一种适用于乏燃料后处理的新型空气载带含氚废水系统

摘要

本发明涉及一种适用于乏燃料后处理的新型空气载带含氚废水系统，属于乏燃料后处理技术领域。包括溶液除湿装置、吸收式制冷装置和高效微雾加湿装置。本发明通过增设溶液除湿装置，由传统的“一步法”改变为“两步法”，提高空气载带能力，从而提高系统在低温、高湿等恶劣环境下的运行性。吸收式制冷装置通过循环冷却水保证除湿器处于较低的温度下运行，保证了除湿效果。高效微雾加湿装置采用分级加湿和微雾加湿相结合，使除湿后的空气通过多级加湿器形成含低放射性废液的湿空气，实现低放射性废液的高效载带。此外，系统还可以依据环境的变化实现废液的动态适应性排放。故本发明不仅具有较高的加湿效率，同时还具有较强的环境适用性。

说明书

技术领域

本发明属于乏燃料后处理技术领域，具体涉及吸收式制冷技术、溶液除湿技术及空气载带技术。

背景技术

乏燃料后处理的典型工艺采用传统的Purex流程。当乏燃料芯被硝酸溶解时，大量的氚以氚化水（HTO）或氚化酸（TNO

国际上，乏燃料后处理厂通常建设在大海或大江周边，如法国阿格后处理厂，其含氚废水可直接向大海大江稀释排放，从而减少对环境的危害。由于我国的特殊情况，后处理厂通常建在偏远的内陆地区，由于周边缺乏可以利用的强稀释能力水体，通常将含氚废水汽化后由空气载带至高空大气，利用大气的强扩散性将氚含量稀释到控制限值以下。

目前国内乏燃料后处理厂空气载带含氚废水的技术基于空气加湿原理，待处理的废液与空气直接接触，进行传热传质，待处理废液吸热蒸发，与对未饱和的空气进行加湿，加湿后的空气排放至大气中。现有基于此原理的技术主要有两种方案，加热空气挂布大气载带方案和高压微雾大气载带方案。加热空气挂布大气载带方案工艺流程如下：首先，将空气过滤掉沙尘然后，将空气加热，并在离心风机的抽吸下，加热空气吹过喷洒有含氚废水的挂布，使含氚废水吸热蒸发进入空气中，空气的含湿量增加，最后增湿的空气经烟囱高架排放，这种方式存在蒸发效率低、二次放射性废物量大、设施需要的建筑面积较大等缺点。现有的高压微雾大气载带方案工艺流程如下：将空气过滤掉沙尘后加热，在离心风机的抽吸下，空气流经一个微雾室。在微雾室中，被泵加至高压（4～7 MPa）的含氚废水通过喷嘴阵列，以粒径大小为3～10 μm的含氚雾化颗粒的形式呈云雾状喷射到空气中，并在空气中吸收热量，从液态变成气态，使空气中湿度增大，并同时降低空气温度，最后增湿的空气经烟囱向高空排放。

无论是挂布式方案还是高压微雾方案，现行的空气载带含氚废水的工艺过程存在着以下不足：在冬季低温环境条件下，室外环境温度远低于排放空气的露点温度，无法有效排放含氚废水；在高湿的环境下，载带空气的吸湿能力受到环境湿度的限制，导致在高湿环境下的排放效率不高，无法有效应对日益增多的含氚废水量；现有的排放策略为比环境空气温度低1℃排放，缺乏环境适应性，无法根据环境温度的变化调整排放量，当环境温度升高时，空气的载带能力未被充分利用，导致排放效率较低，当环境温度降低时，恒定的排放温度会引起降水；系统需要大量消耗外部能源，能源利用效率低。因此，现有后处理系统加湿效率低，环境温湿度对含氚废水的排放影响极大，在环境温度<6℃、湿度>80%时，空气吸湿能力很弱，导致增湿效果变差甚至无法增湿，含氚废水排放设施难以运行，严重限制了后处理厂的运行周期。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种适用于乏燃料后处理的新型空气载带含氚废水系统。

本发明系统利用吸收式制冷驱动溶液除湿空气预处理技术对不同温湿度的环境空气进行除湿，除湿后环境空气的含湿量大幅度下降，再通过加热器进行加热，环境空气的吸湿能力大幅度上升，并且辅以环境适应性排放控制，本发明能提高空气载带技术对环境的适应性，低温高湿的恶劣环境下该系统能稳定运行，扩大装置使用范围，避免后处理厂因恶劣环境问题而停机，同时高效雾化加湿技术能提高热干空气对含氚废水的吸收效率。

一种适用于乏燃料后处理的新型空气载带含氚废水系统包括除湿装置、吸收式制冷装置和高效微雾加湿装置；

所述除湿装置包括第一风机1、除尘室2、溶液除湿器3、第一循环泵4、第一中间换热器5、第二循环泵6、第二风机7、溶液再生器8和风道加热器9；

所述吸收式制冷装置包括热源10、发生器11、冷凝器12、蒸发器13、吸收器14、第二中间换热器15、第一节流阀16、第三循环泵17和节流阀二18；

所述微雾加湿装置包括微雾多喷嘴阵列19、微雾加湿塔20、循环泵四21和储液罐22；

第一风机1的风道进口连通室外环境，第一风机1的风道出口连通除尘室2的风道入口，除尘室2的风道出口连接着溶液除湿器3，溶液除湿器3的出口连通着风道加热器9的进口；所述溶液除湿器3的低温低浓度出口连通着第一中间换热器5的低温低浓度进液口，第一中间换热器5的中温低浓度出液口通过第二溶液循环泵6连通着溶液再生器8的中温低浓度进液口；所述溶液再生器8的高温高浓度出液口连通着第一中间换热器5的高温高浓度进液口，第一中间换热器5的中温高浓度出液口通过第一溶液循环泵4连通着溶液除湿器3的中温高浓度进液口，形成除湿系统溶液循环回路；

所述发生器11的溶液罐的高温冷却水水蒸汽出气口连通着冷凝器12高温冷却水水蒸汽进气口，发生器11的溶液罐的高温浓溶液出口连通着第二中间换热器15的高温浓溶液入口，所述冷凝器12的高压冷却水出口连通着第二节流阀18的高压冷却水入口，所述第二节流阀18的低压冷却水出口连通着蒸发器13，所述蒸发器13的冷却水水蒸汽出气口连通着吸收器14的冷却水水蒸汽进气口，所述第二中间换热器15的中温浓溶液出口连通着吸收器14的中温浓溶液进口，所述吸收器14的低温稀溶液出口通过第三循环泵17连通着第二中间换热器15的低温稀溶液进口，第二中间换热器15的中温稀溶液出口连通着发生器11的溶液罐的中温稀溶液进口，形成制冷系统溶液循环回路；

所述微雾多喷嘴阵列19固定设于微雾加湿塔20内顶部，风道加热器9的高温干空气出口连通着微雾加湿塔20的高温干空气进口，微雾加湿塔20顶部的空气出口连通着室外环境，微雾加湿塔20底部的出口连通着储液罐22的进口，所述储液罐22的出口通过第四循环泵21连通着微雾多喷嘴阵列19；

冷凝器12的高温冷却水出口连通着溶液再生器8的高温冷却水进口，溶液再生器8的低温冷却水出口连通着冷凝器12的低温冷却水进口，形成冷却水循环回路；蒸发器13的低温冷冻水出口连通着溶液除湿器3的低温冷冻水进口，溶液除湿器3的高温冷冻水出口连通着蒸发器13的高温冷冻水进口，形成蒸发循环回路；

工作时，环境空气由第一风机1进入除尘室2，首先进行除尘，然后进入除湿装置进行深度除湿，同时吸收式制冷装置对除湿溶液进行降温；除湿后低温、低湿的空气经过风道加热器9，形成高温、低湿的热干空气；经过除湿和加热后的热干空气进入微雾加湿装置，通过多级加湿器最后形成含低放射性废液的湿空气，并排放到大气环境中。

进一步的技术方案如下：

所述第一中间换热器5和第二中间换热器15为管壳式换热器。

所述溶液再生器8为叉流型式；所述溶液除湿器3为叉流型式的内冷型溶液除湿器。

所述除湿装置中使用的溶液为溴化锂溶液、氯化锂溶液、氯化钙溶液中的一种。

所述吸收式制冷装置中使用的溶液为溴化锂溶液、氨水溶液中的一种。

所述发生器11包括热源10和溶液罐，通过加热使溶液罐中的溶液蒸发，产生制冷剂蒸汽。

所述风道加热器9为蒸汽式加热器。

所述吸收式制冷的热源和风道加热器的热源为电热锅炉、市政热管网、工艺蒸汽、燃气锅炉、太阳能热源和工业废热中的一种。

所述微雾加湿塔20中空气与液体流动方向与采用逆流式布置；微雾加湿塔20分成三级，最下级铺设高压微雾喷嘴阵列，利用微雾加湿使空气进行初步载带废液；中间级铺设高压微雾喷嘴阵列加中间填料层，从而使空气充分载带废液；最上级铺设最上填料层，防止有液态废液被裹挟出去。

所述中间填料和最上填料均为PP六角蜂窝斜管填料。

本发明的工作机理说明如下：

本发明的前端放置溶液除湿装置，环境空气由第一风机1进入除尘室2进行除尘后，在溶液除湿装置中被具有吸湿功能的浓盐溶液进行深度除湿，浓盐溶液表面水蒸汽压力与被处理空气中的水蒸气分压力之差作为水分迁移的动力，浓盐溶液与空气直接接触，从而将空气中的水分吸收到溶液中来；除湿后低温、低湿的空气经过风道加热器9，被热蒸汽加热形成高温、低湿的热干空气；经过除湿和加热后的热干空气进入微雾加湿装置，通过多级加湿器最后形成含低放射性废液的湿空气，并排放到大气环境中。增设的溶液除湿装置避免冷凝除湿过度冷却后再热的冷热抵消问题，增加了能量利用效率，降低了环境空气的含湿量，增加了多级加湿器中环境空气的吸湿能力，增加了加湿效率，提升了装置对含氚废水的载带量。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明通过增设溶液除湿装置，由传统的“一步法”改变为“两步法”，提高空气载带能力，从而提高系统在低温、高湿等恶劣环境下的运行性。通过理论计算证明本发明的有益效果，以除湿系统溶液为初始浓度为50%的溴化锂溶液、制冷系统溶液为初始浓度为60%的溴化锂溶液、合肥夏季典型环境条件为例。本发明装置中含湿量为16 g/kg的环境空气在溶液除湿系统中被除湿到3 g/kg的低湿状态，相较于加装溶液除湿系统前含湿量降低了81.3%，从而有效提升环境空气的吸湿能力，使系统能在高湿环境下运行。

1.本发明采用高效微雾加湿塔结合多喷嘴微雾阵列的方式将含氚废水以微米级液滴的形式喷入进热干空气中，并对加湿塔实现分级布置，空气在微雾加湿塔内实现多级加湿，同时塔内布置的填料增加了空气与废液的接触面积，加湿效率比现有提升21.2%，400 m

2.本发明与传统空气载带废液的装置相比，风道加热器的热源可以采用低品质能源；对于除湿系统的再生热源的选用了吸收式制冷的制冷冷凝热进行溶液再生，能量利用效率提升11.6%，是一种很好的清洁环保、可再生的能源利用方式，具有较好的推广价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明后处理系统结构示意图。

图1中序号：第一风机1、除尘室2、溶液除湿器3、第一循环泵4、第一中间换热器5、第二循环泵6、第二风机7、溶液再生器8、风道加热器9、热源10、发生器11、冷凝器12、蒸发器13、吸收器14、第二中间换热器15、第一节流阀16、第三循环泵17、18第二节流阀18、微雾多喷嘴阵列19、微雾加湿塔20、第四循环泵21、储液罐22、除湿装置Ⅰ、吸收式制冷装置Ⅱ、高效微雾加湿装置Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参见图1，一种空气载带含氚废水的后处理系统包括溶液除湿装置Ⅰ、吸收式制冷装置Ⅱ和高效微雾加湿装置Ⅲ。

所述溶液除湿装置包括第一风机1、除尘室2、溶液除湿器3、第一循环泵4、第一中间换热器5、第二循环泵6、第二风机7、溶液再生器8和风道加热器9。

所述吸收式制冷装置包括热源10、发生器11、冷凝器12、蒸发器13、吸收器14、第二中间换热器15、第一节流阀16、第三循环泵17和第二节流阀18。

所述微雾加湿装置包括微雾多喷嘴阵列19、微雾加湿塔20、循环泵四21和储液罐22。

所述溶液再生器8为叉流型式；所述溶液除湿器3为叉流型式的内冷型溶液除湿器。

所述第一中间换热器5和第二中间换热器15均为管壳式换热器。

所述发生器11由热源10、溴化锂溶液和溶液罐组成的通过加热使溶液蒸发，产生制冷剂蒸汽的设备。

所述风道加热器9为蒸汽式加热器。

所述溶液除湿装置Ⅰ使用的溶液为初始浓度为50%的溴化锂溶液。

所述吸收式制冷装置Ⅱ使用的溶液为初始浓度为60%的溴化锂溶液。

所述吸收式制冷的热源和风道加热器的热源为电热锅炉。

所述微雾加湿塔20中空气与液体流动方向与采用逆流式布置。微雾加湿塔20分成三级，最下级铺设高压微雾喷嘴阵列，利用微雾加湿使空气进行初步载带废液；中间级铺设高压微雾喷嘴阵列加中间填料层，从而使空气充分载带废液；最上级铺设最上填料层，防止有液态废液被裹挟出去。中间填料和最上填料均为PP六角蜂窝斜管填料。

第二风机7设置在溶液再生器8外部，室外空气在第二风机7作用下进入溶液再生器8内，室外空气在溶液再生器8中与高温低浓度溴化锂溶液进行热湿交换完成溶液再生过程。

发生器11包括热源10和溶液罐，通过加热使溶液罐中的溶液蒸发，产生制冷剂蒸汽。

以上三个装置的具体连接关系如下：

所述第一风机1的风道进口连通着室外环境，第一风机1的风道出口连通着除尘室2的风道入口，除尘室2的风道出口连通着溶液除湿器3，溶液除湿器3连接风道加热器9。所述溶液除湿器3的低温低浓度出口连通着第一中间换热器5的低温低浓度进液口，第一中间换热器5的中温低浓度出液口通过第二循环泵6溶液再生器8的中温低浓度进液口，所述溶液再生器8的高温高浓度出液口连通着第一中间换热器5的高温高浓度进液口，第一中间换热器5的中温高浓度出液口通过第一循环泵4连通着溶液除湿器3的中温高浓度进液口，形成除湿系统溶液循环回路。

所述发生器11的溶液罐的高温冷却水水蒸汽出气口连通着冷凝器12的高温冷剂水水蒸汽进气口，发生器11的溶液罐的高温浓溶液出口连通着第二中间换热器15的高温浓溶液入口；冷凝器12的高压冷却水出口连通着第二节流阀18的高压冷却水入口，第二节流阀18的低压冷剂水出口连通着蒸发器13，蒸发器13的冷却水水蒸汽出气口连通着吸收器14的冷却水水蒸汽进气口，第二中间换热器15的中温浓溶液出口连通着吸收器14的中温浓溶液进口，吸收器14的低温稀溶液出口通过第三循环泵17连通着第二中间换热器15的低温稀溶液进口，第二中间换热器15的中温稀溶液出口连通着发生器11的溶液罐的中温稀溶液进口，形成制冷系统溶液循环回路。

所述微雾加湿塔20内顶部设有微雾多喷嘴阵列19，风道加热器9的高温干空气出口连通着微雾加湿塔20的高温干空气进口，微雾加湿塔20顶部空气出口连通着室外环境，微雾加湿塔20的底部出口连通着储液罐22进口，储液罐22出口通过第四循环泵21连通着微雾多喷嘴阵列19。

冷凝器12的高温冷却水出口连通着溶液再生器8的高温冷却水进口，溶液再生器8的低温冷却水出口连通着冷凝器12低温冷却水进口，形成冷却循环回路。蒸发器13的低温冷冻水出口连通着溶液除湿器3的低温冷冻水进口，溶液除湿器3的高温冷冻水出口连通着蒸发器13的高温冷冻水进口，形成蒸发循环回路。

本发明利用低温余热进行吸收式制冷，冷凝热用于再生除湿溶液，冷量用于溶液的除湿过程，溶液除湿装置与吸收式制冷装置耦合控制空气湿度，通过调节溶液除湿装置的喷淋量、吸收式制冷装置的制冷量来调节空气湿度，调节风道加热器加热功率调节温度，实现温湿度的独立控制，辅以环境适应性排放控制策略，在低温高湿环境条件下可以连续运行，扩大对环境空气的利用范围，系统稳定性提高。风道加热器热源以及吸收式制冷系统的热量均来源于低品质能源，降低了能源消耗。

本发明工作原理详细说明如下：

吸收式制冷装置Ⅱ中，发生器11的溶液罐中的溴化锂稀溶液经热源10加热形成高温水蒸汽，水蒸汽进入冷凝器12冷凝成冷凝水，热量传递给冷却水，冷凝水经过第二节流阀18节流后进入蒸发器13，在蒸发器13完成蒸发制冷后冷量传递给冷冻水，蒸发器13产生的水蒸汽进入吸收器14。发生器11的溶液罐中的溶液经热源加热后形成高温溴化锂浓溶液与从吸收器14出来的低温溴化锂稀溶液在第二中间换热器15进行热交换，再通过第一节流阀16进入吸收器14，同时被从蒸发器13过来的水蒸汽稀释。吸收器14中的低温溴化锂稀溶液通过第三循环泵17并经过热交换后进入发生器11的溶液罐，这样就完成吸收式制冷循环。

溶液除湿装置Ⅰ中，环境空气通过第一风机1进入除尘室2，除尘后环境空气经过溶液除湿器3与溴化锂浓溶液进行热湿交换形成干燥低温空气，再通过风道加热器9形成热干空气进入高效微雾加湿装置Ⅲ。溴化锂浓溶液在溶液除湿器3中与环境空气进行热湿交换后被稀释成溴化锂稀溶液，冷量由从蒸发器13中出来的冷冻水提供，溴化锂稀溶液通过第二循环泵6首先与从溶液再生器8出来的高温浓溴化锂溶液在第一中间换热器5中进行热交换，之后进入溶液再生器8中与环境空气完成再生过程，热量由从冷凝器12出来的冷却水提供，再生后形成的溴化锂浓溶液通过第一循环泵4依次进入第一中间换热器5和溶液除湿器3完成溶液除湿循环。

高效微雾加湿装置Ⅲ中，从风道加热器9出来的热干空气进入微雾加湿塔20中，微雾加湿塔的底部与储液罐22连通，储液罐22中的含氚废水经第四循环泵21进入微雾多喷嘴阵列19中，含氚废水经微雾多喷嘴阵列19形成微米级液滴与热干空气进行热质交换，未蒸发的废液进入微雾加湿塔20底部进行加湿再循环，随着环境空气不断进入微雾加湿塔20进行加湿，废液量不断减少，热干空气形成环境适应性排放控制策略下的排放状态，从微雾加湿塔20的顶部排入环境。经过实验测量与计算，不同温湿度环境空气均可以除湿到3 g/kg，微雾加湿塔20的出口空气可以被加湿到50-100%的高湿度空气，加湿效率能达到90%，400m

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。