導(dǎo)語(yǔ)：電解催化交換工藝氫氣排放的工藝設(shè)計(jì)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)聯(lián)合電解催化交換工藝中的氫氣中的含氚水蒸氣排放進(jìn)行研究，在對(duì)比分析了兩種不同的氫氣冷凝方案的基礎(chǔ)上，提出了“雙冷凝器”的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并分析了“雙冷凝器”方案的運(yùn)行模式。

關(guān)鍵詞:聯(lián)合電解催化交換;冷凝器;氫氣排放

聯(lián)合電解催化交換工藝在水－氫同位素分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視［1－2］，因其操作溫度較低，工藝條件容易控制等特點(diǎn)，被國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(InternationalThermonuclearExperimentalReactor，ITER)選為水冷卻劑中除氚的重要技術(shù)路線［3］，同樣自日本福島核事故后，日本東京電力公司也把聯(lián)合電解催化交換工藝作為其大量含廢水除氚的備選重要技術(shù)路線。在聯(lián)合電解催化交換工藝中，含氚廢水處理后僅有很少一部分經(jīng)過(guò)富集濃縮后再進(jìn)行下一步的處理處置，而大部分則轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氫氣排放。排放的氫氣中含有飽和水蒸氣，氚以氧化形態(tài)HTO形式存在飽和水蒸氣中，其生物毒性比元素態(tài)氣體強(qiáng)10000倍［4］。因此在氫氣排放前，必須對(duì)水蒸氣進(jìn)行深度處理。一般采用冷凝的方式將蒸氣中的水冷凝，并將冷凝液輸送回工藝系統(tǒng)。本文針對(duì)氫氣中的含氚水蒸氣進(jìn)行研究，優(yōu)化確定氫氣排放工藝。

1聯(lián)合電解催化交換工藝

該工藝主要有液相催化交換塔單元和電解制氫單元兩部分構(gòu)成［1］，如圖1所示。液相催化交換塔中填裝有貴金屬疏水性催化劑和親水性填料，電解制氫單元產(chǎn)生的氫氣與催化交換塔內(nèi)向下流動(dòng)的水進(jìn)行氫同位素的交換，氚在液相水中富集，在氣態(tài)氫氣相中貧化。含氚水進(jìn)料位置將催化交換塔分為兩段，上段為貧化段，下段為富集段。天然水在貧化段頂部流下，洗脫上升的氫氣，貧氚后的氫氣在頂部排放;在富集段，含氚的進(jìn)料水與從貧化段流下來(lái)的水混合在富集段與氫氣進(jìn)行同位素交換，這樣使富集的氚水在液相催化交換塔底部濃集。

2工藝方案及分析

貧氚的氫氣從催化交換塔頂部排出。因催化交換塔的最優(yōu)反應(yīng)溫度一般維持在60～70℃，從頂部排出的氫氣中含有飽和的含氚水蒸氣，在氫氣安全排放前，需要脫除其中的水蒸氣，冷卻后的氫氣溫度為10～15℃。如果采用吸附劑吸附，將會(huì)產(chǎn)生大量的放射性廢物，一般在催化交換塔頂布置冷凝器，冷凝器采用循環(huán)冷卻水為冷卻介質(zhì)，通過(guò)冷凝使飽和水蒸氣冷凝，降低氫氣中的氚含量。為了減少對(duì)環(huán)境的排放，冷卻下來(lái)的含氚水需要回流進(jìn)入催化交換塔。2．1常用工藝方案常用的回流方式有兩種(圖2所示)，圖2(A)所示為垂直回流方式，將冷凝器垂直布置在催化交換塔的上方，冷卻的含氚水直接回流進(jìn)入催化交換塔頂。圖2(B)方式為泵回流方式，冷凝器在其他合適區(qū)域布置，冷凝的含氚水收集到儲(chǔ)液罐中，再通過(guò)泵輸送至催化交換塔。第一種方式布置簡(jiǎn)單，只需要增加單一冷凝器設(shè)備即可。該布置方式的不足主要體現(xiàn)在兩方面:(1)由于冷凝的水直接流入塔頂，水中含有一定的氚，與塔頂?shù)奶烊凰嗷旌?，因此直接影響最上面一段催化交換塔的交換效果;(2)在工藝系統(tǒng)運(yùn)行啟動(dòng)到達(dá)平衡穩(wěn)定期間，在這一段時(shí)間內(nèi)，催化交換塔頂氫氣中氚濃度可能會(huì)具有較高的水平，該較高濃度的氚一旦附著在冷卻器換熱管管壁上，難以清除，這將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)平衡時(shí)間延長(zhǎng)。第二種方式除了增加冷凝器設(shè)備外，增加儲(chǔ)液罐和液態(tài)輸送泵設(shè)備。該種布置方式增加了液體輸送泵來(lái)輸送含氚水。泵作為動(dòng)設(shè)備，如果長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，這樣就對(duì)泵的穩(wěn)定性和密封性能帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。由于泵設(shè)備故障率大且含氚水的放射性危害，經(jīng)常更換易損部件和維修將會(huì)對(duì)維修人員的健康帶來(lái)一定影響。該種方式的優(yōu)勢(shì)在于可以使回流的水在催化交換塔的對(duì)應(yīng)濃度處回流至催化交換塔2．2優(yōu)化工藝方案綜合分析比較上述兩種方案，本文提出了“雙冷凝器”的工藝布置方案，工藝流程圖如圖3所示。在該工藝方案中，A冷凝器垂直布置在催化交換塔頂部，B冷凝器布置在工藝合適位置，A冷凝器和B冷凝器既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以串聯(lián)運(yùn)行。除此之外，B冷凝器設(shè)置了清洗口(閥門(mén)V112和V113)，在B冷凝器附著較多氚的情況下，可以對(duì)B冷凝器進(jìn)行清洗，同時(shí)若采用串聯(lián)運(yùn)行可以?xún)?yōu)化調(diào)節(jié)工藝系統(tǒng)中的氫氣處理量。2．3工藝運(yùn)行方式針對(duì)雙冷凝器的工藝方案，探討其具體的運(yùn)行模式:(1)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行至平衡狀態(tài)期間，采用B冷凝系統(tǒng)(開(kāi)啟閥門(mén)V104、V107、V108、V110和V111，關(guān)閉閥門(mén)V102和V103)，冷凝后液體儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中，后經(jīng)回流泵輸送至催化交換塔。(2)系統(tǒng)穩(wěn)定后切換至A冷凝器運(yùn)行(開(kāi)啟閥門(mén)V104、V103、V102、V109和V111，關(guān)閉閥門(mén)V107、V108和V110)。B冷凝器進(jìn)行清洗后備用(開(kāi)啟閥門(mén)V112和V113進(jìn)行清洗)。(3)若A冷凝器出現(xiàn)故障或進(jìn)行維修，可以切換至B冷凝器運(yùn)行。(4)系統(tǒng)若需要增大工藝系統(tǒng)的氫氣的處理量，A冷凝器和B冷凝器可以串聯(lián)運(yùn)行(關(guān)閉閥門(mén)V107和V109閥門(mén)，開(kāi)啟相應(yīng)閥門(mén)即可)。

3結(jié)論

針對(duì)聯(lián)合電解催化交換工藝氫氣中的含氚水蒸氣安全排放，本文提出的雙冷凝器的方案設(shè)計(jì)可以避免系統(tǒng)啟動(dòng)至平衡運(yùn)行期間導(dǎo)致的高放射性水平的氚污染冷凝器的問(wèn)題，同時(shí)采用雙冷凝器，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的操作彈性，并可以?xún)?yōu)化調(diào)節(jié)工藝系統(tǒng)中氫氣的處理量。

參考文獻(xiàn)

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作者：吳棟 尹玉國(guó) 阮皓 胡石林 單位：中國(guó)原子能科學(xué)研究院