CN111540496A - 一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法，包括换热单元和依次通过管路连通的恒温水箱、低温蒸发器、膜组件，恒温水箱上设置有废水进水管，恒温水箱与低温蒸发器之间的管路上设置有进料泵；换热单元包括水蒸气冷凝器、空气加热器、热泵系统和若干个设置在膜组件中的吹气管，吹气管通过湿吹扫气管与水蒸气冷凝器连通，水蒸气冷凝器通过干吹扫气管与吹气管连通，膜组件通过回流空气管与空气加热器连通，空气加热器通过管路与低温蒸发器底部的进气口连通，干吹扫气管与回流空气管通过管路连通。本发明满足了核电站运行、核动力装置运行、核应急等过程中产生的放射性废水高度减容和深度净化处理需求。

Description

一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法

技术领域

本发明涉及放射性废水处理技术领域，特别是涉及一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法。

背景技术

铀矿开采、核设施与核电站运行与退役、乏燃料后处理以及核应急过程中会产生大量放射性废水，若不及时处理会带来过高管理成本以及潜在的放射性泄露风险，影响核工业安全可持续发展。膜蒸馏技术借助疏水性微孔膜只允许水蒸气等易挥发组份能通过膜孔的特点，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程，膜蒸馏过程只要膜两侧维持适当的温差该过程就能够进行，无须将溶液加热至沸腾，具有装置简单，操作条件温和，净化效果好，广泛用于废水处理、浓缩、提纯等领域。

但传统膜蒸馏技术都是废液与膜直接接触，在处理成分复杂，盐分较高的放射性废水时，热侧膜与放射性废水直接接触，容易造成膜易被污染、寿命短、通量低的缺点，且为了提高膜通量，在膜两侧产生较高的温差，能耗也相应提高，无法满足核工业发展过程中产生的大量放射性废水及时就地处理的要求，需要加以改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，满足核电站运行、核动力装置运行、核应急等过程中产生的放射性废水高度减容和深度净化处理需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，包括换热单元和依次通过管路连通的恒温水箱、低温蒸发器、膜组件，所述恒温水箱上设置有废水进水管，所述恒温水箱与所述低温蒸发器之间的管路上设置有进料泵；所述换热单元包括水蒸气冷凝器、空气加热器、热泵系统和若干个设置在所述膜组件中的吹气管，所述吹气管通过湿吹扫气管与水蒸气冷凝器连通，所述水蒸气冷凝器通过干吹扫气管与所述吹气管连通，所述膜组件通过回流空气管与所述空气加热器连通，所述空气加热器通过管路与所述低温蒸发器底部的进气口连通，所述干吹扫气管与所述回流空气管通过管路连通，所述热泵系统包括设置在所述恒温水箱中的第一换热管路、设置在所述空气加热器中的第二换热管路、设置在所述水蒸气冷凝器中的第三换热管路和流通在所述第一换热管路、所述第二换热管路及所述第三换热管路中的工作介质，所述第一换热管路、所述第二换热管路和所述第三换热管路依次通过管路连通，所述第三换热管路和所述第一换热管路之间的管路上设置有压缩机，所述第二换热管路和所述第三换热管路之间的管路上设置有膨胀阀。

优选的，所述回流空气管上设置有第一回流空气调节阀，所述干吹扫气管与所述回流空气管之间的管路上设置有第二回流空气调节阀；所述废水进水管上设置有废水进水阀。

优选的，所述恒温水箱中设置有电加热器。

优选的，所述水蒸气冷凝器上设置有洁净水出水管。

优选的，所述低温蒸发器内由上至下依次设置有布液器和填料层，所述低温蒸发器的进水口位于所述布液器上方。

优选的，所述低温蒸发器的底端设置有出水管，所述出水管中部通过浓水回流管与所述恒温水箱连通，所述出水管远离所述低温蒸发器的一端设置有出水口和浓水出料阀。

优选的，所述湿吹扫气管上设置有吹扫气循环风机，所述空气加热器与所述低温蒸发器之间的管路上设置有进气循环风机。

本发明还提供一种基于上述非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的方法：将放射性废水通过废水进水管通入到恒温水箱中，通过电加热器将所述恒温水箱中的放射性废水加热，通过进料泵将加热后的所述放射性废水泵入到低温蒸发器中，放射性废水在布液器的作用下呈均匀分布状态流经填料层，所述低温蒸发器中的热干空气在所述填料层与放射性废水充分接触，一部分放射性废水吸热蒸发转变成水蒸气，水蒸气经出气输送管部分流入到膜组件中，膜组件中的吹气管只允许小分子气体通过疏水性微孔膜，水蒸气透过疏水性微孔膜后进入到所述疏水性微孔膜的冷侧被干吹扫气体吸收成为湿吹扫气体，所述湿吹扫气体被吹扫空气循环风机输送到水蒸气冷凝器中冷却成洁净液态水，所述液态水经洁净水出水管排出；分离水蒸气后的冷干空气分流成两部分，其中一部分所述冷干空气流经干吹扫气管，流经所述吹气管的冷侧，继续载带穿透过蒸馏膜的水蒸气到水蒸气冷凝器冷凝成洁净液态水，形成完整的循环回路；另一部分所述冷干空气通过回流空气管流入到空气加热器中，经所述空气加热器加热后通过进气循环风机再输送回所述低温蒸发器中继续蒸发放射性废水；所述低温蒸发器中未蒸发的放射性废水形成浓水，所述浓水经浓水回流管路流回到恒温水箱中。

优选的，热泵系统中的工作介质经膨胀阀膨胀降温后进入水蒸气冷凝器内，水蒸气在所述水蒸气冷凝器中的第三换热管路的管壁冷凝放热，同时所述工作介质吸热升温；升温后的所述工作介质经压缩机压缩再升温后进入第一换热管路加热放射性废水，然后进入空气加热器内的第二换热管路加热冷干空气，然后工作介质经膨胀阀再膨胀降温后进入水蒸气冷凝器内，如此循环不断。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法满足了核电站运行、核动力装置运行、核应急等过程中产生的放射性废水高度减容和深度净化处理需求。本发明非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法采用热干燥空气在低温条件下蒸发放射性废水，对能耗需求不高，且可以直接利用废水的废热，相比直接加热废水后再进行膜蒸馏，大大降低了废水结垢的可能性，也避免了因结垢带来的传热效率降低问题，降低了能耗；废水在填料层中与热感空气接触，增大了废液与干燥热空气的接触面积，提高了放射性废水的蒸发速率；对湿热蒸汽再进行膜蒸馏处理，相比废水直接接触蒸馏膜的进行膜蒸馏过程，膜热侧单位体积空间中水蒸气浓度更高，加之水蒸气在空气更快的扩散速率，大大提高了膜通量；废水不直接与蒸馏膜接触，降低了膜湿润、膜污染和膜破损概率，提高了膜组件的耐用性和技术的可靠性，降低了对膜破损在线检测设备的需求；低温蒸发器和水蒸气冷凝器的热量均来源自热泵，相对加热器加热废水建立膜两侧温差的方式，大大提高了能量利用率，降低了能耗。膜冷热两侧介质都是动态循环模式，及时将需净化的放射性饱和湿热蒸汽输入膜蒸馏热侧，并及时将透过膜的水蒸气带走，防止冷侧温度升高，保证了膜两侧温差恒定，避免温差极化，维持稳定的膜通量，提高废水处理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统的结构示意图；

其中：1-进料泵、2-低温蒸发器、3-进水口、4-出气口、5-出气输送管、6-膜组件、7-吹气管、8-第一回流空气调节阀、9-回流空气管、10-空气加热器、11-进气循环风机、12-进气口、13-出水管、14-浓水出料阀、15-浓水回流管、16-电加热器、17-恒温水箱、18-废水进水阀、19-废水进水管、20-进水管、21-布液器、22-填料层、23-湿吹扫气管、24-吹扫气循环风机、25-水蒸气冷凝器、26-干吹扫气管、27-压缩机、28-膨胀阀、29-第二回流空气调节阀、30-洁净水出水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，满足核电站运行、核动力装置运行、核应急等过程中产生的放射性废水高度减容和深度净化处理需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示：本实施例提供了一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，包括换热单元和依次通过管路连通的恒温水箱17、低温蒸发器2、膜组件6，恒温水箱17上设置有进水管20废水进水管19，恒温水箱17中设置有电加热器16和第一换热管路，恒温水箱17与低温蒸发器2之间的管路上设置有进料泵1；低温蒸发器2内由上至下依次设置有布液器21和填料层22，低温蒸发器2的进水口3位于布液器21上方，低温蒸发器2的顶部的出气口4与膜组件6连通；低温蒸发器2的底端设置有出水管13，出水管13中部通过浓水回流管15与恒温水箱17连通，出水管13远离低温蒸发器2的一端设置有出水口和浓水出料阀14。

换热单元包括水蒸气冷凝器25、空气加热器10、热泵系统和若干个设置在膜组件6中的吹气管7，吹气管7通过湿吹扫气管23与水蒸气冷凝器25连通，水蒸气冷凝器25通过干吹扫气管26与吹气管7连通，膜组件6通过回流空气管9与空气加热器10连通，空气加热器10通过管路与低温蒸发器2底部的进气口12连通，干吹扫气管26与回流空气管9通过管路连通。回流空气管9上设置有第一回流空气调节阀8，干吹扫气管26与回流空气管9之间的管路上设置有第二回流空气调节阀29；进水管20废水进水管19上设置有废水进水阀18。水蒸气冷凝器25上设置有洁净水出水管30出水管13；湿吹扫气管23上设置有吹扫气循环风机24，空气加热器10与低温蒸发器2之间的管路上设置有进气循环风机11。

热泵系统包括设置在恒温水箱17中的第一换热管路、设置在空气加热器10中的第二换热管路、设置在水蒸气冷凝器25中的第三换热管路和流通在第一换热管路、第二换热管路及第三换热管路中的工作介质，第一换热管路、第二换热管路和第三换热管路依次通过管路连通，第三换热管路和第一换热管路之间的管路上设置有压缩机27，第二换热管路和第三换热管路之间的管路上设置有膨胀阀28。

本实施例还提供一种基于上述非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的方法：将放射性废水通过进水管20废水进水管19通入到恒温水箱17中，通过电加热器16将恒温水箱17中的放射性废水加热，通过进料泵1将加热后的放射性废水泵入到低温蒸发器2中，放射性废水在布液器21的作用下呈均匀分布状态流经填料层22，低温蒸发器2中的热干空气在填料层22与放射性废水充分接触，一部分放射性废水吸热蒸发转变成水蒸气，水蒸气经出气输送管5部分流入到膜组件6中，膜组件6中的吹气管7只允许小分子气体通过疏水性微孔膜，水蒸气透过疏水性微孔膜后进入到疏水性微孔膜的冷侧被干吹扫气体吸收成为湿吹扫气体，湿吹扫气体被吹扫空气循环风机输送到水蒸气冷凝器25中冷却成洁净液态水，液态水经洁净水出水管30出水管13排出；分离水蒸气后的冷干空气分流成两部分，其中一部分冷干空气流经干吹扫气管26，流经吹气管7的冷侧，继续载带穿透过蒸馏膜的水蒸气到水蒸气冷凝器25冷凝成洁净液态水，形成完整的循环回路；另一部分冷干空气通过回流空气管9流入到空气加热器10中，经空气加热器10加热后通过进气循环风机11再输送回低温蒸发器2中继续蒸发放射性废水；低温蒸发器2中未蒸发的放射性废水形成浓水，浓水经浓水回流管15路流回到恒温水箱17中。

热泵系统中的工作介质经膨胀阀28膨胀降温后进入水蒸气冷凝器25内，水蒸气在水蒸气冷凝器25中的第三换热管路的管壁冷凝放热，同时工作介质吸热升温；升温后的工作介质经压缩机27压缩再升温后进入第一换热管路加热放射性废水，然后进入空气加热器10内的第二换热管路加热冷干空气，然后工作介质经膨胀阀28再膨胀降温后进入水蒸气冷凝器25内，如此循环不断。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：包括换热单元和依次通过管路连通的恒温水箱、低温蒸发器、膜组件，所述恒温水箱上设置有废水进水管，所述恒温水箱与所述低温蒸发器之间的管路上设置有进料泵；所述换热单元包括水蒸气冷凝器、空气加热器、热泵系统和若干个设置在所述膜组件中的吹气管，所述吹气管通过湿吹扫气管与水蒸气冷凝器连通，所述水蒸气冷凝器通过干吹扫气管与所述吹气管连通，所述膜组件通过回流空气管与所述空气加热器连通，所述空气加热器通过管路与所述低温蒸发器底部的进气口连通，所述干吹扫气管与所述回流空气管通过管路连通，所述热泵系统包括设置在所述恒温水箱中的第一换热管路、设置在所述空气加热器中的第二换热管路、设置在所述水蒸气冷凝器中的第三换热管路和流通在所述第一换热管路、所述第二换热管路及所述第三换热管路中的工作介质，所述第一换热管路、所述第二换热管路和所述第三换热管路依次通过管路连通，所述第三换热管路和所述第一换热管路之间的管路上设置有压缩机，所述第二换热管路和所述第三换热管路之间的管路上设置有膨胀阀。

2.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述回流空气管上设置有第一回流空气调节阀，所述干吹扫气管与所述回流空气管之间的管路上设置有第二回流空气调节阀；所述废水进水管上设置有废水进水阀。

3.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述恒温水箱中设置有电加热器。

4.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述水蒸气冷凝器上设置有洁净水出水管。

5.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述低温蒸发器内由上至下依次设置有布液器和填料层，所述低温蒸发器的进水口位于所述布液器上方。

6.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述低温蒸发器的底端设置有出水管，所述出水管中部通过浓水回流管与所述恒温水箱连通，所述出水管远离所述低温蒸发器的一端设置有出水口和浓水出料阀。

7.根据权利要求1所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的系统，其特征在于：所述湿吹扫气管上设置有吹扫气循环风机，所述空气加热器与所述低温蒸发器之间的管路上设置有进气循环风机。

8.一种非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的方法，其特征在于：将放射性废水通过废水进水管通入到恒温水箱中，通过电加热器将所述恒温水箱中的放射性废水加热，通过进料泵将加热后的所述放射性废水泵入到低温蒸发器中，放射性废水在布液器的作用下呈均匀分布状态流经填料层，所述低温蒸发器中的热干空气在所述填料层与放射性废水充分接触，一部分放射性废水吸热蒸发转变成水蒸气，水蒸气经出气输送管部分流入到膜组件中，膜组件中的吹气管只允许小分子气体通过疏水性微孔膜，水蒸气透过疏水性微孔膜后进入到所述疏水性微孔膜的冷侧被干吹扫气体吸收成为湿吹扫气体，所述湿吹扫气体被吹扫空气循环风机输送到水蒸气冷凝器中冷却成洁净液态水，所述液态水经洁净水出水管排出；分离水蒸气后的冷干空气分流成两部分，其中一部分所述冷干空气流经干吹扫气管，流经所述吹气管的冷侧，继续载带穿透过蒸馏膜的水蒸气到水蒸气冷凝器冷凝成洁净液态水，形成完整的循环回路；另一部分所述冷干空气通过回流空气管流入到空气加热器中，经所述空气加热器加热后通过进气循环风机再输送回所述低温蒸发器中继续蒸发放射性废水；所述低温蒸发器中未蒸发的放射性废水形成浓水，所述浓水经浓水回流管路流回到恒温水箱中。

9.根据权利要求8所述的非接触式高效膜蒸馏处理放射性废水的方法，其特征在于：热泵系统中的工作介质经膨胀阀膨胀降温后进入水蒸气冷凝器内，水蒸气在所述水蒸气冷凝器中的第三换热管路的管壁冷凝放热，同时所述工作介质吸热升温；升温后的所述工作介质经压缩机压缩再升温后进入第一换热管路加热放射性废水，然后进入空气加热器内的第二换热管路加热冷干空气，然后工作介质经膨胀阀再膨胀降温后进入水蒸气冷凝器内，如此循环不断。