CN208077622U - 一种放射性废液结晶干燥*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种放射性废液结晶干燥的***，包括控制器、干燥箱和装料桶；还包括加热装置和收集装置；所述加热装置包括电加热器、安装在加热器加热空气出口和干燥箱底部之间管路上的第三温度传感器、安装在干燥箱顶部空气循环出口和加热器空气进口之间的第一温度传感器以及安装在装料桶顶部的第二温度传感器；本实用新型放射性废液的蒸发、结晶和干燥在同一设施内完成，不同阶段所述装料桶内物质的相态不同，以相变点作为各阶段的转换点，调整工艺参数，可以节约能量，提高效率；转换点由***自动判断，无需人工值守。***用蒸发速率值自动判断转换点和干燥终点，可以保证干燥产物的游离水含量满足要求，也可以节约能量、提高效率。
Description
技术领域
本实用新型属于放射性废物处理技术领域，具体是涉及放射性废液结晶干燥***。
背景技术
随着核电技术的发展，废物最小化已成为评价核电站先进性的一项关键指标，废物减容技术也已成为核电站三废处理领域重点关注的内容。国内运营核电站大多数采用水泥固化技术处理放射性废液，会使废液增容，既不符合放射性废物最小化的原则，也使处置费用增加。放射性废液可以利用蒸发干燥的方式进行减容处理，国内已经有相关机构开始研究。
根据传热学理论，液体的汽化按汽化方式分为蒸发和沸腾，液体表面的汽化过程称为蒸发，液体内部产生气泡的汽化过程称为沸腾。沸腾又分为大容器沸腾和管内沸腾。对于大容器饱和沸腾，温度差和气泡扰动引起流体的运动从而进行换热。在一个大气压、水的饱和温度下，大容器沸腾有如下的q-Δt曲线，其中，q为热流密度，Δt 为容器内壁和液体饱和温度的差值。
由图1可以看出，在Δt<4℃时，换热模式为自然对流工况，液体内部没有气泡产生，液体的气化靠液体表面的蒸发实现；Δt逐渐上升，且q＜qmax，换热模式为核态沸腾，液体内部逐渐有气泡产生并越来越激烈，使热流密度和换热系数均急剧增大；当Δt继续增大，由于气泡汇聚覆盖加热面，造成蒸汽排除困难，反而降低了q值，换热模式是过渡沸腾；随着Δt继续上升，q值由最低点qmin继续上升回到最高点qmax，此阶段的换热模式是膜态沸腾，热量必须要穿过壁面上形成的气膜才能传到液体，热阻较大。
国内已有的放射性废液干燥方法和化工行业在使用大容器沸腾传热原理时，都设计将溶液的沸腾维持在核态沸腾区域，以最小的功率消耗获得最大的传热效率，核态沸腾传热会造成蒸汽夹带液滴，已有的技术是通过增加过滤设备来解决蒸汽的纯净度问题。如果能将汽化维持在自然对流换热模式的温度区间内，可以避免因气泡夹带而造成的污染，这种汽化方式为一种无沸腾现象的蒸发。这种不增加处理装置就能实现废液汽化形成的蒸汽能够达到排放要求的目的处理技术，目前还未见有相关研究。
比如实用新型专利CN201110078397.2“含有放射性废弃物的处理***”、实用新型专利CN201210448593.9“一种放射性废离子交换树脂微波桶内干燥方法及装置”以及实用新型专利CN201110078992.6 “液态放射性废物处理装置”中均采用了微波加热方法，放射性废液在微波的作用下加压高温蒸发，使放射性废液内部产生大量气泡，液体始终处于沸腾状态，容易使水蒸气夹带放射性液滴，使水蒸气达不到排放要求，所以需添加后续处理设备，增加了受污染的装置。
化工行业也有采用“低温蒸发”的方法使液体汽化，原理上是降低溶液的饱和温度(沸点)从而使液体在高压、低温下汽化，实际的换热模式仍然为核态沸腾，例如实用新型专利CN201710463395.2“低沸点溶液冷热联动低温蒸发浓缩结晶***及方法”、CN201710343939.1“一种硫铵废水低温蒸发结晶装置以及工艺”等均采用了该种技术。
除了大容器沸腾传热模式以外，国内也有相关机构采用喷雾热解的方式对放射性废液进行减容处理，例如实用新型专利CN201510724603.0“放射性废液处理装置”，将高压气体和放射性废液同时注入蒸发室中，使放射性废液一边进料一边汽化，同时在蒸发室外使用高温蒸汽和电辅助加热装置对雾化后的放射性废液加热，该项设计可以提高废液的汽化效率，但只适用于液体汽化过程，放射性废液的水蒸气被处理后留下的产物难以实现进一步结晶或干燥。
实用新型内容
为了解决上述的难题，本实用新型公开了一种放射性废液结晶干燥***及其方法，用于核电站放射性废液的干燥处理，且不产生二次污染。
本实用新型公开的一种放射性废液结晶干燥的***，包括控制器、干燥箱和装料桶；还包括加热装置和收集装置；所述加热装置包括电加热器、安装在加热器加热空气出口和干燥箱底部之间管路上的第三温度传感器、安装在干燥箱顶部空气循环出口和加热器空气进口之间的第一温度传感器以及安装在装料桶顶部的第二温度传感器；所述第二温度传感器、第三温度传感器以及电加热器的温控开关与控制器电气连接；所述收集装置通过管道和装料桶顶部连接，且所述收集装置和装料桶之间安装有真空风机。
本实用新型进一步限定的技术特征为：还包括安装在装料桶顶部的液位检测仪。
进一步的，还包括安装收集装置管道上的压力传感器，所述压力传感器与真空风机电气连接。
进一步的，还包括安装在收集装置管道上的冷凝计量装置。
进一步的，还包括安装在加热器空气出入口处的第一阀门和第二阀门。
进一步的，还包括安装在加热器进口管道上的耐高温风机。
进一步的，还包括设置在干燥箱侧壁上的密封机构。
进一步的，在装料桶和收集装置之间的管道上还设置了除沫器。
本实用新型的有益效果是：本实用新型***保证了放射性废液在装料桶内保持饱和温度下的无沸腾蒸发状态，水蒸气从汽化开始就能避免夹带含污液滴，在无后续处理设施的前提下能达到排放要求，减少了受污染的装置。另外，放射性废液的蒸发、结晶和干燥在同一设施内完成，不同阶段所述装料桶内物质的相态不同，以相变点作为各阶段的转换点，调整工艺参数，可以节约能量，提高效率；转换点由***自动判断，无需人工值守。***用蒸发速率值自动判断转换点和干燥终点，可以保证干燥产物的游离水含量满足要求，也可以节约能量、提高效率。
附图说明
图1为传热理论曲线图。
图2为本实施例1、2中的放射性废液结晶干燥***的结构示意。
图3为实施例2中的温度响应曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种放射性废液结晶干燥***，具体结构和控制原理如图1、2所示：
***结构组成包括加热装置和收集装置，加热装置包括：1、电加热器，2、第一阀门，3、耐高温风机，4、第一温度传感器，5、第二温度传感器，6、自动进料闸，7、压力传感器，8、高精度液位/ 物位监测装置，9、冷凝计量装置，10、可变频真空风机，11、收集装置，12、密封机构，13、干燥箱，14、除沫器，15、提升对接装置，16、装料桶，17、第三温度传感器，18、第二阀门。
第三温度传感器17安装在电加热器1加热空气出口和干燥箱13 底部之间管路上；第一温度传感器4安装在干燥箱13顶部空气循环出口和电加热器1空气进口之间；第二温度传感器5安装在装料桶 16顶部；第二温度传感器5、第三温度传感器17以及电加热器的温控开关与***的控制器电气连接。
收集装置通过管道和装料桶16顶部连接，且真空风机10安装于收集装置和装料桶之间。高精度液位/物位检测装置8安装在装料桶 16顶部。压力传感器7安装收集装置管道上，所述压力传感器7与真空风机10电气连接。冷凝计量装置9安装在收集装置管道上。第一阀门2和第二阀门18安装在电加热器1空气出入口处。耐高温风机3安装在电加热器1进口管道上；密封机构12设置在干燥箱13侧壁上。除沫器14设置在装料桶和收集装置之间的管道上。
本实施例还公开了该实用新型的工作原理以及方法，具体如下：
第一、将装料桶16运送至所述干燥箱13中，由提升对接装置 15控制对接，密封机构12接收就位信号后将***密封，同时开启真空风机10，维持***空间的微负压。
第二、打开自动进料闸6，将放射性废液连续不断充入装料桶 16中等待加热。所述放射性废液通过自动进料闸进入所述装料桶中，自动进料闸与所述装料桶中的高精度液位/物位监测装置8联动，保证蒸发阶段所述装料桶内的液位范围可控。
第三、将第一阀门2、第二阀门18打开，耐高温风机4和电加热器1启动，空气被加热升温后进入干燥箱13中循环。高温空气进入干燥箱13里与装料桶16换热，加热废液，***控制器采集第二温度传感器测量数值，当第二温度传感器测量值达到80～90℃时，废液进入蒸发和结晶工况。
第四、电加热器1的加热程序根据第一、第二和第三温度传感器的测量值以及电加热器1自带的温控开关自动处理，以保证第三温度传感器值在150～250℃之间，使换热模式保持自然对流，以维持溶液的无沸腾蒸发。
热空气降温后离开干燥箱13，再次加热后循环进入。第一、第二温度传感器分别实时监测干燥箱13出口热空气和装料桶16出口蒸汽的温度。所述热空气被耐高温风机控制，可在所述***中密闭的空间里循环，实现节约能量的目的。
在所述放射性废液蒸发过程中，自动进料闸6由控制***控制，采集高精度液位/物位监测装置8的测量值，当监测到装料桶16 内的废液到低值80～90％时，立刻打开补充废液至高值91～95％。
第四、所述放射性废液蒸发产生的水蒸气，进入冷凝计量装置 9，对水蒸气进行冷凝、收集，并计算冷凝液的产生速率，以表征蒸发速率，通过经验数据和实际试验数据将冷凝液产生速率与物质的干燥状态进行关联，将冷凝液产生速率用于所述装料桶内物质的相态判断。***采集冷凝计量装置的冷凝液产生速率，当所述冷凝液的产生速率降低到所需干燥终点产物状态的对应值时停止加热，以达到所需要的干燥终点。所述空气逐渐冷却，并带走所述干燥产物的热量使其降温。
第五、所述第二温度传感器检测到温度达到室温时，所述密封机构解除密封状态，将固体干燥产物与装料桶一同取出。
以含盐10％的放射性废液为例，可处理的量为3m3，减容比约为 20。
最后，所述放射性废液蒸发、结晶和干燥产生的蒸汽，被***中用于调节空间微负压的真空风机带走，对所述蒸汽冷凝、计量以及检测之后进行收集或排放，防止可能含污的水蒸气泄露至空气中。
本实用新型是通过建立干燥箱内热空气-装料桶-介质的传热模型，得到热空气温度与热流量之间的关系，在多次试验过程中对废液的表面现象实时观察，修正热空气-装料桶-介质的传热模型，选择能实现无沸腾蒸发的的空气温度区间，选择最佳值作为电加热器的控制温度，实现蒸发和结晶过程的无沸腾蒸发。
本具体实施例中设置3处温度监控点，干燥箱热空气进口即第三温度传感器、干燥箱热空气出口即第一温度传感器、装料桶顶部气体温度即第二温度传感器来监测实施运行温度。通过实时调节电加热器的实际运行功率，来控制温度，使其满足设计条件。第三温度传感器的测量值用来控制电加热器，第一和第二温度传感器用于监测和校核工作状态。
本实施例中的电加热器采用PID控制和可变硅技术对进入干燥箱的空气温度进行精确控制，第三温度传感器采集到温度信号后，反馈给电加热器，根据实际温度值与设定值之间的差值进行PID计算，输出脉冲信号控制可控硅调功器改变加热功率，能保证空气的温度控制精度高。
在加热阶段，空气由室温逐渐加热，实际的温度响应曲线如附图3所示，由于空气在升温过程中，放射性废液的温度远不到饱和温度，所以即使热空气的温度由于热惯性会出现高于设定值的波动，也不会造成废液沸腾；在蒸发和结晶阶段，废液已经达到饱和温度，根据换热理论计算和试验时的废液表面状态的实时观察，将第三温度传感器的控制值设定在无沸腾蒸发对应的温度区间的中间值，即使因热惯性造成第三温度传感器的测量值大于设定值，也能满足无沸腾蒸发的要求。该温度区间为既能实现蒸发速率最大，又能保证废液的无沸腾蒸发的要求。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种放射性废液结晶干燥***，包括控制器、干燥箱和装料桶；其特征在于：还包括加热装置和收集装置；所述加热装置包括电加热器(1)、安装在加热器加热空气出口和干燥箱底部之间管路上的第三温度传感器(17)、安装在干燥箱顶部空气循环出口和加热器空气进口之间的第一温度传感器(4)以及安装在装料桶顶部的第二温度传感器(5)；所述第二温度传感器、第三温度传感器以及电加热器的温控开关与控制器电气连接；所述收集装置通过管道和装料桶顶部连接，且所述收集装置和装料桶之间安装有真空风机(10)。
2.根据权利要求1所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括安装在装料桶顶部的液位检测仪(8)。
3.根据权利要求2所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括安装收集装置管道上的压力传感器(7)，所述压力传感器与真空风机电气连接。
4.根据权利要求3所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括安装在收集装置管道上的冷凝计量装置(9)。
5.根据权利要求4所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括安装在加热器空气出入口处的第一阀门(2)和第二阀门(18)。
6.根据权利要求5所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括安装在加热器进口管道上的耐高温风机(3)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：还包括设置在干燥箱侧壁上的密封机构(12)。
8.根据权利要求7所述的放射性废液结晶干燥***，其特征在于：在装料桶和收集装置之间的管道上还设置了除沫器。
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