CN116013569A - 一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法及装置 - Google Patents

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李高亮
于婷
唐洪彬
叶国安
李斌
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Abstract

本发明属于核燃料后处理技术领域，具体涉及一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法及装置，其中的方法包括如下步骤：步骤S1，将放射性硝酸废液加热至第一设定温度，将反应容器加热至第二设定温度；步骤S2，将放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体一起注入反应容器内进行脱硝蒸发反应；步骤S3，维持放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体的注入直至全部放射性硝酸废液的脱硝蒸发反应结束。本发明通过在放射性硝酸废液脱硝蒸发反应过程中鼓入氮氧化物气体来消除爆沸现象，且在放射性硝酸废液脱硝蒸发反应的过程中无盐，不引入杂质离子，具有工艺过程稳定，适用性广，对设备改造少等特点。

Description

一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法及装置
技术领域
本发明属于核燃料后处理技术领域，具体涉及一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法及装置。
背景技术
本发明属于核燃料后处理专业，涉及核燃料后处理过程中含有放射性硝酸废液的蒸发浓缩，如含有一定浓度的铀、钚硝酸溶液中间产品、含有放射性的工艺硝酸废液(如低放废液、中放废液、高放废液)等。
在先进核能国家的后处理厂中，将放射性富集在于小体积相中，排放的废液中放射性尽量低，是是后处理厂废液处理的一个原则。因此其都非常重视蒸发浓缩技术。另外，蒸发浓缩是后处理厂放射性水溶液回收硝酸、回收水以备复用的重要技术，在含有硝酸的料液蒸发浓缩过程中，料液硝酸浓度逐渐升高，将影响料液的继续蒸发浓缩，同时硝酸浓度过高，会导致设备的腐蚀加快，因此需要向被蒸发硝酸溶液中加入甲醛、甲酸等脱硝剂，使硝酸分解从而降低其浓度，以便实现料液的顺利蒸发浓缩。一般地控制硝酸浓度不超过4mol/L，可减轻对设备的腐蚀并保证蒸发浓缩倍数及净化系数的要求。
放射性硝酸废液的蒸发浓缩设备同时也是一个脱硝反应器，必须解决好脱硝反应对蒸发的影响。蒸发器内料液的酸度、温度和脱硝剂浓度是影响脱硝反应的重要因素，脱硝剂加至蒸发器后，由于料液温度升高，料液中的亚硝酸分解溢出而浓度降低，未能引发脱硝反应；随着温度继续上升，料液硝酸浓度进一步升高，在此温度和酸度情况下，当一旦引发脱硝反应，由于温度较高，脱硝剂和硝酸的浓度较高，脱硝反应将异常剧烈释放出大量的气体而产生暴沸现象，将对废液蒸发的净化效果和设备安全运行造成重大影响，脱硝蒸发过程中暴沸是一个亟需解决问题。
针对含有放射性硝酸废液的脱硝蒸发浓缩研究，公开文献“亚硝酸钠消除甲醛破坏硝酸诱导期研究”中采用加入亚硝酸钠溶液的方法来缩短和消除脱硝反应的诱导期，但该方法引入了钠离子，对产品液的蒸发浓缩来说引入了杂质，对废液的蒸发浓缩引入了盐分杂质，且不利于废物最小化。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决放射性硝酸废液脱硝蒸发过程中暴沸的方法。该方法在操作过程中无盐，不引入杂质离子，工艺过程稳定，适用性广，对设备改造少，可有效解决脱硝蒸发过程中暴沸的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，包括如下步骤：
步骤S1，将放射性硝酸废液加热至第一设定温度，将反应容器加热至第二设定温度；
步骤S2，将所述放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体一起注入所述反应容器内进行脱硝蒸发反应；
步骤S3，维持所述放射性硝酸废液、所述脱硝剂和所述氮氧化物气体的注入直至全部所述放射性硝酸废液的脱硝蒸发反应结束。
进一步，在所述步骤S1中，所述第一设定温度为70℃，所述第二设定温度为120℃。
进一步，在所述步骤S2中，所述放射性硝酸废液、所述脱硝剂和所述氮氧化物气体分别通过单独的管路注入所述反应容器内。
进一步，所述脱硝剂为甲酸或甲醛；所述氮氧化物气体是指任何能够产生或包含二氧化氮的气体，包括亚硝气、一氧化氮和空气的混合物或四氧化二氮气体；所述氮氧化物气体不能包含和产生破坏所述脱硝蒸发反应的物质。
为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置，包括连接有脱硝剂储罐和待蒸发料液储罐的蒸发浓缩装置，还包括用于向所述蒸发浓缩装置内通入所述氮氧化物气体的氮氧化物气源。
进一步，还包括与所述蒸发浓缩装置相连的冷凝器，还包括与所述冷凝器相连的冷凝器接收罐和尾气处理系统。
进一步，所述脱硝剂储罐通过料液泵连接所述蒸发浓缩装置，所述待蒸发料液储罐通过料液输送泵连接所述蒸发浓缩装置，所述氮氧化物气源通过单向阀连接所述蒸发浓缩装置。
本发明的有益效果在于：
1.在放射性硝酸废液脱硝蒸发反应过程中鼓入氮氧化物气体来消除爆沸现象；
2.在放射性硝酸废液脱硝蒸发反应的过程中无盐，不引入杂质离子，具有工艺过程稳定，适用性广，对设备改造少等特点，可有效解决脱硝蒸发过程中暴沸的问题；
3.可采用细管(斜口、平口)向蒸发浓缩液中连续鼓入氮氧化物气体和氧气混合物；向反应容器下端/中部/表面鼓入氮氧化物气体和氧气混合物，均可实现预期实施效果，在较大的流量范围均可实现预期实施效果。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置的示意图；
图中：1-蒸发浓缩装置，2-冷凝器，3-冷凝器接收罐，4-尾气处理系统，5-脱硝剂储罐，6-氮氧化物气源，7-单向阀，8-料液输送泵，9-待蒸发料液储罐，10-料液泵。
图2是本发明具体实施方式中的实施例1中的脱硝蒸发浓缩实验装置的示意图；
图3是本发明具体实施方式中的实施例2中的釜式蒸发器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，包括如下步骤：
步骤S1，将放射性硝酸废液加热至第一设定温度，将反应容器加热至第二设定温度；
步骤S2，将放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体一起注入反应容器内进行脱硝蒸发反应；
步骤S3，维持放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体的注入直至全部放射性硝酸废液的脱硝蒸发反应结束。
在步骤S1中，第一设定温度为70℃，第二设定温度为120℃。
在步骤S2中，放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体分别通过单独的管路注入反应容器内。
脱硝剂为甲酸或甲醛；氮氧化物气体是指任何能够产生或包含二氧化氮的气体，包括亚硝气、一氧化氮和空气的混合物或四氧化二氮气体；氮氧化物气体不能包含和产生破坏脱硝蒸发反应的物质。
本发明还公开了一种用于以上所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置(见图1)，包括连接有脱硝剂储罐5和待蒸发料液储罐9的蒸发浓缩装置1，还包括用于向蒸发浓缩装置1内通入氮氧化物气体的氮氧化物气源6。
还包括与蒸发浓缩装置1相连的冷凝器2，还包括与冷凝器2相连的冷凝器接收罐3和尾气处理系统4。
脱硝剂储罐5通过料液泵10连接蒸发浓缩装置1，待蒸发料液储罐9通过料液输送泵8连接蒸发浓缩装置1，氮氧化物气源6通过单向阀7连接蒸发浓缩装置1。
实施例
以下举例说明在不同实验条件下，本发明所提供的方法的效果：
(1)实施例1
建立如图2所示的含硝酸料液的脱硝蒸发浓缩实验装置，三口瓶体积为1000ml，脱硝剂采用甲酸；基于建立的蒸发装置进行脱硝蒸发浓缩实验。
硝酸料液组成：硝酸浓度10mol/L，共500ml。
运行工艺条件：
硝酸料液流量10ml/min；脱硝剂为甲酸，浓度20mol/L，流量1.4ml/min；氮氧化物气体鼓入流量为10ml/min。
首先开启油浴加热，硝酸料液开始预热；待油浴温度达到120℃，硝酸料液预热至70℃时，同时向三口瓶中加入硝酸料液、甲酸和氮氧化物气体，料液进入三口瓶后立即开始反应，产生大量氮氧化物气体，持续按设定流量向三口烧瓶内加入硝酸料液、甲酸和氮氧化物气体，50min后结束进料，实验结束。冷凝液共收集520ml，酸度为0.15mol/L，三口烧瓶内残留料液硝酸浓度为2.5mol/L。结果表明，该蒸发浓缩过程中脱硝反应无诱导期，整个蒸发过程反应均匀，稳定，未发生暴沸现象。
(2)实施例2
建立如图3所示的釜式蒸发器，蒸发器有效体积为60L，脱硝剂采用甲醛，进行了硝酸溶液的连续蒸发浓缩实验。
硝酸料液组成：硝酸浓度3mol/L，共配制硝酸料液100L。
运行工艺条件：
硝酸料液流量400ml/min；脱硝剂为甲酸，浓度20mol/L，流量20ml/min；氮氧化物气体鼓入流量为20ml/min。
首先开启釜式蒸发器加热，硝酸料液开启预热；待蒸发器温度达到120℃，硝酸料液预热至70℃时，同时向蒸发器中加入硝酸料液、甲酸和氮氧化物气体，料液进入蒸发器后立即开始反应，产生大量氮氧化物气体，有冷凝液流出。持续按设定流量向蒸发器内加入硝酸料液、甲酸和氮氧化物气体，250min后结束进料，实验结束。冷凝液共收集96L，酸度为0.16mol/L，蒸发器内残留料液硝酸浓度为2.4mol/L。结果表明，该蒸发浓缩过程中脱硝反应无诱导期，整个蒸发过程反应稳定，未发生暴沸现象。
(3)实施例3
中放废液管式蒸发器实验
在管式蒸发器中开展蒸发浓缩实验，其中蒸发器中进料为硝酸和甲醛溶液混合液(硝酸浓度为2.5mol/L，甲醛为质量含量为37％～40％的分析纯甲醛溶液)，二者体积比为100～200：1，料液进料速度为10L/h(硝酸溶液和甲醛混合液)，同时以20～50ml/min速度从管式蒸发器下端鼓入NOx(一氧化氮和二氧化氮混合物5～10：1)、氧气混合物气体，开启蒸发器加热装置，保持蒸汽温度120℃～200℃，对蒸发器流出浓缩液分析，硝酸浓度为2.9mol/L,过程平稳。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，包括如下步骤：
步骤S1，将放射性硝酸废液加热至第一设定温度，将反应容器加热至第二设定温度；
步骤S2，将所述放射性硝酸废液、脱硝剂和氮氧化物气体一起注入所述反应容器内进行脱硝蒸发反应；
步骤S3，维持所述放射性硝酸废液、所述脱硝剂和所述氮氧化物气体的注入直至全部所述放射性硝酸废液的脱硝蒸发反应结束。
2.如权利要求1所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，其特征是：在所述步骤S1中，所述第一设定温度为70℃，所述第二设定温度为120℃。
3.如权利要求2所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，其特征是：在所述步骤S2中，所述放射性硝酸废液、所述脱硝剂和所述氮氧化物气体分别通过单独的管路注入所述反应容器内。
4.如权利要求3所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法，其特征是：所述脱硝剂为甲酸或甲醛；所述氮氧化物气体是指任何能够产生或包含二氧化氮的气体，包括亚硝气、一氧化氮和空气的混合物或四氧化二氮气体；所述氮氧化物气体不能包含和产生破坏所述脱硝蒸发反应的物质。
5.用于如权利要求4所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩方法的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置，其特征是：包括连接有脱硝剂储罐(5)和待蒸发料液储罐(9)的蒸发浓缩装置(1)，还包括用于向所述蒸发浓缩装置(1)内通入所述氮氧化物气体的氮氧化物气源(6)。
6.如权利要求5所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置，其特征是：还包括与所述蒸发浓缩装置(1)相连的冷凝器(2)，还包括与所述冷凝器(2)相连的冷凝器接收罐(3)和尾气处理系统(4)。
7.如权利要求5所述的一种放射性硝酸废液脱硝蒸发浓缩装置，其特征是：所述脱硝剂储罐(5)通过料液泵(10)连接所述蒸发浓缩装置(1)，所述待蒸发料液储罐(9)通过料液输送泵(8)连接所述蒸发浓缩装置(1)，所述氮氧化物气源(6)通过单向阀(7)连接所述蒸发浓缩装置(1)。
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