后处理厂溶解排气系统的流程优化设计

□杨欣静 邹洪伶

我国后处理厂当前主要采用批式溶解来处理乏燃料，批式溶解时排气存在气峰，系统的负压调控设计较为困难。溶解的高温环境导致排气对料液的夹带量大，排气的湿含量高。溶解排气中不仅夹带有放射性液滴和气溶胶，还含有随乏燃料溶解而释放出129I、85Kr、3H、14C等多种气态裂变产物和氮氧化物。随着溶解反应进行程度的不同，溶解排气的流量波动范围大，存在较高的气峰值，峰值排气量可达平均排气量的5～8倍。溶解排气中需要去除的主要是放射性蒸汽、液滴、气溶胶、氮氧化物和129I。本文研究批式溶解过程下的溶解排气系统的流程优化设计。

一、单元优化设计

(一)蒸汽净化单元。溶解排气中夹带的高放射性蒸汽和液滴必须在流程前端首先除去，这样不仅可以快速降低排气放射性水平，缩短高放射性管路长度，同时可避免蒸汽在管路或净化设备中冷凝成水，使管路堵塞或对设备造成不良影响。所以，首先将溶解排气通入冷凝冷却器中。排气的气体饱和湿度随气体温度的降低而减小，且气体温度越高，冷却所产生的湿含量降低效果越明显。假设冷凝冷却器将初始溶解排气由80℃冷凝至40℃，由表1可知，排气湿含量将由290.7g/m3降低到50.8g/m3，大量蒸汽从排气转入冷凝液中。

表1 不同温度下饱和空气中水蒸气压力及湿含量

(二)液滴和气溶胶净化单元。经冷凝冷却后的不凝气中还含有较多放射性气溶胶，可设置多管除尘器、淋洗塔等气溶胶前级净化设备[1]。由于通入蒸汽与排气接触，多管除尘器排出的溶解排气中夹带有较大液滴，应设置丝网捕集器去除液滴。为增强捕集器气液分离效果，在多管除尘器与捕集器之间设置气体冷却器，降低排气温度。

(三)酸回收单元。去除蒸汽与初步净化气溶胶后的溶解排气中，还含有氮氧化物和129I。建议工艺排气系统以碱液洗涤法作为前级除碘手段，以附银吸附法作为补充除碘手段；以水吸收法净化回收氮氧化物。溶解排气应首先去除氮氧化物，然后再净化放射性碘。氮氧化物吸收塔须设置在碱液洗涤塔之前，否则氮氧化物将被碱液中和，而在氮氧化物吸收塔中被吸收进入回收酸中的碘，易于通过与加热空气对流的方式赶回排气系统中；对于内陆后处理厂，由于含碘废液的处理处置较为困难，可仅采用吸附剂作为除碘手段(在保证碘的净化效率前提下)，此时，两个净化单元的设置顺序与吸附剂选型有关。银八面沸石的耐酸性能有限，已吸附的碘有可能因为排气中氮氧化物的侵蚀作用而又释放出来，银八面沸石必须设置在氮氧化物吸收塔之后；附银硅胶耐酸性能强[2]，设置在氮氧化物吸收塔前后均可。为使流程设计整齐划一，可统一将除碘工序设置在氮氧化物吸收工序之后。

由于排气中含有大量不与水反应的一氧化氮，为提高氮氧化物吸收率，在进行氮氧化物吸收之前，设置一氧化氮氧化器，先将一氧化氮氧化为二氧化氮。氧化器之后设置氮氧化物吸收塔，用去离子水或稀硝酸逆流吸收排气中的氮氧化物，形成回收酸复用。在一氧化氮氧化器前设置补气点，一方面可维持氮氧化物吸收塔进气流量的稳定，另一方面通入空气有利于一氧化氮的氧化。

(四)129I净化单元。排气在酸回收之后，进行129I的净化处理。在氮氧化物吸收塔后设置碱液洗涤塔，使排气与氢氧化钠溶液逆流接触，初步净化溶解排气中的129I。碱液洗涤塔也可以对14C起到一定的净化作用。从碱液洗涤塔排出的气体中也夹带有较多液滴，为避免液滴打湿附银吸附剂和过滤器芯，设置冷却器和丝网捕集器截留排气中的液滴。然后将排气加热至最佳吸附温度后通入附银吸附器补充除碘。

(五)高效过滤单元。除碘后的溶解排气在排放之前，还需要经过中效过滤器和两级高效过滤器(由于溶解排气放射性水平高，所以增设一级高效过滤器)，除去排气中的微小液滴和气溶胶，使排气的放射性水平进一步降低，达到排放标准。在碘吸附器后设置冷却器，将排气在过滤器中的温度维持在100℃左右，避免排气冷凝成液打湿过滤器芯或将过滤器芯烧坏。净化后的溶解排气冷却至40℃后由风机排往排风烟囱。

二、负压调控

工艺排气系统除了要满足工艺废气的净化要求外，还是密封放射性物质的重要屏障，影响到主工艺系统的稳定运行。工艺排气系统必须确保工艺设备及管道相对设备室(或热室)存在一定的负压梯度，以防止放射性物料外逸，甚至需要精确控制某些关键设备的压力参数，进而保障主工艺过程的稳定运行。出于这个原因，工艺排气系统必须合理进行规模大小的划分，规模适中的排气系统有利于负压的维持和调节。除此之外，工艺排气系统还必须设置一些负压调节手段，维持管路及设备负压，以保障排气过程的平稳进行，并在出现一些异常工况的情况下，能够通过系统负压的调节，使系统回归正常状态。工艺排气系统中较为常见的负压和流量调控手段有以下几种。

(一)保证设备液封。为保证气体净化设备的负压，设备连接的废液管应插入废液槽底部形成液封；贮槽上的接管也要具体考虑是否液封，避免出现漏气和窜气的情况，增大负压调节难度。

以溶解排气系统捕集器是否液封为例进行说明。在捕集器的废液管未插入废液槽底部形成液封的情况下，当废液管不满流(这种情况经常出现)时，溶解排气与废液槽呼排相连通，存在窜气的可能。当溶解排气系统负压高于贮槽呼排系统时，废液槽呼排气可能进入溶解排气系统，反之，溶解排气可能进入呼排系统。这不仅会增加各系统排气总量的不确定性，加大系统负压调节难度，同时使捕集器负压无法得到保障，影响其净化效率。所以在设备设计，尤其是排气系统设备和某些特殊槽罐的设计时，应认真考虑伸入设备内部管线的水封，尽量避免出现窜气或漏气的情况，同时严格按照规程操作，以保证设备的负压。此外，厂房的通风排气也有通过设备室地坑窜入贮槽呼排处理系统的可能，这会造成工艺排气量增大，加重排气系统的工作负荷。向地坑中加入适量去离子水或烯酸进行液封，以实现贮槽呼排处理系统与设备室红区排风系统的隔离。

(二)合理设置补气点。对于排气流量波动范围较大的排气管路，应专门设置补气点，以维持排气流量的基本稳定，防止由于气体流量变化引起管路压降的快速变化，使净化设备脱离弹性操作区间，排气系统管路和关键设备的负压脱离控制范围。

国内外后处理厂的工艺排气系统经常使用这种压力调控方式。比如美国巴威尔后处理厂，在排气系统低负载的状态下，通过两个辅助控制装置维持气流的稳定性。首先，在控制鼓风机两端压差的情况下，通过向鼓风机的进气口加一些排气来防止鼓风机的波动。其次，在工艺排气流量较低的情况下，通过与鼓风机吸气控制阀配套工作的比例控制装置向VOG冷凝器进气口补充空气；UP3后处理厂通过向废包壳再循环空气提升装置通入空气的量来控制溶解器内的压力。

本文中的溶解排气系统的流量波动范围最大，溶解尾气的峰值气量可达平均气量的5～8倍，有必要设置补气点，维持总排气量基本稳定，以保证溶解器负压处于正常水平，保障气体净化设备特别是酸回收各塔器处于正常操作区间。

(三)设置连锁调节装置。连锁调节装置是一种广泛应用于化工生产过程的，能够按照规定的条件或程序来控制有关设备的自动操作系统。用于后处理厂工艺排气系统的连锁是设备本身正常运转或者设备之间正常联络所必须的连锁。连锁调节装置的实质在于：执行操作A是执行操作B的前提条件，执行操作B是执行操作C的前提条件等，其关系如下：

前一操作可以是一个具体的操作，也可以是与生产工艺参数(如压力、温度等)联系的自动操作。

在工艺排气系统中不少设备的正常运行都必须在一定的条件下进行，或者遵守一定的操作程序。在设备之间往往也存在相互联系、相互制约的关系，必须按照一定的程序或条件来自动控制。通过连锁调节，不但能实现上述要求，而且可以转化操作步骤，避免误操作。因此，连锁调节装置在国内外后处理厂工艺排气系统的负压调控中应用广泛。比如美国巴威尔后处理厂将高放废液排放系统的开关阀与DOG/VOG系统压力连锁，在DOG/VOG系统过压的情况下，自动切断来自高放废液的排气，并把高放废液排气转移到铀产品室。这样就保护了高放废液排放系统，并避免DOG/VOG系统压力进一步增长。

对于各工艺排气系统，应将系统末端压空喷射器的压空调节阀与喷射器进气管路负压连锁，或与系统中关键设备如淋洗塔、缓冲罐等的压力连锁(或末端风机前的气动阀门开度与排气管路负压/关键设备压力连锁)。当排气管路负压不足时，自动调大压空喷射器的压空进量或开大风机气动阀门开度，以增大排气管路负压；反之则自动调小压空喷射器的压空进量或开小风机气动阀门开度。补气点的补气量可与管路中排气流量或关键设备的压力参数连锁，自动维持排气流量的稳定或维持关键设备的正常负压。

(四)增设气体传输装置。当排气系统流程很长，净化设备过多，导致系统压降过大，排气气流不畅时，可以在过长的管路中增设气体传输装置，这也是负压调控的一种手段。比如可在工艺排气流程中间设置压空喷射器，增加气体传输动力，且压空喷射器的压缩空气可作为一种补气，并设置连锁调节装置。

综合考虑以上几种负压调控手段，溶解排气系统负压调控优化设计建议：将末端压空喷射器的压空调节阀或罗茨风机前气动阀与排气管路负压或关键设备压力连锁自调；应注意设备液封，防止出现漏气或窜气，以保证气体净化设备的负压；应设置补气点。其补气量可与管路排气流量或关键设备的压力参数建立连锁；由于压降过大，可能导致排气不畅，可以在流程中增设压空喷射器。压空喷射器的压空可作为补气，并设置连锁。

三、管路压降分析

本文选择溶解排气峰值、平均值、低负载、酸回收过程空置和酸回收过程短路等五种情形进行管路压降计算。了解不同工况下管阻大小，确保排气系统在任何工况下都能保持正常的负压水平，负压调控手段可行有效。

(一)计算前提[3]。假设管内气体是不可压缩流体，其密度保持不变；计算仅考虑一个使用点时的最大管路压降，不考虑多个使用点下的情况。

(二)管路压降计算公式。使用风机或压空喷射器输送排气的过程可以视为气力输送过程，管路的总压力损失△Pt由以下几个部分构成[4]：

△Pt=△Pa+△Pp+△Pj+△Psh+△Pw+△Pq(Pa)

式中，△Pa——纯气体(气体中不含物料)运动产生的压力损失，Pa；

△Pp——沿直管中输送气流与管壁、液滴的摩擦，液滴与管壁及液滴之间相互碰撞摩擦产生的压力损失，Pa；

△Pj——将液滴加速到稳定输送速度所产生的压力损失，主要发生在溶解器、冷凝器和弯管之后，Pa；

△Psh——在垂直管路中提升液滴时克服重力所产生的压力损失，Pa；

△Pw——弯管压力损失，主要是由流动方向改变而产生离心力作用，引起液滴沿外壁滑行所产生的压力损失，Pa；

△Pq——各主要净化设备如多管除尘器、捕集器、过滤器等产生的压力损失，Pa。

(三)不同工况下管路压力损失分析。在正常工况下，通过压空喷射器和罗茨风机的共同作用，可以维持溶解器负压在1.1KPa的设计水平，并维持整个系统的负压梯度。通过计算可以得出，罗茨风机的压头变化(29.50～31.15KPa)在5%以内，且风机的进口风量变化很小，罗茨风机稳定，系统运行平稳。

在酸回收过程出现异常工况时，系统压降变化很大，但是通过压空喷射器和罗茨风机的调节，能够维持整个系统的负压梯度处于正常水平。在这种情况下，压空喷射器的压头基本不变，能够精确维持溶解器的负压值在设计水平。而通过罗茨风机与管路的连锁，能够维持系统负压梯度，保持排气顺畅。在异常工况下，系统能够满足系统密封气载放射性物质和维持溶解负压恒定的要求。

计算数据也表明，在溶解排气系统流程中增设压空喷射器是有积极意义的。在正常工况下，压空喷射器减小了罗茨风机的工作负荷，使溶解排气流量波动很大时，罗茨风机的压头和进口风量基本保持不变，能够平稳运行；同时在异常工况下，能够通过压空喷射器，高精度地调控溶解器负压。此外，压空喷射器距离溶解器的距离更短，连锁调节的灵敏度更高。

四、系统流程设计

综合上述分析，批式溶解过程下的溶解排气系统流程设计如下：溶解排气先经过冷凝冷却器冷凝，冷凝液返回溶解器。不凝气进入多管除尘器，去除夹带的放射性液滴及初步净化放射性气溶胶。从多管除尘器出来的排气经冷却器冷却后，进入捕集器截留排气中的液滴。然后经压空喷射器补气后进入一氧化氮氧化器，大部分一氧化氮在这里与空气中的氧气发生反应并转化为二氧化氮，然后进入氮氧化物吸收塔，将氮氧化物制成硝酸。净化氮氧化物后的排气进入碱液洗涤塔，初步净化排气中的129I和14C。经吸收塔和洗涤塔后的排气中夹带液滴较多，经冷却器冷却后进入捕集器，截留排气中的液滴。排气经冷却器和捕集器捕集夹带的液滴后，再经过气体加热器加热，进入碘吸附器(附银硅胶或银八面沸石)补充除碘。除碘后的气体经冷却后，送入中效过滤器和两级高效过滤器净化排气中的气溶胶。净化后的排气经过冷却器冷却后，由罗茨风机送往厂区排风烟囱高架排放。

五、结语

本文通过对溶解排气各净化单元的分析与研究，对管路压降进行计算以及负压调控手段的分析，明确了适用于溶解排气系统的净化工艺和设置原则，得出了后处理厂批式溶解过程下的溶解排气系统优化流程。使溶解排气中的放射性蒸汽、液滴、气溶胶、氮氧化物和129I等得到有效净化，保证了工艺系统的稳定运行。对于后续后处理厂溶解排气系统的流程设计有一定的参考意义。