CN204198827U

CN204198827U - 一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备

Info

Publication number: CN204198827U
Application number: CN201420606626.2U
Authority: CN
Inventors: 常尚文; 周贤明; 何辉; 李高亮; 兰天; 刘金平; 唐洪彬; 郑卫芳; 孟照凯; 陈志旭
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2024-10-20

Abstract

本实用新型属于核燃料后处理技术领域，公开了一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备。该设备主要包括氧化塔、料液接收罐及NO_X储罐，其中氧化塔的上端设置有料液出口，下端设置有Pu(III)料液进口和NO_X进料口，料液接收罐和氧化塔的上部的料液出口通过管道相连；氧化塔的主体、塔内的填料均为耐辐照、耐硝酸腐蚀材料；氧化塔的外塔壁上设置有加热装置；Pu(III)料液从氧化塔下部的Pu(III)料液进口进入氧化塔内；NO_X储罐提供的NO_X气体单独或与载气一同由氧化塔下部的NO_X进料口进入氧化塔内；调价后的料液经由氧化塔上部的料液出口进入料液接收罐。该设备具有处理规模大、NOx利用率高、调价工艺安全稳定且氮氧化物尾气处置负担小的优点。

Description

一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备

技术领域

本实用新型属于核燃料后处理技术领域，具体涉及核燃料后处理Purex流程中1BP到2AF及钚沉淀转化前2BP料液中钚的氧化调价设备。

背景技术

后处理工艺流程通常采用U(IV)-肼、羟胺-肼或N,N-二甲基羟胺-甲基肼等还原剂来还原反萃Pu(Ⅲ)，铀钚分离后得到的1BP料液中钚为三价，在下一步通过萃取－反萃取进行钚的净化浓缩之前，需将Pu(Ⅲ)调整为Pu(Ⅳ)；同时钚纯化循环得到的硝酸Pu(Ⅲ)溶液在沉淀转化步骤时需要转化为Pu(Ⅳ)。传统的后处理工艺流程采用亚硝酸钠(NaNO₂)来调整1BP、2BP料液中钚的价态(采用调料罐，批式操作)，即将NaNO₂加至装有1BP、2BP料液的调料罐中，氧化破坏其中的还原剂和支持还原剂，从而氧化Pu(Ⅲ)为Pu(Ⅳ)。但是该法相当于向体系中引入了盐，不利于后处理流程后续的处理。

目前有研究表明NOx(氮氧化物)可用于氧化调节钚价态，但是若直接将NOx通入Pu(Ⅲ)料液中，反应将逸出大量的氮氧化物气体，既造成NOx的利用率降低，又会加重尾气处置负担。为此，需要建立合适的调价设备以实现大规模调价工艺的连续操作，提高NOx的利用率，减少氮氧化物尾气的处置负担。

实用新型内容

(一)实用新型目的

根据现有技术所存在的问题，本实用新型建立了一种处理规模大、NOx利用率高、调价工艺安全稳定且氮氧化物尾气处置负担小的将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备。

(二)技术方案

为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，关键在于，该设备主要包括氧化塔、料液接收罐及NO_X储罐，其中氧化塔的上端设置有料液出口，下端设置有Pu(III)料液进口和NO_X进料口，料液接收罐和氧化塔的上部的料液出口通过管道相连；氧化塔的主体、塔内的填料均为耐辐照、耐硝酸腐蚀材料；氧化塔的外塔壁上设置有加热装置；Pu(III)料液从氧化塔下部的Pu(III)料液进口进入氧化塔内；NO_X储罐提供的NO_X气体单独或与载气一同由氧化塔下部的NO_X进料口进入氧化塔内，NO_X气体与Pu(III)料液在上升过程中充分接触并与料液反应；调价后的料液经由氧化塔上部的料液出口进入料液接收罐，调价过程中生成的尾气由塔顶进入尾气处理系统。

优选地，氧化塔内部还设置有一个或一个以上的筛板将填料隔开。

优选地，NO_X气体进入氧化塔塔体的管路为倒U型管，以防止料液倒灌进入NO_X储罐且倒U型管管路最高点高于料液出口200～400mm。

优选地，NO_X为NO、NO₂或N₂O₄，当NO_X为N₂O₄时，先将位于N₂O₄储罐内的N₂O₄液体经管道和NOx注射泵进入气化罐并在气化罐中加热至70～90℃得到的N₂O₄气体后再由NO_X进料口进入氧化塔内。

优选地，NO_X与载气共同由NO_X进料口进入塔内，其中载气为空气或氧气，当NO_X为NO时，载气中氧气含量为NO_X的1～3倍；当NO_X为N₂O₄或NO₂时，载气中氧气含量为NO_X的0～3倍。

优选地，气化罐的加热方式为电加热或水浴加热；氧化塔的外塔壁上设置的加热装置为缠绕有电加热带或加热水套，或在外塔壁上设置电加热板，使塔内料液温度为30～50℃

优选地，在氧化塔的中部或塔壁设置有可吸收中子的材料，其中吸收中子的材料为含¹⁰B或⁶Li的材料。

优选地，氧化塔的塔顶安装有除沫器，以分离氧化塔中气体夹带的料液液滴。

优选地，在除沫器后端置有旋风分离器，进一步将尾气中的液滴分离后进入尾气处理系统。

优选地，Pu(III)料液由料液输送泵进入氧化塔的管路为倒U型管路。

优选地，耐辐照、耐硝酸腐蚀材料为不锈钢。

优选地，氧化塔内填料为不锈钢西塔环。

(三)有益效果

本实用新型提供的将Pu(III)氧化至Pu(IV)的设备，其采用塔式氧化设备并且配有NO_X储罐、除沫器、旋风分离器，温度及压力测量仪等，提高了处理规模，使NOx的利用率提高了约30％，减少了氮氧化物尾气的处置负担，确保了调价工艺的安全稳定运行，具体解释为：

1)NOx和载气一同进入氧化塔内，提高了NOx的利用率。这主要是由于NOx和1BP料液中的水反应生成亚硝酸，亚硝酸和1BP料液中的还原剂羟胺、肼、U(IV)等反应，生成NO和其他产物，生成的NO又和载气中的氧气反应生成NO₂，NO₂又可以与料液中的水反应生成亚硝酸，如此反复，使NOx的利用率提高了约30％，减少了氮氧化物尾气的处置负担。

2)大规模调价处理时，塔内的填料过多会导致塔底负担重且塔内填料因重力作用而下沉的问题，通过在氧化塔内部的填料中设置筛板，减轻了塔底的负重负担，同时也使得氧化塔内的填料在塔内的分布更加稳定。

3)在氧化塔外塔壁上设置加热装置，为氧化塔中的料液升温，使反应更加快速，且使氧化调价后料液中亚硝酸浓度降低，减轻了后续亚硝酸赶除的负担。

4)氮氧化物气体进入氧化塔采用倒U管方式进入，且管路的最高点高出料液出口高度200～400mm，并在管路上安装单向阀，防止料液在运行过程中通过氮氧化物输送管道倒回入气化罐中。

5)大规模调价处理时，钚料液存在临界安全问题，本申请通过在氧化塔中间或塔壁上设置可吸收中子的材料可解决此问题。

附图说明

图1是本申请提供的氧化调价设备示意图，

其中1.NOx注射泵；2.NOx储罐；3.气化罐；4.鼓风机；5.氧化塔；6.NO_X进料口；7.底部温度测量仪；8.底部压力测量仪；9.填料；10.电加热板；11.单向阀；12.顶部温度测量仪；13.顶部压力测量仪；14.除沫器；15.旋风分离器；16.尾气；17.料液出口；18.单向阀；19.流量计；20.料液接收罐；21.料液输送泵；22.Pu(III)料液进口。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述。

实施例1

一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，如图1所示，该设备主要包括氧化塔5、料液接收罐20及NO_X储罐2，其中氧化塔5的上端设置有料液出口17，下端设置有Pu(III)料液进口22和NO_X进料口6，料液接收罐20和氧化塔5的上部的料液出口17通过管道相连；其中氧化塔5的主体、塔内的填料均为耐辐照、耐硝酸腐蚀不锈钢西塔环；氧化塔5的外塔壁上设置有电加热板10，使塔内料液温度为40℃；在氧化塔5的中部设置有可吸收中子的材料¹⁰B₄C。氧化塔5的塔顶安装有除沫器14，以分离氧化塔5中气体夹带的料液，在除沫器14后端置有旋风分离器15，进一步分离将料液液滴和尾气。氧化塔5的顶部和底部均安装有温度和压力测量仪，用于实时监测反应过程中的温度压力情况，以指导整个调料工艺的安全稳定运行。

Pu(III)料液从氧化塔5下部的Pu(III)料液进口22进入氧化塔5的塔内，其由料液输送泵21进入氧化塔5的管路为倒U型管路。

NO_X储罐2提供的气体由氧化塔5下部的NO_X进料口6进入氧化塔5塔体，与Pu(III)料液在上升过程中充分接触并与料液反应；调价后的料液经由氧化塔5上部的料液出口17进入料液接收罐20。其中，所述NO_X为N₂O₄，位于NO_X储罐2内的N₂O₄液体经管道和NO_X注射泵进入气化罐3并在气化罐3中用电加热方式加热至70℃得到的N₂O₄气体，N₂O₄气体再与鼓风机提供的空气经倒U型管路共同进入氧化塔5内且倒U型管管路最高点高于料液出口200mm，防止料液倒灌进入NO_X储罐2。

利用该调价设备进行操作时，按照以下步骤进行：

(1)开启气化罐电加热控制器，设置加热温度为70℃；

(2)开启氧化塔电加热板加热使塔内料液温度为40℃；

(3)开启NO_X注射泵，设置鼓风机的流量使载气中氧气含量与N₂O₄含量相同，待气速平稳后开启料液输送泵；N₂O₄气体与Pu(III)料液在上升过程中充分接触并与料液反应；调价后的料液经由氧化塔上部的料液出口进入料液接收罐；尾气经旋风分离器进入尾气处理系统。

(4)氧化调价过程中观察氧化塔的压力和温度变化情况；运行结束时，氧化塔应依次关停料液输送泵、NO_X注射泵、NO_X储罐、氧化塔加热、气化罐加热，放空氧化塔，将塔中残留料液从塔底部出液口放出。

采用该设备进行Pu(III)料液调价，使NO_X利用率提高了约30％，处理规模为100L/h，可确保Pu(III)的氧化率大于99.9％。

实施例2

与实施例1不同的是，氧化塔5内部还设置有一个或一个以上的筛板将填料隔开；气化罐3的加热方式为水浴加热，加热温度为90℃；氧化塔5的加热方式为在外塔壁上缠绕一层加热水套，使塔内料液温度为50℃；氧化塔5塔壁上放置的可吸收中子的材料为⁶LiF；NO_X气体进入氧化塔塔体经由的倒U型管的最高点高于料液出口300mm。

实施例3

与实施例1不同的是，氧化塔5的加热方式为外塔壁上缠绕一层电加热带，使塔内料液温度为40℃；NO_X为NO，NO与氧气共同由NO_X进料口进入塔内，其中氧气含量为NO的2倍；NO_X气体进入氧化塔塔体经由的倒U型管的最高点高于料液出口400mm。

实施例4

与实施例1不同的是，氧化塔5内通入的NO_X为NO，NO与空气共同由NO_X进料口进入塔内，其中空气中氧气含量为NO的3倍。

实施例5

与实施例1不同的是，NO_X为NO₂，NO₂与氧气共同由NO_X进料口进入塔内，其中氧气含量为NO₂的1倍。

实施例6

与实施例1不同的是，NO_X为NO₂，且不通入载气。

Claims

1.一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，该设备主要包括氧化塔、料液接收罐及NO_X储罐，其中氧化塔的上端设置有料液出口，下端设置有Pu(III)料液进口和NO_X进料口，料液接收罐和氧化塔的上部的料液出口通过管道相连；其中氧化塔的主体、氧化塔内的填料均为耐辐照、耐硝酸腐蚀材料；氧化塔的外塔壁上设置有加热装置；Pu(III)料液从氧化塔下部的Pu(III)料液进口进入氧化塔内；NO_X储罐提供的NO_X气体单独或与载气一同由氧化塔下部的NO_X进料口进入氧化塔内，NO_X气体与Pu(III)料液在上升过程中充分接触并与料液反应；调价后的料液经由氧化塔上部的料液出口进入料液接收罐，调价过程中生成的尾气由塔顶进入尾气处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述氧化塔内部还设置有一个或一个以上的筛板将填料隔开。

3.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述NO_X气体进入氧化塔塔体的管路为倒U型管且倒U型管管路最高点高于料液出口200～400mm。

4.根据权利要求1或3所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述NO_X为NO、NO₂或N₂O₄，当NO_X为N₂O₄时，先将位于N₂O₄储罐内的N₂O₄液体经管道和NOx注射泵进入气化罐并在气化罐中加热至70～90℃得到的N₂O₄气体后再由NO_X进料口进入氧化塔内。

5.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述NO_X与载气一同由NO_X进料口进入塔内，其中载气为空气或氧气，当NO_X为NO时，载气中氧气含量为NO_X的1～3倍；当NO_X为N₂O₄或NO₂时，载气中氧气含量为NO_X的0～3倍。

6.根据权利要求4所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述气化罐的加热方式为电加热或水浴加热。

7.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述氧化塔的外塔壁上设置的加热装置为缠绕有电加热带或加热水套，或在外塔壁上设置电加热板，使塔内料液温度为30～50℃。

8.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，在所述氧化塔的中部或塔壁设置有可吸收中子的材料。

9.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述氧化塔的塔顶安装有除沫器，在除沫器后端置有旋风分离器。

10.根据权利要求1所述的一种将Pu(III)氧化至Pu(IV)的氧化调价设备，其特征在于，所述Pu(III)料液由料液输送泵进入氧化塔的管路为倒U型管路。