CN218768770U - 一种从含氚废水中分离纯化氚的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，包括：废水分离单元，废水分离单元对含氚废水进行处理，得到氚浓度低于排放标准的水和高纯氚水；吸附分离单元，吸附分离单元与分离单元相连通。本实用新型中，通过利用水精馏高处理量的优势将低放含氚废水进行分离浓集处置，使剥淡端的废水中氚浓度达到排放要求，满足废水处理的要求，提浓端继续浓集，在浓集过程中，将氚水自身电离分解产生的气体引入吸附分离单元进行吸附分离，实现该部分氚气的富集和纯化，同时解决了水精馏过程中高浓氚水分解带来的安全隐患和由于不凝气导致的分离效率下降问题，将水精馏和吸附分离有机结合起来，在实现含氚废水减容的同时，可将废水中的氚进行浓集和纯化。

Description

一种从含氚废水中分离纯化氚的系统

技术领域

本实用新型属于放射性废水处理技术领域，具体涉及一种从含氚废水中分离纯化氚的系统。

背景技术

随着民用核能技术的发展，核电作为一种重要的化石能源的替代选项，越来越受到人们的关注和重视，全球核电机组装机容量持续提高。核电机组在运行过程中会产生一定量的低放含氚废水，在乏燃料后处理过程中也会产生一定量的低放含氚废水，如将这些含氚废水直接排放到外界环境，特别是排放到内陆水系，将对环境和公众安全造成不利影响。目前含氚废水已成为制约内陆核电建设的一个重要因素。因此，亟需开发出可靠稳定的含氚废水除氚技术，使其中的氚含量降到环保排放标准。

需要说明的是，氚是一种非常重要的核素原料，不但是可控核聚变反应堆的重要原料，而且作为示踪剂或标记物，常用于医药、生化、石油、环保和水文等领域。同时，氚也是核电池的重要原料，目前已经在航天、极地、心脏起搏器等领域成功应用。由氚制成的氚灯和氚发光器材还具有发光寿命长的特点，可用于手表、应急灯等领域。

分离浓集氚的方法主要有低温蒸馏法、水精馏法、电解法、热扩散法、溶剂萃取法、分子激光法和催化交换法等。在研究过程中，又出现了将两种或多种方法结合起来的工艺及衍生工艺。液氢低温精馏是氚浓集和纯化的主要手段，该过程中，需要超低温的分离条件，用液氢做为分离介质，如直接用于处理废水中的氚，需要前驱步骤，或利用大量的氢将废水中的氚催化交换到氢气中，或利用电解的方式使废水分解成氢气，再进行液氢精馏。在液氢精馏中，氢对一个金属材料又有氢脆和氢渗透的问题，材质要求高。由于氢是易燃易爆物质，液氢沸点低，因此液氢精馏操作条件苛刻，处理通量小。而含氚废水的待处理量大，氚含量低，不适于直接采用液氢精馏的方式进行分离和纯化。电解和热扩散等方法也存在处理通量小是问题，不适于直接处理低放、量大的含氚废水，在上述已有的方法中,虽然水精馏技术(如专利公告号CN208938663U)具有大容量处理能力，是低浓含氚废水减容的潜在有效方法，但由于氚水存在自分解的问题，目前尚无报道水精馏技术用于氚水的纯化处理。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种从含氚废水中分离纯化氚的系统。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本实用新型采用的技术方案为：

一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，包括：

废水分离单元，所述废水分离单元对含氚废水进行处理，得到氚浓度低于排放标准的水和高纯氚水；

吸附分离单元，所述吸附分离单元与分离单元相连通。

进一步的，所述废水分离单元为水精馏单元，所述水精馏单元包括纯化水罐、浓氚出料冷却器、浓氚收集罐及精馏塔组，所述精馏塔组包括若干级精馏塔，相邻两级精馏塔之间相连通，所述纯化水罐与精馏塔组相连通，精馏塔组的第一级精馏塔塔底与浓氚出料冷却器相连通再连通浓氚收集罐。

进一步的，所述精馏塔组的各级精馏塔塔顶和塔底分别设置有冷凝器和再沸器，上一级精馏塔塔顶冷凝器通过下一级的再沸器连通至下一级精馏塔塔底，下一级精馏塔塔底还通过中间泵与上一级精馏塔塔顶相连通。

进一步的，所述精馏塔组的级数为1～20。

进一步的，所述水精馏单元还包括原水纯化罐和进料泵，所述原水纯化罐与纯化水罐相连通，所述纯化水罐通过进料泵与精馏塔组的进料口连通，所述精馏塔组的进料口设置于最后一级精馏塔上。

进一步的，所述吸附分离单元包括氢氧气体分离器、氢同位素吸附分离器、载气分离器、纯氚气收集罐和气体中间罐，所述氢氧气体分离器与废水分离单元的浓氚收集罐相连通，所述浓氚收集罐、氢氧气体分离器、氢同位素吸附分离器、载气分离器沿气体流向顺序设置并连通，所述载气分离器的出气口分别与纯氚气收集罐和气体中间罐相连通。

进一步的，所述吸附分离单元还包括载气罐、气体氧化器、气体切换调节阀和氢气储罐，所述氢氧气体分离器与氢同位素吸附分离器之间设置有氢气储罐，所述载气罐与氢同位素吸附分离器的气体入口相连通，所述氢同位素吸附分离器的气体出口通过气体切换调节阀连通载气分离器，所述载气分离器通过气体中间罐与气体氧化器相连通，所述气体氧化器与废水分离单元的纯化水罐相连通。

进一步的，所述气体氧化器与气体中间罐之间设置有气体输送泵。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型公开了一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，通过利用水精馏高处理量的优势将低放含氚废水进行分离浓集处置，使剥淡端的废水中氚浓度达到排放要求，满足废水处理的要求，提浓端继续浓集，在浓集过程中，将氚水自身电离分解产生的气体引入吸附分离单元进行吸附分离，实现该部分氚气的富集和纯化，同时解决了水精馏过程中高浓氚水分解带来的安全隐患和由于不凝气导致的分离效率下降问题，水精馏流程操作条件温和，负压操作，无氚泄露风险，吸附分离操作流程简单，易操作，安全可靠，将水精馏和吸附分离有机结合起来，在实现含氚废水减容的同时，将废水中的氚进行浓集和纯化，得到可以利用的氚资源，可满足大容量含氚废水的处置要求，同时还能够获得高纯氚产品。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

如图1-2所示，一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，包括一个水精馏单元和一个吸附分离单元；水精馏单元包括原水纯化罐1、纯化水罐2、进料泵3、浓氚出料冷却器9、浓氚收集罐10及精馏单元，精馏单元包括再沸器4、冷凝器6、回流水罐8以及n级精馏塔7，n为1～20之间的整数，各级精馏塔7之间设置有中间泵5；吸附分离单元包括氢氧气体分离器11、氢同位素吸附分离器12、载气罐13、载气分离器14、纯氚气收集罐15、气体中间罐16、气体输送泵17、气体氧化器18、气体切换调节阀19和氢气储罐20。

原水纯化罐1与纯化水罐2相连通，纯化水罐2通过进料泵3与精馏单元的进料口连通，精馏单元的第一级精馏塔7塔底一路依次与浓氚出料冷却器9、浓氚收集罐10、氢氧气体分离器11、氢气储罐20、氢同位素吸附分离器12、载气分离器14相连通，精馏单元的第一级精馏塔7塔底还有一路与再沸器4相连通，精馏单元的各精馏塔7的塔顶分别连通一个冷凝器6，上一级精馏塔7塔顶冷凝器6通过下一级再沸器4连通至下一级精馏塔7塔底，也即第一级精馏塔7塔顶通过冷凝器6和第二级精馏塔7塔底的再沸器4连通至第二级精馏塔7塔底，第二级精馏塔7塔顶的冷凝器6通过第三级精馏塔7塔底的再沸器4连通至第三级精馏塔7塔底，依次类推，载气罐13与氢同位素吸附分离器12的气体入口相连通，氢同位素吸附分离器12的气体出口通过气体切换调节阀19连通载气分离器14，载气分离器14分别与纯氚气收集罐15和气体中间罐16相连通，气体中间罐16通过气体输送泵17连通气体氧化器18再连通至纯化水罐2。

一种从含氚废水中分离纯化氚的系统的使用方法，包括以下步骤：

原水经原水纯化罐1脱除离子和杂质后，送入纯化水罐2，纯化水罐2中的水由进料泵3送入精馏单元的进料口，以进行精馏分离，在精馏单元最末级的塔顶得到氚浓度低于排放标准的水，可以直接排放，而在精馏单元第一级的塔底得到浓度99％以上的纯氚水。在各级冷凝器6中，不凝性气体被汇集，然后经过氢氧气体分离器11将不凝性气体中的氧气除去，得到氢同位素气体，收集到氢气储罐20中，载气罐13中的载气与氢气储罐20中的气体分别送入氢同位素吸附分离器12中，在氢同位素吸附分离器12内进行氢同位素分离，氢同位素吸附分离器12的气体出口通过气体切换调节阀19连通载气分离器14，根据不同氢同位素气体的解吸时间，通过气体切换调节阀19进行切换，分别得到纯的氚气T2(浓度达到99.5％以上)、混合气Ⅰ(T2、DT、D2、HT)、混合气Ⅱ(H2、HD)，纯的氚气T2收集到纯氚气收集罐15中，混合气Ⅰ收集到气体中间罐16中，混合气Ⅱ(H2、HD)直接排放；气体中间罐16中的混合气Ⅰ由气体输送泵17送入气体氧化器18内，经过催化氧化变成氢同位素水，重新返回纯化水罐2中；

在精馏单元中，第n-1级精馏塔7内上升的气相到达塔顶后，通过塔顶气相管进入与之相连的冷凝器6中，冷凝液流入第n级精馏塔7塔底的再沸器4中，受热气化后进入第n级精馏塔7内，蒸汽向上流动；第n级精馏塔7塔底流出的液相由中间泵5送入第n-1级精馏塔7上部的回流口，液体在第n-1级精馏塔7内向下流动，与向上流动的蒸汽接触进行传热和传质，依次经过多级精馏分离后，从最末级塔顶离开的气相经与之相连的冷凝器6冷凝后，进入回流水罐8，此时该冷凝液中氚的浓度已达到排放标准，因此该冷凝液一部分返回本级精馏塔7上部回流口，向下回流，另一部分作为达标物料流出；

第一级精馏塔7塔底流出的液体中，氚被浓集，一部分液体流入再沸器4，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体经浓氚出料冷却器9降温后进入浓氚收集罐10中收集起来，在浓氚收集罐10中的浓氚水会自分解，产生氧气和氚气，氧气和氚气通过与氢氧气体分离器11连通的管路送入至氢氧气体分离器11中，通过氢氧气体分离器11除去氧气，余下气体收集到氢气储罐20中，若浓氚收集罐10中的浓氚水的浓度不达标时，也可以利用浓氚水自分解的特点，通过该管路进入氢同位素吸附分离器12中，进一步纯化。

实施例1

如图1-2所示，一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，包括一个水精馏单元和一个吸附分离单元；水精馏单元包括原水纯化罐1、纯化水罐2、进料泵3、浓氚出料冷却器9、浓氚收集罐10及精馏单元，精馏单元包括再沸器4、冷凝器6、回流水罐8以及3级精馏塔7(即3个精馏塔7)；吸附分离单元包括氢氧气体分离器11、氢同位素吸附分离器12、载气罐13、载气分离器14、纯氚气收集罐15、气体中间罐16、气体输送泵17、气体氧化器18、气体切换调节阀19和氢气储罐20。

原水纯化罐1与纯化水罐2相连通，纯化水罐2通过进料泵3与精馏单元的进料口连通，进料口设置于最后一级精馏塔7上，精馏单元的第一级精馏塔7塔底一路依次与浓氚出料冷却器9、浓氚收集罐10、氢氧气体分离器11、氢气储罐20、氢同位素吸附分离器12、载气分离器14相连通，第一级精馏塔7塔底还有一路与再沸器4相连通，各精馏塔7的塔顶分别连通一个冷凝器6，上一级精馏塔7塔顶的冷凝器6通过下一级精馏塔7塔底的再沸器4连通至下一级精馏塔7塔底，也即第一级精馏塔7塔顶的冷凝器6通过第二级精馏塔7塔底的再沸器4连通至第二级精馏塔7塔底，第二级精馏塔7塔顶的冷凝器6通过第三级精馏塔7塔底的再沸器4连通至第三级精馏塔7塔底，载气罐13与氢同位素吸附分离器12的气体入口相连通，氢同位素吸附分离器12的气体出口通过气体切换调节阀19连通载气分离器14，载气分离器14分别与纯氚气收集罐15和气体中间罐16相连通，气体中间罐16通过气体输送泵17连通气体氧化器18再连通至纯化水罐2。

实施例2

精馏单元包括四级精馏塔7，四塔液相级联，处理量为500kg/h，操作压强500mmHg；低放含氚废水中氚浓度为1.5×10⁹Bq/L，从第四级塔顶采出的物料中氚浓度为95.8Bq/L，第一级塔底出料的物料中氚的浓度为99.3％，氚被浓集，一部分液体流入再沸器4，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体经浓氚出料冷却器9降温后进入浓氚收集罐10中收集起来，在浓氚收集罐10中的浓氚水会自分解，产生氧气和氚气，氧气和氚气通过与氢氧气体分离器11连通的管路送入至氢氧气体分离器11中，通过氢氧气体分离器11除去氧气，余下气体收集到氢气储罐20中，载气罐13中的载气与氢气储罐20中的气体分别送入氢同位素吸附分离器12中，在氢同位素吸附分离器12内进行氢同位素分离，氢同位素吸附分离器12的气体出口通过气体切换调节阀19连通载气分离器14，根据不同氢同位素气体的解吸时间，通过气体切换调节阀19进行切换，分别得到纯的氚气T2(浓度达到99.5％)、混合气Ⅰ(T2、DT、D2、HT)、混合气Ⅱ(H2、HD)，纯的氚气T2收集到纯氚气收集罐15中，混合气Ⅰ收集到气体中间罐16中，混合气Ⅱ(H2、HD)直接排放；气体中间罐16中的混合气Ⅰ由气体输送泵17送入气体氧化器18内，经过催化氧化变成氢同位素水，重新返回纯化水罐2中。

本实用新型还公开了含氚废水中氚分离纯化的装置在含氚废水处理中的应用。

本实用新型未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，包括：

废水分离单元，所述废水分离单元对含氚废水进行处理，得到氚浓度低于排放标准的水和高纯氚水；

吸附分离单元，所述吸附分离单元与分离单元相连通。

2.根据权利要求1所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述废水分离单元为水精馏单元，所述水精馏单元包括纯化水罐、浓氚出料冷却器、浓氚收集罐及精馏塔组，所述精馏塔组包括若干级精馏塔，相邻两级精馏塔之间相连通，所述纯化水罐与精馏塔组相连通，精馏塔组的第一级精馏塔塔底与浓氚出料冷却器相连通再连通浓氚收集罐。

3.根据权利要求2所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述精馏塔组的各级精馏塔塔顶和塔底分别设置有冷凝器和再沸器，上一级精馏塔塔顶冷凝器通过下一级再沸器连通至下一级精馏塔塔底，下一级精馏塔塔底还通过中间泵与上一级精馏塔塔顶相连通。

4.根据权利要求2所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述精馏塔组的级数为1～20。

5.根据权利要求2所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述水精馏单元还包括原水纯化罐和进料泵，所述原水纯化罐与纯化水罐相连通，所述纯化水罐通过进料泵与精馏塔组的进料口连通，所述精馏塔组的进料口设置于最后一级精馏塔上。

6.根据权利要求1所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述吸附分离单元包括氢氧气体分离器、氢同位素吸附分离器、载气分离器、纯氚气收集罐和气体中间罐，所述氢氧气体分离器与废水分离单元的浓氚收集罐相连通，所述浓氚收集罐、氢氧气体分离器、氢同位素吸附分离器、载气分离器沿气体流向顺序设置并连通，所述载气分离器的出气口分别与纯氚气收集罐和气体中间罐相连通。

7.根据权利要求6所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述吸附分离单元还包括载气罐、气体氧化器、气体切换调节阀和氢气储罐，所述氢氧气体分离器与氢同位素吸附分离器之间设置有氢气储罐，所述载气罐与氢同位素吸附分离器的气体入口相连通，所述氢同位素吸附分离器的气体出口通过气体切换调节阀连通载气分离器，所述载气分离器通过气体中间罐与气体氧化器相连通，所述气体氧化器与废水分离单元的纯化水罐相连通。

8.根据权利要求7所述的一种从含氚废水中分离纯化氚的系统，其特征在于，所述气体氧化器与气体中间罐之间设置有气体输送泵。

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