炭化合物，反应机理如下：
UF6+C→UF4↓+CF4↑
2F2+C→CF4↑
上述反应主要在炭反应器中进行；
经长时间运行证明，此反应器铀的净化率可高达95％以上，氟气净化率为98％左右；但在使用中，条状隔板易腐蚀损坏，在相同的工艺运行条件下，随氟化工艺尾气中氟气浓度的升高，其腐蚀愈来愈严重；为减轻腐蚀，条状隔板可堆放一层(厚度为100mm)氟化钙砖，以避免木炭与炉篦子直接接触、降低炉篦子温度的目的。
本发明采用碳酸钠溶液作为淋洗剂，不仅可使氟气、氟化氢反应生成氟化钠，还能与六氟化铀反应生成三碳酸铀酰纳转入到溶液中；主要反应机理如下：
F2+H2O→HF+O2
Na2CO3+HF→NaF+H2CO3
UF6+H2O→HF+UO2F2
Na2CO3+UO2F2→Na4[UO2(CO3)3]+NaF
上述反应主要在填料淋洗塔中进行；铀和氟气的净化效率分别可达到70％和80％；
具体的，如图1和图2所示，本发明一种净化处理氟化工艺尾气系统，该系统包括尾气系统、冷却水系统以及碱液循环系统；
(一)尾气系统
炭反应器是碳钢结构的立式固定床，炭反应器炉体外设置炭反应器炉体水夹套进行冷却，炭反应器上端设置沉降室对气体进行沉降；炭反应器底部设置用水冷却的条状隔板，在条状隔板上堆木炭，在条状隔板下方设置渣罐；
条状隔板外部设置条状隔板水夹套；
入氟化尾气包含氮气、氟气、氟化氢、六氟化铀，从炭反应器底部的气体进口进入炭反应器炉体，与从炭反应器内的木炭进行反应，反应后产生的固体残渣落入渣罐中；反应后的气体经过沉降室沉降后从炭反应器顶部排出，并随管道进入填料淋洗塔底部，气体在填料淋洗塔中自下而上，从填料淋洗塔上部排入排风系统；
尾气系统中，炭反应器炉体水夹套温度控制在(70～80)℃，通过调节冷却水的流量控制；条状隔板堆放一层厚度为100mm氟化钙砖，以避免木炭与条状隔板直接接触、降低条状隔板温度的目的；
(二)冷却水系统
冷却水来自厂房生产上水，由总阀PW01阀门控制，冷却水分为两部分：一部分冷却炭反应器炉体，冷却水经阀门PW02进入炭反应器炉体水夹套，冷却水低进高出，经DR01阀门排出炭反应器炉体水夹套回水；
另一部分冷却炭反应器条状隔板，冷却水经阀门PW03进入炭反应器条状隔板水夹套，冷却水从侧面一进一出，经DR02阀门排出条状隔板水夹套回水，然后条状隔板水夹套回水汇和炭反应器炉体水夹套回水排入生产回水系统；
填料淋洗塔中的淋洗液由填料淋洗塔水进口经洒水器进入填料淋洗塔内，通过填料淋洗塔内的填料进行均匀分布，反应后，经填料淋洗塔水出口排入碱液槽；
冷却水系统中，填料淋洗塔塔体内部采取碳钢衬胶制成；填料为硬聚乙烯拉西环；
(三)碱液循环系统
先将配置好的质量浓度为3～5％的碳酸钠溶液加入碱液槽中，碱液槽液位为1200～1500mm，碱液槽底部与屏蔽泵通过管道相连，屏蔽泵出口阀门为NA01；
屏蔽泵出口阀门与填料淋洗塔通过管道相连，填料淋洗塔进口阀门为NA02；
碱液在填料淋洗塔淋洗后，由填料淋洗塔底部自流至碱液槽中；
在屏蔽泵出口阀门NA01与填料淋洗塔进口阀门NA02之间的管道设有三通，由阀门NA03引出，连接至含铀含氟处理工序；
填料淋洗塔进口处与阀门NA02之间设置三通，由阀门PW04引出，连接生产上水，当碱液槽更换碱液时，开启阀门PW04，将生产用水作为临时淋洗液用。
碱液循环系统中，定期取样测量淋洗液的pH值，确保淋洗液呈碱性；当淋洗液pH值为7时，关闭阀门NA02，开启阀门PW04、NA03，将废液排往至含铀含氟处理工序；在废液排出过程中，当碱液槽液位下降至500mm左右时停止排放，开启阀门NA02，关闭阀门PW04、NA03，同时重新补充新鲜的碳酸钠溶液至碱液槽液位为1200～1500mm。
根据木炭吸附—碱液淋洗的技术路线，本发明研制了氟化尾气净化处理系统。具体实施方式如下所述：
1)建立了氟化尾气净化处理系统。该装置由立式炭反应器、填料淋洗塔、碱液槽、屏蔽泵、监测仪表和相关管道等部分组成。
2)系统开车。
(1)炭反应器填加木炭。开启炭反应器加炭口，将(200～250)kg干燥的袋装木炭倒入炭反应器中。
(2)开启炭反应器冷却系统。开启阀门PW01、PW02、PW03、DR01、DR02，并确保冷却水畅通。
(3)碱液槽加淋洗液。向碱液槽中注入(1200～1500)mm，浓度为(3～5)％的碳酸钠溶液。
(4)开启碱液循环系统。开启填料淋洗塔进口阀门NA02，待屏蔽泵泵腔充满液体后，启动屏蔽泵电机，待屏蔽泵正常运转后，缓慢开启阀门NA01，将碱液槽中的碳酸钠溶液输送至填料淋洗塔中，并使之在填料淋洗塔与碱液槽中进行循环。
(5)开启炭反应器尾气、进出口阀门J-01、J-02，使氟化工艺尾气进入系统。

Claims (8)

1.一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：
该系统包括尾气系统、冷却水系统以及碱液循环系统；
(一)尾气系统
炭反应器是碳钢结构的立式固定床，炭反应器炉体外设置炭反应器炉体水夹套进行冷却，炭反应器上端设置沉降室对气体进行沉降；炭反应器底部设置用水冷却的条状隔板，在条状隔板上堆木炭，在条状隔板下方设置渣罐；
条状隔板外部设置条状隔板水夹套；
氟化工艺尾气包含氮气、氟气、氟化氢、六氟化铀，从炭反应器底部的气体进口进入炭反应器炉体，与炭反应器炉体内的木炭进行反应，反应后产生的固体残渣落入渣罐中；反应后的气体经过沉降室沉降后从炭反应器顶部排出，并随管道进入填料淋洗塔底部，气体在填料淋洗塔中自下而上，从填料淋洗塔上部排入排风系统；
(二)冷却水系统
冷却水来自厂房生产上水，由总阀PW01阀门控制，冷却水分为两部分：一部分冷却炭反应器炉体，冷却水经阀门PW02进入炭反应器炉体水夹套，冷却水低进高出，经DR01阀门排出炭反应器炉体水夹套回水；
另一部分冷却炭反应器条状隔板，冷却水经阀门PW03进入炭反应器条状隔板水夹套，冷却水从侧面一进一出，经DR02阀门排出条状隔板水夹套回水，然后条状隔板水夹套回水汇合炭反应器炉体水夹套回水排入生产回水系统；
填料淋洗塔中的淋洗液由填料淋洗塔水进口经洒水器进入填料淋洗塔内，通过填料淋洗塔内的填料进行均匀分布，反应后，经填料淋洗塔水出口排入碱液槽；
(三)碱液循环系统
先将配置好的质量浓度为3～5％的碳酸钠溶液加入碱液槽中，碱液槽液位为1200～1500mm，碱液槽底部与屏蔽泵通过管道相连，屏蔽泵出口阀门为NA01；
屏蔽泵出口阀门与填料淋洗塔通过管道相连，填料淋洗塔进口阀门为NA02；
碱液在填料淋洗塔淋洗后，由填料淋洗塔底部自流至碱液槽中；
在屏蔽泵出口阀门NA01与填料淋洗塔进口阀门NA02之间的管道设有三通，由阀门NA03引出，连接至含铀含氟处理工序；
填料淋洗塔进口处与阀门NA02之间设置三通，由阀门PW04引出，连接生产上水，当碱液槽更换碱液时，开启阀门PW04，将生产用水作为临时淋洗液用。
2.如权利要求1所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：尾气系统中，炭反应器炉体水夹套温度控制在70～80℃，通过调节冷却水的流量控制。
3.如权利要求1所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：尾气系统中，条状隔板堆放一层厚度为100mm氟化钙砖，以避免木炭与条状隔板直接接触、降低条状隔板温度。
4.如权利要求1所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：冷却水系统中，填料淋洗塔塔体内部采取碳钢衬胶制成；填料为硬聚乙烯拉西环。
5.如权利要求1所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：碱液循环系统中，定期取样测量淋洗液的pH值，确保淋洗液呈碱性。
6.如权利要求5所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：碱液循环系统中，当淋洗液pH值为7时，关闭阀门NA02，开启阀门PW04、NA03，将废液排往至含铀含氟处理工序。
7.如权利要求6所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：碱液循环系统中，在废液排出过程中，当碱液槽液位下降至500mm时停止排放，开启阀门NA02，关闭阀门PW04、NA03，同时重新补充新鲜的碳酸钠溶液至碱液槽液位为1200～1500mm。
8.如权利要求1所述的一种净化处理氟化工艺尾气系统，其特征在于：尾气系统中，炭反应器炉体水夹套温度控制在70～80℃，通过调节冷却水的流量控制；条状隔板堆放一层厚度为100mm氟化钙砖，以避免木炭与条状隔板直接接触、降低条状隔板温度；
冷却水系统中，填料淋洗塔塔体内部采取碳钢衬胶制成；填料为硬聚乙烯拉西环；
碱液循环系统中，定期取样测量淋洗液的pH值，确保淋洗液呈碱性；当淋洗液pH值为7时，关闭阀门NA02，开启阀门PW04、NA03，将废液排往至含铀含氟处理工序；在废液排出过程中，当碱液槽液位下降至500mm时停止排放，开启阀门NA02，关闭阀门PW04、NA03，同时重新补充新鲜的碳酸钠溶液至碱液槽液位为1200～1500mm。
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