引言

　　高放废液蒸发处理是乏燃料后处理厂的重要环节，其基本原理是借助外部加热能使溶液的部分溶剂被汽化，经过冷凝冷却后成为含不挥发溶质较少的二次蒸汽冷凝液而得到净化。剩余溶质因保留在较少的溶剂中成为蒸发残液而得到了浓缩。因此，通过高放废液蒸发处理，可减少需要玻璃固化处理的高放废液的体积。

　　对放射性废水来说，水是溶剂，硝酸、盐、碱和放射性物质是溶质。在蒸发过程中，水不断被汽化成为二次蒸汽从蒸发器排出，放射性物质等不被汽化而保留在溶液中，因而得到浓缩，实际上因为雾沫的夹带以及废水中含有易挥发的放射性裂变产物，所以二次蒸汽仍夹带有一定量的放射性物质。蒸发器的选型及设计都会影响到高放废液蒸发系统的稳定运行，也会影响二次蒸汽的雾沫夹带量，进而影响二次蒸汽的比活度。

　   蒸发器类型 

　　自然循环式蒸发器

　　自然循环式蒸发器分卧管蒸发器和立式蒸发器两种。

　　卧管蒸发器早期在民用化工行业中广泛地使用。在废水处理中，当厂房高度受到较大限制时，可采用这种类型的蒸发器。这种类型的蒸发器有卧式圆筒形外壳，蒸汽在卧式管道内流动，而废液在管道外面流动。

　　因为它的汽—液分离表面与外壳直径的比值最大，所以产生雾沫很少。卧式直管蒸发器的造价非常低，但不适用于处理易结垢的废液和易起泡的废水，立式蒸发器现已得到广泛应用。

　　这种蒸发器的主体通常为一圆筒，其加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的中央循环管。在立式蒸发器中，加热蒸汽从沸腾管之间的蒸汽空间上部送入，而蒸汽冷凝液则从下部排出。

　　当通入蒸汽加热时，由于加热管内液体的相对密度小，加热管与中央循环管内液体之间产生密度差，这种密度差使得溶液自中央循环管下降，再由加热管上升的自然循环流动。密度差越大，管子越长，溶液的循环速度越大。

　　由于有中央循环管和较大的蒸汽空间，可使溶液进行有组织的循环(可达几十次)。但这类蒸发器由于受总高度限制，加热管长度较短。

　　此外，立式蒸发器的蒸发室可设置分离挡板，以便分离废水蒸发生成的二次蒸汽所夹带的液滴。

　　立式中央循环管蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上的应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低，设备的清洗和检修也不方便。可应用这种形式的蒸发器来蒸发含少量起泡物质的废水。

　　对于含较大量起泡物质的废水蒸发，可采用外加热式自然循环蒸发器(见图1)。蒸发器主要由加热室和分离室两部分组成，蒸汽通入加热室，加热使液体沸腾汽化;分离室主要是实现二次蒸汽和所夹带雾沫液滴的分离，避免放射性进入尾气处理系统，可提高蒸发器的净化系数。

　　外加热式自然循环蒸发器主要有以下两个特点：

　　(1)加热管较长，加热强度较高，从而提高了设备的处理能力;

　　(2)加热室和分离室分开设置，可以降低蒸发器的总高度，有利于厂房布置。但是自然循环蒸发器不宜处理黏度大、易结垢及有大量析出结晶的溶液。

　　图1 外加热式蒸发器

　　强制循环蒸发器

　　对于黏度大、易结垢及有大量析出结晶的溶液，可采用强制循环型蒸发器。这种蒸发器是利用循环泵使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可调节。由于废水在管内流速较高，可以有效减少结垢物质的沉积，强制循环蒸发器适合于处理易结垢的废水。

　　强制循环式蒸发器的选择，取决于造价、液体循环的动力费用和可能达到高的传热系数等各方面的经济平衡。循环泵的维修工作必须进行直接操作，因而不适用于处理放射性废液。

　　釜式蒸发器

　　釜式蒸发器虽然现在在民用化工行业已很少应用，但在核化工领域却常常使用，尤其适用于处理小型核设施中的少量放射性废液。

　　釜式蒸发器的加热釜可以采用蒸汽加热套锅，也可以在釜内安装蒸汽盘管或U形管。釜式蒸发器结构简单，可用于简单的批式蒸发。

　　法国的阿格后处理厂的高放废液蒸发浓缩采用的就是釜式蒸发器，在釜式蒸发器中进行浓缩和甲醛脱硝。蒸发器由反应釜和净化段组成，反应釜外部有加热夹套，净化段顶部设有泡罩塔。蒸发器外部夹套中通入过热水加热，加热夹套最高点均显著低于液位，以防出现任何过热点。

　　热泵蒸发器

　　热泵蒸发器按其工作原理可分为机械压缩式和蒸汽喷射压缩式两种。

　　机械压缩式热泵蒸发处理放射性废水的基本原理如图2(a)所示。废水经热交换器预热后进入蒸发器被蒸发浓缩，二次蒸汽经压缩机压缩，后返回蒸发器加热室中，作为加热蒸汽再次利用，料液被加热后又变成二次蒸汽，后者再进入压缩机压缩。如此不断循环，通过热泵蒸发器二次蒸汽热能循环利用，从而达到节能目的。

　　图2 热泵蒸发原理图

　　蒸汽喷射压缩式热泵蒸发器是采用蒸汽喷射器来代替压缩机，基本原理如图2(b)所示。使用蒸汽喷射泵，以少量高压蒸汽为动力，将部分二次蒸汽压缩并混合后，一起进入加热室进行加热。

　　蒸汽喷射压缩式热泵蒸发器只有在有高压蒸汽时才可使用。蒸发器排出的冷凝水是锅炉蒸汽和蒸发器含有冷凝水蒸气的混合物，后一种蒸汽一般为放射性沾污，当重复用作锅炉用水时，必须进行纯化处理。

　　蒸汽喷射器的效率比机械压缩机的效率低，但其起始费用低，能够处理大量的蒸汽，没有转动部分。使用蒸汽喷射器可以降低必须在低温下工作的蒸发器的费用。热泵蒸发器耗能低、净化效果好、浓缩倍数大、装置结构紧凑、操作简便、安全可靠、易于实现自动化。

　　但由于压缩机属于机械设备，需要人员直接维修，因此，热泵蒸发器不适用于高放废液蒸发处理。

　　英国核武器机构股份公司(AWE)在奥尔德玛斯顿村(Aldemaston)的废水处理厂，废水经粗过滤和预热之后，采用压缩蒸发和反渗透膜法处理，净化水经检测合格后排放。

　　高放废液蒸发器的选型设计

　　高放废液的特点

　　后处理厂的高放废液主要来源于乏燃料后处理第一萃取循环产生的萃残液(水相)，因此，高放废液含有微量核物质(Pu、Ru等)，含有一定量的盐分、极少量的TBP等，还含有一定浓度的硝酸(2～3 mol/L)，具有放射性水平高、毒性大、衰变热高的特点。有机物质会使溶液的表面张力减小，因此在高放废液蒸发过程中会发生起泡现象。

　　抗腐蚀性能方面

　　由于高放废液硝酸的浓度最高可达到2～6 mol/L，高放废液蒸发器在运行时处于沸腾硝酸环境，这对蒸发器的材料有较高的要求。

　　日本东海村后处理设施曾使用uranous-65材料作为高放废液蒸发器的材料，但后来出现穿孔腐蚀现象。日本、巴西、印度等国家对Zr合金、Ti合金和难熔金属进行开发，并对γ射线辐照对设备用材料在硝酸中腐蚀行为的影响进行了研究。发现Zr基合金在沸腾硝酸环境中耐蚀性能非常优良，但对应力腐蚀裂纹具有敏感性。Ti基合金在含有氧化性离子的沸腾硝酸环境中，耐蚀性能非常优良，且对应力腐蚀开裂不敏感。

　　核二院与西北有色金属研究院合作研究开发的Ti35合金(性能与日本Ti-5Ta合金相当)，核动力院对Ti35合金腐蚀性能进行了研究，研究结果表明“Ti35钛合金在动力堆乏燃料模拟溶解液中腐蚀抗力明显优于低碳奥氏体不锈钢，其均匀腐蚀速率远低于设计指标(0.13 mm/a)，材料对应力腐蚀和缝隙腐蚀也具有优良的腐蚀能力，同时腐蚀对材料力学性能基本没有影响，因此Ti35合金是后处理溶解器优良的候选结构材料”。

　　净化效果方面

　　高放废液蒸发不仅要减少需要玻璃固化处理的高放废液的体积，而且要求系统最终的冷凝液达标可复用。这就要求蒸发器在蒸发的同时，需要对二次蒸汽有一定的净化效果。

　　二次蒸汽的放射性主要原因液面起泡和雾沫夹带。

　　(1)减少和消除泡沫有两种方法。一是除去废液中的起泡物质，主要是TBP、肼等，高放废液送入蒸发系统之前须进行除油、除肼操作。二是通过正确的操作控制，控制蒸发强度抑制泡沫的形成。

　　(2)减少雾沫夹带的方法也有两个，一是合理设计蒸发器，使沸腾液面与二次蒸汽出口之间留有足够的高度，防止较大的液滴被气流带出;二是控制蒸发速率，使蒸汽带出的雾滴尽可能减少。

　　我国已运行某核设施高放废液蒸发采用自然循环式蒸发器，在调试中，出现“暴沸”，造成尾气系统受到污染，经分析主要是由于蒸发器蒸发强度过大，蒸发速率较快，分离空间不够导致，因此，法国、日本、德国等后处理厂高放废液蒸发器均选择蒸发截面积较大的釜式蒸发器，同时在设计时，要考虑足够的分离空间。

　　蒸发器顶部设置净化装置除去夹带的雾沫，在德国对筛板塔净化效果的研究使用较多，美国、法国则多采用泡罩塔，在塔板上面加高效填料;日本多采用金属丝网为主的填料柱;我国则多采用泡罩塔或金属丝网净化器。

　　结构设计方面

　　反应釜将夹套作为传热装置在化工行业很常见，夹套有很多类型，比较常见的夹套有空心夹套、螺旋挡板夹套、装有喷嘴的夹套和螺旋半圆管型夹套。螺旋半圆管夹套式反应器与普遍采用的普通夹套式反应器相比，有如下优点：(1)结构紧凑，可提高釜体承载能力，降低设备材料费用;(2)提高传热效率，减少能量消耗。

　　因此，对于高放废液蒸发器，建议采用螺旋半圆管夹套作为其换热夹套，半圆管夹套反应釜夹套设计分为封头和釜体两部分，半圆管在釜体和封头上的设计示意图见图3。

　　图3 半圆管在釜体和封头上的设计示意图

　　操作安全方面

　　国外后处理厂的“红油”爆炸事故主要发生在高放废液蒸发器中，蒸发器爆炸是由于其中有机物(TBP)和硝酸盐在130℃或者更高温度下，可能剧烈分解，最终导致过压而发生爆炸。俄罗斯和美国后处理厂就多次发生过“红油”爆炸事故。

　　因此，高放废液蒸发器的稳定运行需要设置安全可靠的检测与控制措施，包括：

　　(1)采用0.3 MPa饱和蒸汽加热，避免蒸发器温度过高达到“红油”爆炸温度;

　　(2)蒸发器的温度与蒸汽管路气动阀门联锁，当温度达到110℃时报警，同时联锁关闭蒸汽管线气动阀门，停止蒸汽加热;

　　(3)控制进入高放废液蒸发器的废液中TBP含量;

　　(4)控制蒸发器内料液酸度。

　　综上，汲取国际成熟的经验并结合我国的具体实践，选择Ti-35材质的釜式蒸发器作为高放废液处理的主要设备，采用绝压0.3 MPa饱和蒸汽加热。为了减少二次蒸汽的雾沫夹带，对釜式蒸发器的净化装置进行了优化设计，在釜式蒸发器的分离段设计旋风分离器和泡罩塔，顶部增加折板除沫器。

　　结语

　　本文在对国外后处厂蒸发器调研的基础上，结合国内已有的工程应用经验，根据常用的几种类型的蒸发器的优缺点和适用条件，结合高放废液的特点，对高放蒸发器进行合理选型，并进行了初步设计，对今后我国后处理厂高放蒸发器的选型设计具有参考价值。

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