CN109300555B - 一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，其中喷嘴组件用于将六氟化铀气体和夹带四氯化碳的氢气从互不相连的通道喷入反应炉内；尾气过滤装置用于对反应炉输出的尾气进行过滤处理，以回收尾气中携带的粉料；收料箱用于接收反应炉输出的四氟化铀沉淀物，直至其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，向装料手套箱输出四氟化铀沉淀物；装料手套箱内设置有接收四氟化铀沉淀物的料筒，用于在料筒的装料量达到预定值时，通过手套孔更换下一个料筒并继续装料，直至装料完毕。本发明通过各组成部分的协同工作，实现了核燃料生产线中UF₆到UF₄自动且连续的干法转化，工艺流程短，几乎不产生废水，还可适用于不同丰度的燃料转化，通用性强。

Description

一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置

技术领域

本发明涉及核燃料生产技术领域，具体涉及一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置。

背景技术

核燃料进入反应堆前的制备、在反应堆中燃烧及后处理的整个过程称为核燃料循环。具体包括：铀(钍)资源开发、矿石加工冶炼、铀同位素分离和燃料加工制造，燃料在反应堆中使用，乏燃料后处理和核废物处理、处置等三大部分。

在核燃料循环过程中，六氟化铀(UF₆)到四氟化铀(UF₄)的转化加工占有重要地位，这是因为UF₄既可作为生产金属铀的起始原料，又易于转化为其它铀化合物和作为贫料贮存的一种实际可用的化合物形式。

工业上，UF₆到UF₄的转化工艺分两种，一种是湿法工艺，一种是干法工艺。其中，湿法工艺流程长，设备多，过程复杂，产生的废水量多，但工艺成熟，我国普遍采用的是这种方法；干法流程短，几乎不产生废水，但是工艺条件尚未完全成熟，每套干法转化装置均需根据实际生产情况进行实验得出最佳的设计参数，再进行详细设计，通用性极差。

发明内容

为了至少部分解决现有技术中存在的技术问题而完成了本发明。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，其包括：依次连接的喷嘴组件、反应炉、收料箱和装料手套箱，以及与所述反应炉的尾气出口连接的尾气过滤装置；所述喷嘴组件用于将六氟化铀气体和夹带四氯化碳的氢气从互不相连的通道喷入所述反应炉内，以使氢气和六氟化铀气体在催化剂四氯化碳的作用下在所述反应炉内发生反应；所述尾气过滤装置用于对所述反应炉输出的尾气进行过滤处理，以回收所述尾气中携带的粉料；所述收料箱用于接收所述反应炉输出的四氟化铀沉淀物，直至其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，向所述装料手套箱输出四氟化铀沉淀物；所述装料手套箱内设置有接收四氟化铀沉淀物的料筒，用于在所述料筒的装料量达到预定值时，通过所述装料手套箱上的手套孔更换下一个料筒并继续装料，直至装料完毕。

可选地，所述喷嘴组件采用双环隙喷嘴结构，所述双环隙喷嘴具有同轴布置的三层通道，且中心通道为六氟化铀气体通道，中间环隙通道为纯氢气通道，外层环隙通道为夹带四氯化碳的氢气通道。

可选地，所述喷嘴组件包括：由外至内依次同轴布置的外接管、中间接管和内接管，以及由外至内依次同轴布置的外喷嘴、中间喷嘴和内喷嘴；所述外接管、所述中间接管和所述内接管上分别设置有气体进口；所述外喷嘴与所述外接管的底部连接，所述中间喷嘴与所述中间接管的底部连接，所述内喷嘴与所述内接管的底部连接。

可选地，所述外喷嘴、所述中间喷嘴和所述内喷嘴的出口均采用向内收敛的结构。

可选地，所述反应炉包括：炉体，设置在所述炉体外侧的冷却装置、加热装置和测温装置，以及分别与所述冷却装置、加热装置和测温装置电连接的第一控制器；所述测温装置用于实时测量所述炉体的壁温；所述控制器用于根据所述炉体的壁温控制所述冷却装置和所述加热装置的启闭，以使所述炉体的壁温始终保持在预设温度范围内。

可选地，所述炉体由上至下划分为多段区域，所述冷却装置包括多个冷却体，所述加热装置包括多个加热体，所述测温装置包括多个温度传感器，所述第一控制器包括多个子控制器；所述炉体的每一段区域均对应一个所述温度传感器、一个所述子控制器以及由所述子控制器独立控制的一个所述冷却体和一个所述加热体，且所述冷却体、所述加热体和所述温度传感器均设置在所述炉体对应段区域的外侧。

可选地，所述炉体采用上窄下宽的圆锥体管状结构；和/或，

所述冷却装置包括：包覆于所述炉体外侧的带槽不锈钢夹套和缠绕在所述不锈钢夹套的槽内的蛇管，所述蛇管内流通有冷媒；所述加热装置包括：包覆于所述不锈钢夹套外侧的陶瓷加热圈。

可选地，所述冷媒采用夹带水雾的压缩空气；和/或，

所述反应炉还包括：填充在所述炉体外侧与所述不锈钢夹套之间的导热硅胶；和/或，

所述反应炉还包括：包覆于所述陶瓷加热圈外侧的保温隔热层。

可选地，所述尾气过滤装置采用微孔过滤器，其过滤孔径为0.2～1.0μm。

可选地，所述收料箱包括：顶部设置有进料口、底部设置有出料口的倒锥形箱体、设置在所述箱体侧壁上的视镜、设置在所述箱体底部出料口处的常闭控制阀，以及第二控制器；所述第二控制器与所述控制阀电连接，用于在所述箱体内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，打开所述控制阀，以使所述箱体内的四氟化铀沉淀物向所述装料手套箱输出。

可选地，所述装料手套箱包括顶部设置有下料口的箱体、设置在所述箱体侧壁上的窥视窗和手套孔、设置在所述箱体内的称重装置、放置在所述称重装置上且开口与所述箱体顶部下料口正对的料筒，以及设置在所述箱体侧壁上用于所述料筒进出的旋转门。

可选地，所述干法转化装置还包括设置在所述收料箱与所述装料手套箱之间的对轮破碎机和螺旋输送机；所述对轮破碎机分别与所述收料箱和所述螺旋输送机连接，用于接收所述收料箱输出的四氟化铀沉淀物，并采用对轮挤压的方式对其中的块状料进行破碎处理，然后将破碎后的四氟化铀沉淀物输出至所述螺旋输送机；所述螺旋输送机用于采用螺旋输送的方式以预设速度向所述装料手套箱输送破碎后的四氟化铀沉淀物。

可选地，所述螺旋输送机的螺旋轴与水平面呈预设角度设置。

可选地，所述对轮破碎机的轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式；和/或，所述螺旋输送机的轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式。

有益效果：

本发明所述六氟化铀到四氟化铀干法转化装置通过喷嘴组件、反应炉、尾气过滤装置、收料箱和装料手套箱的协同工作，实现了核燃料生产线中UF₆到UF₄自动且连续的干法转化，工艺流程短，几乎不产生废水，还可以根据不同丰度的物料来设计收料箱的尺寸，以适用于不同丰度的燃料转化，通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的六氟化铀到四氟化铀干法转化装置的结构示意图；

图2为图1中喷嘴组件的结构示意图；

图3为图1中反应炉的结构示意图；

图4为图1中微孔过滤器的结构示意图；

图5为图1中收料箱的结构示意图；

图6为图1中装料手套箱的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的六氟化铀到四氟化铀干法转化装置的结构示意图；

图8为图7中对轮破碎机的结构示意图；

图9为图7中螺旋输送机的结构示意图；

图10为图9中氮气密封机构和填料密封机构的放大结构示意图。

图中：1－喷嘴组件；101－纯氢气进口；102－六氟化铀气体进口；103－内接管；104－中间接管；105－外接管；106－夹带四氯化碳的氢气进口；107－法兰；108－外喷嘴；109－中间喷嘴；110－内喷嘴；2－反应炉；201－气体进口；202－冷却体；203－加热体；204－冷媒口；205－温度传感器；206－炉体；207－爆破片；208－振打器；209－沉淀物出口；210－压力表；211－尾气出口；212－法兰；213－支管；214－导热硅脂；215－保温隔热层；3－微孔过滤器；301－进气口；302－壳体；303－过滤管；304－支耳；305－出气口；306－反吹进气口；307－滤后测压口；308－滤前测压口；4－收料箱；401－进料口；402－氮气密封机构；403－箱体；404－视镜；405－出料口；5－对轮破碎机；501－链轮；502－齿轮；503－轴承；504－填料密封机构；505－对轮；506－机架；507－氮气密封机构；6－螺旋输送机；601－进料口；602－螺旋轴；603－氮气密封机构；604－填料密封机构；605－调速电机；606－出料口；7－装料手套箱；701－排风过滤器；702－下料口；703－进风过滤器；704－蝶阀；705－照明灯；706－窥视窗；707－旋转门；708－料筒；709－手套孔；710－箱体；711－电子秤；712－按钮盒；713－开关盒；714－支架。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，是干法线生成四氟化铀的核心设备，可在核燃料生产线中自动且连续地实现UF₆到UF₄的干法转化。干法转化装置的结构对脱氟工艺的操作和效率有很大的影响，其内部气体流动非常复杂，流场分布情况对混合、传热和传质都有重要影响，进而影响反应炉的性能。

下面通过实施例1和实施例2详细描述所述干法转化装置的具体结构。

实施例1：

本实施例提供一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，可适用于不同丰度的物料，特别适用于反应过程中不生成块状产品的干法转化过程。

如图1至图6所示，本实施例所述干法转化装置包括：依次连接的喷嘴组件1、反应炉2、收料箱4和装料手套箱7，以及与反应炉2的尾气出口连接的尾气过滤装置。具体地，喷嘴组件1设置在反应炉2的气体进口201处，反应炉2的尾气出口211与尾气过滤装置的进气口连接，反应炉2的沉淀物出口209与收料箱4的进料口401连接，收料箱4的出料口405与装料手套箱7的下料口702连接。

其中，喷嘴组件1用于将六氟化铀气体和夹带四氯化碳的氢气从互不相连的通道喷入反应炉2内，以使氢气和六氟化铀气体在催化剂四氯化碳的作用下在反应炉2内发生反应。

尾气过滤装置用于对反应炉2输出的尾气进行过滤处理，以回收尾气中携带的粉料，然后去尾气工序处理。本实施例中，尾气过滤装置采用微孔过滤器3，其过滤孔径为0.2～1.0μm。

收料箱4用于接收反应炉2输出的四氟化铀沉淀物，直至其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，向装料手套箱7输出四氟化铀沉淀物。本实施例中，可根据不同丰度的物料进行临界安全计算，以得出收料箱4的具体尺寸。至于所述预设高度和所述预设气封要求，可由本领域技术人员根据实际情况进行设定。

装料手套箱7内设置有接收四氟化铀沉淀物的料筒708，用于在料筒708的装料量达到预定值时，通过装料手套箱7上的手套孔709更换下一个料筒708并继续装料，直至装料完毕。

本实施例中，通过喷嘴组件、反应炉、尾气过滤装置(微孔过滤器)、收料箱和装料手套箱的协同工作，实现了核燃料生产线中UF₆到UF₄自动且连续的干法转化，工艺流程短，几乎不产生废水，还可以根据不同丰度的物料来设计收料箱的尺寸，以适用于不同丰度的燃料转化，通用性强。

如图2所示，喷嘴组件1采用双环隙喷嘴结构，可有效减少喷嘴顶端块状烧结物的产生，可靠性高。双环隙喷嘴具有同轴布置的三层通道，分别为中心通道、中间环隙通道和外层环隙通道，且中间环隙通道位于中心通道与外层环隙通道之间。

其中，中心通道为六氟化铀气体通道，与六氟化铀供应系统连接，用于输送六氟化铀气体；中间环隙通道为纯氢气通道，与氢气供应系统连接，用于输送纯氢气；外层环隙通道为夹带四氯化碳的氢气通道，与催化剂供应系统连接，用于输送夹带四氯化碳的氢气。中间环隙通道的作用是将六氟化铀气体与夹带四氯化碳的氢气隔离开来，使二者离开喷嘴并走过一定距离后再发生反应。

本实施例中，喷嘴组件1是装设在反应炉2顶部的重要部件，其作用是将六氟化铀和氢气从互不相连的通路喷入反应炉2的炉体内部，使气氛相互混合，进行还原反应。

具体地，如图2所示，喷嘴组件包括：由外至内依次同轴布置的外接管105、中间接管104和内接管103，以及由外至内依次同轴布置的外喷嘴108、中间喷嘴109和内喷嘴110。其中，外接管105上设置有与催化剂供应系统连接的夹带四氯化碳的氢气进口106，中间接管104上设置有与氢气供应系统连接的纯氢气进口101，内接管103上设置有与六氟化铀供应系统连接的六氟化铀气体进口102；外喷嘴108与外接管105的底部连接，中间喷嘴109与中间接管104的底部连接，内喷嘴110与内接管103的底部连接。六氟化铀气体、纯氢气和夹带四氯化碳的氢气从各自入口处分别进入内接管103、中间接管104和外接管105，然后分别从内喷嘴110、中间喷嘴109、外喷嘴108喷出。

而且，外喷嘴108、中间喷嘴109和内喷嘴110的出口均采用向内收敛的结构，其作用是使各个喷嘴喷射出的气体束呈收缩状态，防止燃烧时火焰束直接接触反应炉的炉壁，造成炉壁局部过热的情况发生。

此外，喷嘴组件1与反应炉2之间通过连接件可拆卸地连接。例如，二者通过法兰连接，当需要更换喷嘴组件1时，只需要将喷嘴组件1的法兰与反应炉2的法兰拆开即可。

具体地，喷嘴组件1包括法兰107，内接管103、中间接管104和外接管105同轴设置在法兰107上表面，内喷嘴110、中间喷嘴109和外喷嘴108同轴设置在法兰107下表面。例如，内接管103、中间接管104和外接管105均以焊接的方式固定在法兰107上表面，焊接形式可采用全焊透方式；内喷嘴110、中间喷嘴109和外喷嘴108均采用螺纹连接的形式与法兰107下表面连接，方便拆卸。当然，法兰107上应设置有连通内接管103与内喷嘴110的圆形内通道、连通中间接管104与中间喷嘴109的环形中间通道，以及连通外接管105和外喷嘴108的环形外通道。反应炉2包括法兰212，其固定在反应炉2的气体进口201处。

由于反应过程中会生成HF气体，属于高度危害介质，因此喷嘴组件1的法兰107与反应炉2的法兰212之间的密封面采用榫槽面密封型式，即二者之间的密封面由一榫槽面和一槽面配合组成，垫片置于槽内。其中，垫片可采用金属垫片，以保证喷嘴组件1与反应炉2之间在高温下也能保证良好的密封性。

如图3所示，反应炉2包括：炉体206，设置在炉体206外侧的冷却装置、加热装置和测温装置，以及分别与冷却装置、加热装置和测温装置电连接的第一控制器。其中，测温装置用于实时测量炉体206的壁温。控制器用于根据炉体206的壁温控制冷却装置和加热装置的启闭，以使炉体206的壁温始终保持在预设温度范围内。至于所述预设温度范围的具体数值可由本领域技术人员根据实际情况进行设定。

本实施例中，反应炉为整个还原反应提供空间，并控制反应物的沉降速度，因而要具有一定的容积空间，对反应的波动也起到一定的缓冲作用，同时保证炉体的壁温始终维持在预设温度范围内，利于反应气体流动的顺畅与气流分布的均匀，为反应的顺利进行创造了有利条件。

进一步地，炉体206由上至下划分为多段区域；冷却装置包括竖直分布的多个冷却体202，加热装置包括竖直分布的多个加热体203，测温装置包括竖直分布的多个温度传感器205，第一控制器包括多个子控制器。炉体206的每一段区域均对应一个温度传感器205、一个子控制器以及由该子控制器独立控制的一个冷却体202和一个加热体203，且冷却体202、加热体203和温度传感器205均设置在炉体206对应段区域的外侧。

本实施例中，炉体由上至下划分为多段区域，每段均设置有温度传感器、加热体和冷却体，并由对应的子控制器单独控制，实现了炉体壁温的分段控制，有利于反应炉的正常工作。分段冷却能使反应炉及时、均匀地得到冷却，即使有个别管路出现问题，也不会妨碍反应的正常进行。

具体地，炉体206可采用上窄下宽的圆锥体管状结构，以防止反应炉主反应段的炉壁上产生固体物料的烧结；而且，考虑到反应生成的四氟化铀沉淀物需要一定的沉淀空间，炉体206的长度取3m、上口径为Ф80mm、下口径为Ф160mm。炉体206的顶端设置有气体进口201、底端设置有沉淀物出口209、底部外侧与向上延伸的支管213连接；气体进口201处设置有法兰212；支管213包括倾斜部与竖直部，且所述倾斜部分别与炉体206底部外侧和所述竖直部连接，所述倾斜部的底部外侧设置有压力表210和振打器208，所述竖直部的自由端设置有尾气出口211，且尾气出口211通过连接件(如法兰)与微孔过滤器3可拆卸地连接；炉体206的底部外侧还设置有爆破片207和振打器208。可见，振打器208分别设置在炉体底部及支管底部，用于清除炉体底部和支管底部内壁粘结的物料；爆破片207设置在炉体底部，用于在规定的温度和压力下爆破，泄放压力，以免炉体内超温、超压。

冷却体202可包括：包覆于炉体206对应段区域外侧的带槽不锈钢夹套和缠绕在不锈钢夹套的槽内的蛇管(可称为冷却盘套)。蛇管内流通有冷媒，用于冷却炉体壁温，炉体206的每一段区域对应的蛇管上均设置有两个冷媒口204，其中一个冷媒口204为冷媒进口，另一个冷媒口204为冷媒出口。冷媒可采用夹带水雾的压缩空气。

加热体203可包括：包覆于不锈钢夹套外侧的陶瓷加热圈。

本实施例中，反应炉的加热与冷却分别采用陶瓷加热圈和含有冷媒的蛇管来控制炉体壁温，温控效果好。

此外，如图3所示，反应炉2还包括填充在炉体206各段区域外侧与不锈钢夹套之间的导热硅胶214，以及包覆于陶瓷加热圈外侧的保温隔热层215。其中，在不锈钢夹套与炉体外侧之间的缝隙处填充导热硅胶，可保证加热与冷却性能；在陶瓷加热圈外侧包覆保温隔热层，可提高加热效率，防止操作人员被高温灼伤。

需要说明的是，图3中虽然仅示出了炉体206由上至下划分为5段区域，即加热、冷却部分在炉体206外侧共分布5段，每段均设置有单独的温度传感器205、两个冷媒口204(分别为冷媒进、出口)、加热体203和冷却体202等，但本发明不限制于此，炉体206还可根据实际需要划分为更多段区域或更少段区域。

如图4所示，微孔过滤器3包括壳体302、设置在壳体302内部的多根过滤管303、设置在壳体302下部外侧的支耳304和滤前测压口308，以及设置在壳体302上部外侧的反吹进气口306和滤后测压口307。壳体302的顶端设置有出气口305、底端设置有进气口301，且反应炉2的尾气出口211与微孔过滤器3的进气口301通过法兰可拆卸地连接。

本实施例中，微孔过滤器3用于对反应炉输出的尾气进行处理，并将尾气带出的粉料进行回收。

具体地，过滤管303可采用现有化学性能优越的微孔PE/PA过滤管，PE/PA过滤管是由超高分子量聚乙烯粉末通过特殊工艺烧结而成的过滤管。根据滤前测压口308和滤后测压口307处测量得到的压力差即可判断出过滤管303内收集的物料含量，经过一段时间的过滤，过滤管303内收集了足够多的物料，过滤前后的压力差达到预定值，此时可通过反吹气进口306对过滤管303进行反吹排渣。支耳304用于固定壳体302。

如图5所示，收料箱4包括：顶部设置有进料口401、底部设置有出料口405的倒锥形箱体403、设置在箱体403侧壁上的视镜404、设置在箱体底部出料口405处的常闭控制阀，以及第二控制器；第二控制器与所述控制阀电连接，用于在箱体403内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，打开所述控制阀，以使箱体403内的四氟化铀沉淀物向装料手套箱7输出。其中，所述控制阀可采用现有的刀形闸阀。

本实施例中，收料箱采用倒锥形结构，用于收集四氟化铀沉淀物，待其中的物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，由第二控制器打开刀形闸阀，实现物料的暂存和自动输出。

具体地，箱体403既可以为倒方锥形，也可以为倒圆锥形，且箱体403的进料口401与反应炉2的沉淀物出口209通过法兰可拆卸地连接，箱体403的出料口405与装料手套箱7的下料口702通过法兰可拆卸地连接。箱体403需采用几何安全设计，根据不同丰度的物料，进行临界安全计算，以得出箱体的具体尺寸。箱体403的顶部还设置有氮气密封机构402，由于氮气密封机构属于本领域常用设备，本发明对其结构不再赘述。

由于与收料箱4接触的物料为UF₄固体、HF气体和H₂，因此，箱体403的材质采用普通不锈钢即可，视镜404的材质可选用有机玻璃。通过视镜404观察箱体403内UF₄产品的高度，达到气封要求后自动打开刀形闸阀，使UF₄产品落入装料手套箱7中。

如图6所示，装料手套箱7包括顶部设置有下料口702的箱体710、设置在箱体710侧壁上的窥视窗706和手套孔709、设置在箱体710内的称重装置、放置在称重装置上且开口与箱体顶部下料口702正对的料筒708，以及设置在箱体710侧壁上用于料筒708进出的旋转门707，料筒708正上方的下料口702上设置有蝶阀704。其中，称重装置可采用电子秤711。

本实施例中，装料手套箱7主要进行UF₄粉末的收集工作。料筒708放置在箱体710中，打开料筒708上方的蝶阀704，粉料通过下料口702进入到料筒708中，通过料筒708下方的电子秤711读数控制料筒708的装料量，待料筒708的装料量达到预定值时，可由人工通过手套孔709进行料筒更换操作，充分保证操作人员的安全，而更换下来的料筒可从旋转门707送出箱体710外。

此外，装料手套箱7还包括设置在箱体710上不同位置处的进风过滤器701和排风过滤器703、设置在箱体710内顶部的照明灯705、设置在箱体710底部的按钮盒712和开关盒713，以及用于支撑箱体710的支架714。

本实施例所述干法转化装置的工艺过程具体为：

开启气体供应系统(六氟化铀供应系统、氢气供应系统和催化剂供应系统)及尾气处理系统(即氟化氢回收系统)，利用加热装置将反应炉壁温加热至预设温度范围，六氟化铀气体、纯氢气和夹带四氯化碳的氢气分别通过内喷嘴、中间喷嘴和外喷嘴同时以一定速率喷射到反应炉的炉体中，当这三种气体喷入到炉体内后，反应被激发并开始释放热量，此时关闭加热装置，并根据炉体的当前壁温实时调节冷却装置中的冷媒流量，通过控制冷媒流量，使炉体的壁温降至预设温度范围并持续保持炉体温度稳定，此时反应正常进行，氢气和六氟化铀在催化剂四氯化碳的作用下发生还原反应，生成四氟化铀沉淀物和氟化氢气体。

反应生成的四氟化铀沉淀物靠重力自然沉降到收料箱中，待其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后再向装料手套箱输出四氟化铀沉淀物，将四氟化铀沉淀物装入其内的料筒中。当料筒内装料量达到预定值时，关闭装料手套箱下料口处的蝶阀，由人工通过手套孔更换料筒，再打开装料手套箱下料口处的蝶阀，进行下一个料筒的装料操作，直至装料完毕；反应生成的尾气(氟化氢气体和过量的氢气)经过微孔过滤器过滤后，由尾气处理系统吸收，当微孔过滤器过滤前后的压力差达到预定值时，向其内反吹氮气，而反吹下来的四氟化铀粉末靠自身重力经支管沉降到收料箱内。如此循环操作，实现整个工艺流程。

实施例2：

本实施例提供一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，可适用于不同丰度的物料，特别适用于反应过程中生成块状产品的干法转化过程。

如图7至图10所示，本实施例所述干法转化装置与实施例1所述干法转化装置的区别仅在于：在收料箱4和装料手套箱7之间还依次设置有对轮破碎机5和螺旋输送机6，且对轮破碎机5分别与收料箱4和螺旋输送机6连接。具体地，收料箱4的出料口405与对轮破碎机5的进料口连接，对轮破碎机5的出料口与螺旋输送机6的进料口601连接，螺旋输送机6的出料口606与装料手套箱7的下料口702连接。而且，对于收料箱4、对轮破碎机5、螺旋输送机6和装料手套箱7，两两之间通过法兰可拆卸地连接。

装料(四氟化铀粉末)时，开启对轮破碎机5和螺旋输送机6。对轮破碎机5用于接收收料箱4输出的四氟化铀沉淀物，并采用对轮挤压的方式对其中的块状料进行破碎处理，将块状料破碎成粉末，然后将破碎后的四氟化铀沉淀物输出至螺旋输送机6。

本实施例中，对轮破碎机5采用齿状结构，有利于大块物料的破碎，其轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式。向对轮破碎机内通入高于炉压的保温氮气，可保证炉内危险气体不会泄露，从而保证炉内气体的密封。

具体地，如图8所示，对轮破碎机5包括：链轮501、齿轮502、轴承503、填料密封机构504、两组对轮505、机架506和氮气密封机构507。收料箱4输出的含有块状料的四氟化铀沉淀物经对轮破碎机5的进料口落入相向转动的两组对轮505之间，由两组对轮505进行挤压破碎，将四氟化铀沉淀物破碎成粉末，四氟化铀粉末自然落下，经对轮破碎机5的出料口输出至螺旋输送机6。至于填料密封机构504、氮气密封机构507，以及对轮破碎机的其他组成部分，均属于本领域常用设备，本发明对其结构不再赘述。

正常工况下，反应炉2产生的UF₄沉淀物为均匀的粉末状沉淀物，其中含有尺寸均匀的小块状料，此时的对轮破碎机5处于平稳转动的状态，无明显震动及破碎声音。对轮破碎机5的运行状态可作为判断反应炉2内反应是否正常的依据。

螺旋输送机6用于采用螺旋输送的方式以预设速度向装料手套箱7输送破碎后的四氟化铀沉淀物，从而将对轮破碎机5生成的四氟化铀粉末从螺旋输送机6的出料口排出至装料手套箱中。

本实施例中，螺旋输送机6的螺旋轴与水平面(如钢平台)呈预设角度设置，具体为螺旋轴沿顺时针方向旋转至水平面时所经过的角度为锐角，以使得螺旋输送机下料过程中与装料手套箱成一定角度，利于物料的自封性实现阻断气流，保证下料过程中有害气体尽量少的进入装料手套箱中，还能实现收料箱与装料手套箱中料筒的隔离，防止在更换料筒时HF和H₂外漏。螺旋输送机6的轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式，保证生产过程中危险气体不会泄露。

具体地，如图9所示，螺旋输送机6包括：支架、设置有进料口601和出料口606的壳体、位于壳体内部的螺旋轴602、设置在壳体上的氮气密封机构603和填料密封机构604，以及与壳体的端部连接的调速电机605。其中，氮气密封机构603和填料密封机构604的结构如图10所示。至于填料密封机构604、氮气密封机构603，以及螺旋输送机的其他组成部分，均属于本领域常用设备，本发明对其结构不再赘述。

收料过程中，首先启动螺旋输送机6，打开装料手套箱1中料筒708上方的蝶阀704，四氟化铀粉料通过下料口702进入到料筒708中，再通过料筒708下方的电子秤711读数控制料筒708的装料量。通过对螺旋输送机6中螺旋轴602转速的调整，即可调节四氟化铀粉料下料速度。

本实施例所述干法转化装置的工艺过程具体为：

开启气体供应系统(六氟化铀供应系统、氢气供应系统和催化剂供应系统)及尾气处理系统(即氟化氢回收系统)，利用加热装置将反应炉壁温加热至预设温度范围，六氟化铀气体、纯氢气和夹带四氯化碳的氢气分别通过内喷嘴、中间喷嘴和外喷嘴同时以一定速率喷射到反应炉的炉体中，当这三种气体喷入到炉体内后，反应被激发并开始释放热量，此时关闭加热装置，并根据炉体的当前壁温实时调节冷却装置中的冷媒流量，通过控制冷媒流量，使炉体的壁温降至预设温度范围并持续保持炉体温度稳定，此时反应正常进行，氢气和六氟化铀在催化剂四氯化碳的作用下发生还原反应，生成四氟化铀沉淀物和氟化氢气体。

反应生成的四氟化铀沉淀物靠重力自然沉降到收料箱中，待其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后再向对轮破碎机输出四氟化铀沉淀物，经过对轮破碎机将生成物中反应不完全的块状物料进行破碎，然后经过螺旋输送机将破碎后的四氟化铀沉淀物送入装料手套箱中，并装入其内的料筒中。当料筒内装料量达到预定值时，关闭装料手套箱下料口处的蝶阀，由人工通过手套孔更换料筒，再打开装料手套箱下料口处的蝶阀，进行下一个料筒的装料操作，直至装料完毕；反应生成的尾气(氟化氢气体和过量的氢气)经过微孔过滤器过滤后，由尾气处理系统吸收，当微孔过滤器过滤前后的压力差达到预定值时，向其内反吹氮气，而反吹下来的四氟化铀粉末靠自身重力经支管沉降到收料箱内。如此循环操作，实现整个工艺流程。

综上所述，本发明提供的干法转化装置可实现核燃料生产线中六氟化铀到四氟化铀的全自动连续转化，还可根据需要实现数据自动记录，整个流程实现了全自动化操作。相比于现有的湿法工艺，解决了湿法工艺流程长，设备多，过程复杂，产生的废水量多的缺点，简化了工艺流程，几乎不产生废水，提高了生产效率；相比于现有的干法工艺，能够适用于不同丰度的燃料转化，无需根据实际生产情况进行实验得出最佳的设计参数再设计产品，通用性强，为不同丰度的六氟化铀到四氟化铀的干法转化提供了参考。

本发明还可具备以下功能：

反应炉各段区域的温度可进行独立控制，故障报警、显示；测温用炉壁热电偶(即温度传感器)配置冷端补偿；进行反应炉内压力监测，超压报警、显示；调速电机的转速控制，停电时的自锁；预留配套自控系统的传输接口，配合DCS系统完成系统组态和调试。

本发明取得的具体效果如下：

1)实现了连续的UF₄在线生产；

2)实现了进料、反应、下料、破碎整个流程的自动化操作，满足了生产线现代化、流水化、自动化生产的需要，提高了生产效率和经济效益；

3)采用双环隙喷嘴结构，有效减少了喷嘴顶端块状烧结物的产生，可靠性高；

4)采用陶瓷加热圈加热和含有冷媒的蛇管冷却的炉体壁温控制方法，实现了反应炉壁温的有效控制，防止物料挂壁情况发生；

5)只需对装置尺寸和配置做适应性调整，即能可靠适应不同丰度的六氟化铀到四氟化铀的干法转化需要。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种六氟化铀到四氟化铀的干法转化装置，其特征在于，包括：依次连接的喷嘴组件、反应炉、收料箱和装料手套箱，以及与所述反应炉的尾气出口连接的尾气过滤装置；所述喷嘴组件用于将六氟化铀气体和夹带四氯化碳的氢气从互不相连的通道喷入所述反应炉内，以使氢气和六氟化铀气体在催化剂四氯化碳的作用下在所述反应炉内发生反应；所述尾气过滤装置用于对所述反应炉输出的尾气进行过滤处理，以回收所述尾气中携带的粉料；所述收料箱用于接收所述反应炉输出的四氟化铀沉淀物，直至其内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，向所述装料手套箱输出四氟化铀沉淀物；所述装料手套箱内设置有接收四氟化铀沉淀物的料筒，用于在所述料筒的装料量达到预定值时，通过所述装料手套箱上的手套孔更换下一个料筒并继续装料，直至装料完毕；

所述喷嘴组件采用双环隙喷嘴结构，所述双环隙喷嘴具有同轴布置的三层通道，分别为中心通道、中间环隙通道和外层环隙通道，中间环隙通道位于中心通道与外层环隙通道之间，且中心通道为六氟化铀气体通道，与六氟化铀供应系统连接，用于输送六氟化铀气体，中间环隙通道为纯氢气通道，与氢气供应系统连接，用于输送纯氢气，外层环隙通道为夹带四氯化碳的氢气通道，与催化剂供应系统连接，用于输送夹带四氯化碳的氢气。

2.根据权利要求1所述的干法转化装置，其特征在于，所述喷嘴组件包括：由外至内依次同轴布置的外接管、中间接管和内接管，以及由外至内依次同轴布置的外喷嘴、中间喷嘴和内喷嘴；所述外接管、所述中间接管和所述内接管上分别设置有气体进口；所述外喷嘴与所述外接管的底部连接，所述中间喷嘴与所述中间接管的底部连接，所述内喷嘴与所述内接管的底部连接。

3.根据权利要求2所述的干法转化装置，其特征在于，所述外喷嘴、所述中间喷嘴和所述内喷嘴的出口均采用向内收敛的结构。

4.根据权利要求1所述的干法转化装置，其特征在于，所述反应炉包括：炉体，设置在所述炉体外侧的冷却装置、加热装置和测温装置，以及分别与所述冷却装置、加热装置和测温装置电连接的第一控制器；所述测温装置用于实时测量所述炉体的壁温；所述第一 控制器用于根据所述炉体的壁温控制所述冷却装置和所述加热装置的启闭，以使所述炉体的壁温始终保持在预设温度范围内。

5.根据权利要求4所述的干法转化装置，其特征在于，所述炉体由上至下划分为多段区域，所述冷却装置包括多个冷却体，所述加热装置包括多个加热体，所述测温装置包括多个温度传感器，所述第一控制器包括多个子控制器；所述炉体的每一段区域均对应一个所述温度传感器、一个所述子控制器以及由所述子控制器独立控制的一个所述冷却体和一个所述加热体，且所述冷却体、所述加热体和所述温度传感器均设置在所述炉体对应段区域的外侧。

6.根据权利要求4所述的干法转化装置，其特征在于，

所述炉体采用上窄下宽的圆锥体管状结构；和/或，

所述冷却装置包括：包覆于所述炉体外侧的带槽不锈钢夹套和缠绕在所述不锈钢夹套的槽内的蛇管，所述蛇管内流通有冷媒；所述加热装置包括：包覆于所述不锈钢夹套外侧的陶瓷加热圈。

7.根据权利要求6所述的干法转化装置，其特征在于，

所述冷媒采用夹带水雾的压缩空气；和/或，

所述反应炉还包括：填充在所述炉体外侧与所述不锈钢夹套之间的导热硅胶；和/或，

所述反应炉还包括：包覆于所述陶瓷加热圈外侧的保温隔热层。

8.根据权利要求1所述的干法转化装置，其特征在于，所述尾气过滤装置采用微孔过滤器，其过滤孔径为0.2～1.0μm。

9.根据权利要求1所述的干法转化装置，其特征在于，所述收料箱包括：顶部设置有进料口、底部设置有出料口的倒锥形箱体、设置在所述箱体侧壁上的视镜、设置在所述箱体底部出料口处的常闭控制阀，以及第二控制器；所述第二控制器与所述控制阀电连接，用于在所述箱体内物料高度达到预设高度以及达到预设气封要求后，打开所述控制阀，以使所述箱体内的四氟化铀沉淀物向所述装料手套箱输出。

10.根据权利要求1所述的干法转化装置，其特征在于，所述装料手套箱包括顶部设置有下料口的箱体、设置在所述箱体侧壁上的窥视窗和手套孔、设置在所述箱体内的称重装置、放置在所述称重装置上且开口与所述箱体顶部下料口正对的料筒，以及设置在所述箱体侧壁上用于所述料筒进出的旋转门。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的干法转化装置，其特征在于，还包括设置在所述收料箱与所述装料手套箱之间的对轮破碎机和螺旋输送机；所述对轮破碎机分别与所述收料箱和所述螺旋输送机连接，用于接收所述收料箱输出的四氟化铀沉淀物，并采用对轮挤压的方式对其中的块状料进行破碎处理，然后将破碎后的四氟化铀沉淀物输出至所述螺旋输送机；所述螺旋输送机用于采用螺旋输送的方式以预设速度向所述装料手套箱输送破碎后的四氟化铀沉淀物。

12.根据权利要求11所述的干法转化装置，其特征在于，所述螺旋输送机的螺旋轴与水平面呈预设角度设置。

13.根据权利要求11所述的干法转化装置，其特征在于，所述对轮破碎机的轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式；和/或，所述螺旋输送机的轴密封机构采用填料密封和氮气密封相结合的密封形式。

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