CN107705867A - 一种含氚水的去氚化处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含氚水的去氚化处理装置及方法，为核电站含氚水处理工艺匮乏的问题提供了一个可靠的解决方案。本发明的装置包括进料***、水精馏单元、级联***、联合电解催化交换单元、氚水储存容器和热泵节能***。采用了两级处理工艺，以水精馏作为初级贫化及减容工艺，实现大容量低浓含氚水的达标排放贫化；以联合电解催化交换工艺作为次级高效减容工艺，实现不同倍数的含氚水贫化和减容处理。本发明的方法具有流程简单、装置操作便捷、***稳定性好、减容及贫化因子高的优点，能够有效实现含氚水的贫化和减容处理，具有广泛的工程应用价值。

Description

一种含氚水的去氚化处理装置及方法

技术领域

本发明属于核废料处理技术领域，具体涉及一种含氚水的去氚化处理装置及方法。

背景技术

随着国家发展和环境保护的需要，核能将会在我国能源领域扮演越来越重要的作用。同时，也必须清醒的认识到，虽然核能相比化石能源更为环保和绿色，但核能在提供巨大能量的同时也不可避免的产生一定数量的放射性废物，而且随着核电规模的扩大，随之产生的放射性废物也会逐渐增加。由于放射性废物的特殊性，一直受到普遍关注。

含氚废水是其中一个重要方面。压水堆型核电机组中的氚主要是在核反应中产生的，一部分是在核燃料元件在核裂变过程中产生并通过包壳渗透到一回路，另一部分是一回路冷却剂中的微量物质如B、Li和D等在中子作用下形成。对于一座百万千瓦的核电站，其氚排放量为70TBq/a，其中氚在废水中以HTO形式存在。对于AP1000堆型机组，一回路冷却剂中氚主要以反应堆冷却剂***流出液的形式进入废液处理***(WLS)。

氚带有放射性，会发生β衰变，其半衰期长达12.43年。虽然我国国标《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》将氚列入低毒性放射性核素，但这并不意味氚的危害可以被忽略。液态氚（HTO/T₂O）的放射性毒性比气态氚（HT/T₂）高10000倍，可通过消化道、呼吸道和损伤的皮肤进入体内，长期或超量蓄积在体内，可引起慢性内照射放射病。

由于现有核电站中缺乏对含氚废水的处理装置，常规放射性核素的去除手段如吸附、过滤、蒸发、离子交换、膜技术等几乎不可能将HTO与H₂O分离出来，大部分氚最终被排放到环境之中。随着核电建设规模的日益增长，含氚废水排放量也将逐渐增加。尤其是随着内陆核电站的建设提到日程，含氚废水的问题将会日益突出。由于内陆水体稀释能力相对沿海核电站较弱，发展内陆核电站首先要考虑的是大量低浓含氚废水的排放对环境的影响或者直接对饮用水的污染问题。

美国环保署制定的饮用水中氚含量上限为740Bq/L，我国最近发布的GB6249-2011规定，内陆核电站排放口一千米处受纳水体中(除氚和碳-14)总β放射性不超过1Bq/L，氚浓度不超过100Bq/L，同时对氚的年总排放量提出要求（液态流出物75TBq/a，气态流出物15TBq/a）。核电站含氚水氚浓度一般比饮用水控制的氚浓度上限高几个量级，因此内陆核电站产生的大量含氚水不能采用滨海核电站的直接排放方式，对含氚废水的关注程度也日益提高。在目前水资源短缺且环境保护标准日益严格的形势下，对含氚废水进行处理的需求日益强烈。

核电站含氚废水具有浓度低、处理量大的特点，同时对处理工艺的减容因子、安全性和经济型也有很高的要求。目前已公开的含氚水处理工艺多是用于含氚重水的处理，且多为氚的稀释过程，需要大量的氢气置换水中的氚，后端的氢同位素分离单元的处理压力和能耗巨大。因此，能够满足核电站大容量含氚废水处理要求的工艺目前仍然匮乏。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种含氚水的去氚化处理装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种含氚水的去氚化处理方法。

本发明的含氚水的去氚化处理装置，包括进料***、水精馏单元、级联***、联合电解催化交换单元、氚水储存容器和热泵节能***，所述的进料***的与水精馏单元的进口连通，所述水精馏单元的塔釜采出口与级联***的进口连通，所述级联***的出口与联合电解催化交换单元的进口连通，所述联合电解催化交换单元底部出口与氚水储存容器的进口连通，所述精馏单元顶部与热泵节能***连通。

所述的进料***由进料泵和泡点进料控制器组成，进料泵出口与泡点进料控制器的入口连通。

所述的水精馏单元由精馏装置和真空***组成，真空***由水环真空泵和低温冷阱组成；所述的热泵节能***由压缩机和换热器组成；所述的精馏装置的顶部与压缩机的进口连通，压缩机的出口与换热器的管程进口连通，精馏装置的底部与换热器的壳程进口连通，换热器的壳程出口与精馏装置底部入口连通，换热器的管程出口与三通连接，三通的一端与精馏装置顶部回流入口连通，三通的另一端排放达标的贫化氚水；所述的水环真空泵的抽气口与低温冷阱的出口连通，低温冷阱的入口与换热器壳程连通。

所述的联合电解催化交换单元由催化交换柱、氚水电解浓集装置及氢氧复合器组成；所述的催化交换柱底部的气体入口与氚水电解浓集装置的氢气端出口连通，催化交换柱底部的液体出口与氚水电解浓集装置的液体进料口连通；所述的催化交换柱顶部的气体出口与氢氧复合器的氢气端入口连通，催化交换柱顶部的液体入口与氢氧复合器的液体出口连通；所述的氚水电解浓集装置的氧气端出口与氢氧复合器的氧气端入口连通；所述的催化交换柱内的催化剂与填料相间填装。

本发明的含氚水的去氚化处理方法，包括以下步骤：

a.含氚水经由进料***预热后进入水精馏单元；

b.含氚水在水精馏单元内实现精馏分离过程后，顶部蒸汽进入热泵节能***，底部留存的一级浓缩含氚水达到处理技术指标要求后，经由级联***进入联合电解催化交换单元；

c.一级浓缩含氚水在联合电解催化交换单元内发生氢同位素交换反应，得到二级浓缩含氚水；

d.当二级浓缩含氚水满足达到处理技术指标要求后，直接进入氚水储存容器。

所述的步骤a中，含氚水预热温度通过泡点进料器控制，实现稳定的泡点进料。

所述的步骤b中，精馏装置为负压操作，负压条件由水环真空泵提供，通过低温冷阱实现水环真空泵前含氚蒸汽捕获收集，通过热泵节能***回收塔顶低温蒸汽的潜热，通过调节回流比控制塔顶贫化氚水中氚的浓度。

所述的步骤c中，一级浓缩含氚水在催化交换柱内与氚水电解浓集装置产生的含氚氢气逆流接触，发生氢同位素交换反应，该反应是在有催化剂的条件下进行。

所述的步骤c中，催化交换柱顶部的贫化含氚氢气进入氢氧复合器与氚水电解浓集装置产生的氧气反应，得到贫化含氚水，贫化含氚水作为洗涤水，由氢氧复合器的底部进入催化交换柱的顶部，与催化交换柱底部上升的含氚氢气发生氢同位素交换反应，进一步使氚向液相中浓集。

本发明的含氚水的去氚化处理装置，是基于水精馏和联合电解催化交换级联的含氚水中氚的贫化和浓缩工艺设计的。其设计原理在于，含氚水通过进料***预热后进入水精馏单元，在水精馏单元内轻组分H₂O在塔顶富集形成可排放的贫化氚水，重组分HTO在塔釜富集，形成一级浓缩含氚水，H₂O和HTO得以分离；一级浓缩含氚水经由级联***进入联合电解催化交换单元，在氚水电解浓集装置中被电解成H₂/HT和O₂，H₂/HT进入催化交换柱与一级浓缩氚水和顶部洗涤水逆流接触，发生氢同位素交换反应，从而实现了一级浓缩液中的H元素向气相中转移，达到氚水二次高效浓缩的目的。

本发明的含氚水的去氚化处理装置中通过进料***的泡点进料器实现稳定的泡点进料，可以避免进料状态不稳定对精馏分离效果产生影响；通过减压操作，能够提高含氚水在水精馏单元中的分离效果，同时降低含氚水向外泄漏的风险；通过使用水环真空泵和低温冷阱，能够避免在提供真空条件时，真空***将含氚蒸汽排至环境中，避免对环境产生污染；通过热泵节能***，能够回收低温蒸汽潜热，起到显著节能效果，相较传统精馏技术节能85%以上；通过使用催化剂，能够在温和条件下显著提高气相与液相氢同位素交换反应效率，减少联合电解催化交换单元的能耗。

本发明的含氚水的去氚化处理装置和方法针对核电站含氚废水浓度低、处理量大的特点，利用了多种适用于该物系分离的技术原理，建立了设计合理、构思巧妙的含氚水去氚化的装置，该装置可根据不同的处理需求，实现不同倍数的含氚水贫化和减容处理，具有流程简单、装置操作便捷、***稳定性好、减容及贫化因子高的优点，该方法能够实现含氚水贫化和减容处理，具有广泛的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的含氚水的去氚化处理装置的结构示意图；

图中，1.进料*** 11.进料泵 12.泡点进料器 2.水精馏单元 21.精馏装置 22.真空*** 221.水环真空泵 222.低温冷阱 3.级联*** 4.联合电解催化交换单元 41.催化交换柱 411.催化剂 412.填料 42.氚水电解浓集装置 43.氢氧复合器 5.氚水储存容器 6.热泵节能*** 61.压缩机 62.换热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明的含氚水的去氚化处理装置包括进料***1、水精馏单元2、级联***3、联合电解催化交换单元4、氚水储存容器5和热泵节能***6，所述的进料***1的与水精馏单元2的进口连通，所述的水精馏单元2的塔釜采出口与级联***3的进口连通，所述的级联***3的出口与联合电解催化交换单元4的进口连通，所述的联合电解催化交换单元4底部出口与氚水储存容器5的进口连通，所述的精馏单元2顶部与热泵节能***6连通。

所述的进料***1由进料泵11和泡点进料器12组成，进料泵11出口与泡点进料器12的入口连通。

所述的水精馏单元2由精馏装置21和真空***22组成，真空***22由水环真空泵221和低温冷阱222组成；所述的热泵节能***6由压缩机61和换热器62组成；所述的精馏装置21的顶部与压缩机61的进口连通，压缩机61的出口与换热器62的管程进口连通，精馏装置21的底部与换热器62的壳程进口连通，换热器62的壳程出口与精馏装置21底部入口连通，换热器62的管程出口与三通连接，三通的一端与精馏装置21顶部回流入口连通，三通的另一端排放达标的贫化氚水；所述的水环真空泵221的抽气口与低温冷阱222的出口连通，低温冷阱222的入口与换热器62壳程连通。

所述的联合电解催化交换单元4由催化交换柱41、氚水电解浓集装置42及氢氧复合器43组成；所述的催化交换柱41底部的气体入口与氚水电解浓集装置42的氢气端出口连通，催化交换柱41底部的液体出口与氚水电解浓集装置42的液体进料口连通；所述的催化交换柱41顶部的气体出口与氢氧复合器43的氢气端入口连通，催化交换柱41顶部的液体入口与氢氧复合器43的液体出口连通；所述的氚水电解浓集装置42的氧气端出口与氢氧复合器43的氧气端入口连通；所述的催化交换柱41内的催化剂411与填料412相间填装。

下面对本发明的工作过程进行详细介绍：

a.氚浓度为1.5×10⁷Bq/L的含氚水经由进料***1预热后进入水精馏单元2，本实施例中，含氚水进料位置在精馏装置21中部，通过泡点进料器12使进料温度保持在44℃；

b.含氚水在水精馏单元2内实现精馏分离过程后，顶部蒸汽进入热泵节能***6，底部留存的一级浓缩含氚水达到处理技术指标要求后，经由级联***3进入联合电解催化交换单元4；

该步骤中，精馏装置21的塔板数为120块，在绝对压力8-10kPa的条件下操作，通过操作温度为-30℃的低温冷阱222实现水环真空泵221前含氚蒸汽捕获收集，通过热泵节能***6回收塔顶低温蒸汽的潜热，塔顶的操作温度为42℃，回流比设置为为25，使塔顶贫化氚水中氚的浓度降低至1.5×10⁶Bq/L，采出量为进料量的90%，底部留存的浓缩的氚水在氚浓度为1.36×10⁸Bq/L进行采出，一级浓缩氚水采出量为进料量的10%，一级减容因子为10。

c.一级浓缩含氚水在联合电解催化交换单元4内发生氢同位素交换反应，得到二级浓缩含氚水；

该步骤中，进料口在催化交换柱41的1/4处，柱操作温度为55℃，操作压力为120kPa。在氚水电解浓集装置42中产生的HT/H₂从催化交换柱41底部进入，自下而上与一级浓缩氚水和顶部洗涤水逆流接触，在催化剂411的催化作用下，发生氢同位素交换反应，柱内催化剂411采用Pt-SDB疏水催化剂；催化交换柱41顶部的贫化含氚氢气进入氢氧复合器43与氚水电解浓集装置42产生的氧气反应，得到贫化含氚水，氢氧复合器的操作温度为80℃；贫化含氚水作为洗涤水，由氢氧复合器43的底部进入催化交换柱41的顶部，与催化交换柱41底部上升的含氚氢气发生氢同位素交换反应，进一步使氚向液相中浓集，最终得到二级浓缩含氚水。

d.当二级浓缩含氚水满足达到1.36×10¹⁰Bq/L时，直接进入氚水储存容器5，采出量为进料量的1%。

经过上述步骤处理后，含氚水贫化因子为10，减容因子为1000。

综上所示，本发明充分利用了水精馏工艺和联合点解催化交换工艺的优点，并高效的将其进行了结合，在处理低浓度含氚水时，可以很好地将含氚水中的氚贫化，使之可以达标排放，同时可以很好的将氚水进行减容，大大降低浓氚水的后续处理和处置的时间和费用。因此，本发明能够有效解决核电站含氚废水处理工艺匮乏的问题。

上述实例仅为本发明较佳的实施例之一，并不局限于上述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种含氚水的去氚化处理装置，其特征在于，包括进料***（1）、水精馏单元（2）、级联***（3）、联合电解催化交换单元（4）、氚水储存容器（5）和热泵节能***（6），所述的进料***（1）的与水精馏单元（2）的进口连通，所述水精馏单元（2）的塔釜采出口与级联***（3）的进口连通，所述级联***（3）的出口与联合电解催化交换单元（4）的进口连通，所述联合电解催化交换单元（4）底部出口与氚水储存容器（5）的进口连通，所述精馏单元（2）顶部与热泵节能***（6）连通。

2.根据权利要求1所述的含氚水的去氚化处理装置，其特征在于，所述的进料***（1）由进料泵（11）和泡点进料器（12）组成，进料泵（11）出口与泡点进料器（12）的入口连通。

3.根据权利要求1所述的含氚水的去氚化处理装置，其特征在于，所述的水精馏单元（2）由精馏装置（21）和真空***（22）组成，真空***（22）由水环真空泵（221）和低温冷阱（222）组成；所述的热泵节能***（6）由压缩机（61）和换热器（62）组成；所述的精馏装置（21）的顶部与压缩机（61）的进口连通，压缩机（61）的出口与换热器（62）的管程进口连通，精馏装置（21）的底部与换热器（62）的壳程进口连通，换热器（62）的壳程出口与精馏装置（21）底部入口连通，换热器（62）的管程出口与三通连接，三通的一端与精馏装置（21）顶部回流入口连通，三通的另一端排放达标的贫化氚水；所述的水环真空泵（221）的抽气口与低温冷阱（222）的出口连通，低温冷阱（222）的入口与换热器（62）壳程连通。

4.根据权利要求1所述的含氚水的去氚化处理装置，其特征在于，所述的联合电解催化交换单元（4）由催化交换柱（41）、氚水电解浓集装置（42）及氢氧复合器（43）组成；所述的催化交换柱（41）底部的气体入口与氚水电解浓集装置（42）的氢气端出口连通，催化交换柱（41）底部的液体出口与氚水电解浓集装置（42）的液体进料口连通；所述的催化交换柱（41）顶部的气体出口与氢氧复合器（43）的氢气端入口连通，催化交换柱（41）顶部的液体入口与氢氧复合器（43）的液体出口连通；所述的氚水电解浓集装置（42）的氧气端出口与氢氧复合器（43）的氧气端入口连通；所述的催化交换柱（41）内的催化剂（411）与填料（412）相间填装。

5.一种含氚水的去氚化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.含氚水经由进料***（1）预热后进入水精馏单元（2）；

b.含氚水在水精馏单元（2）内实现精馏分离过程后，顶部蒸汽进入热泵节能***（6），底部留存的一级浓缩含氚水达到处理技术指标要求后，经由级联***（3）进入联合电解催化交换单元（4）；

c.一级浓缩含氚水在联合电解催化交换单元（4）内发生氢同位素交换反应，得到二级浓缩含氚水；

d.当二级浓缩含氚水满足达到处理技术指标要求后，直接进入氚水储存容器（5）。