鈾濃縮蒸發器改進措施研究

任紅平（中國四○四有限公司第三分公司，甘肅 蘭州732850）

在許多國外后處理廠蒸發器是實現鈾濃縮操作的基本設備。而在諸多蒸發器型式中，鈾濃縮及廢液蒸發的過程一般采用外加熱蒸發器較為普遍[1]。它具有造價低廉，傳熱效果好，處理量大等優點[2]。

鈾濃縮蒸發器采用外加熱式蒸發器，是鈾尾端關鍵設備之一，擔負著為流化床、電解槽供料的重要任務。通過試驗發現問題，如液位顯示不穩定，冷凝液溫度較高等，針對問題進行了技術改進，并取得了較好的效果。

1 設備及原理

圖1 外加熱式蒸發器結構示意圖

外加熱式蒸發器主要是由加熱室和分離室兩大部分構成，料液從進料口加入，液位加至中央循環管中線時，停止加料通入蒸汽，加熱蒸汽走殼程，料液走管程。由于熱溶液的比重小于冷溶液，加熱沸騰的料液在管束內不斷上升，而冷料液不斷補充，形成自然循環。沸騰的料液進入分離室后，二次蒸汽從料液中溢出，并夾帶有大量霧沫。二次蒸汽在容積較大的分離空間慢慢上升，夾帶的霧沫相互碰撞，匯集成較大的液滴，在自身重力的作用下墜落而與二次蒸汽分離[3]。通過此過程的不斷進行，不易揮發的物質會在蒸發器內不斷積累，促使料液濃度不斷上升，最后達到工藝中需求的濃度。

2 試驗內容及方法

供料罐備好需要鈾濃縮蒸發試驗的冷鈾料液，檢查相關的蒸汽及壓空供給及設備、儀表正常后，在設計的×××kgU/d 處理量下按照操作規程啟動蒸發器及系統相關設備。鈾濃縮蒸發器啟動后，記錄蒸發系統各控制監測點的起始數據。每隔一段時間記錄一次蒸發器內壓力、溫度、液位、密度等參數，并記錄開始加熱后各參數值的變化情況。注意觀察蒸發器內液位、壓力、密度顯示值的穩定性，若液位、密度顯示值不穩定，波動超過5%則適當調整加熱蒸氣進氣調節閥以保證其運行穩定；并在運行中關注二次蒸汽冷凝水溫度和絲網除沫器壓差的變化情況。

3 試驗數據分析及發現問題

在試驗過程中，蒸發器液位控制在原設計的400mm，首先打開冷凝水及冷卻水閥門，開啟二次蒸汽冷凝冷卻器和壓空噴射器，當蒸發器液位充至400mm 關閉計量泵（鈾濃縮蒸發器液位控制在原設計的400mm），之后開啟加熱蒸汽閥門使蒸發器內物料升溫，等到蒸發器液位開始下降時再啟動進料劑量泵運行。

從以上數據表明蒸發器在蒸發濃縮硝酸鈾酰時，液位在290mm～670mm之間，與設計的400mm相比較，變化幅度較大；密度指示波動較大，不能反映濃縮液的真實密度。溫度指示不能滿足運行要求，溫度最高只能達到102.9℃；蒸發器壓力滿足設計要求，但冷凝冷卻器冷凝液溫度高于設計的40℃，最高達到58.3℃不滿足要求。

4 試驗問題分析及改進

4.1 液位、密度測量的改進

從試驗結果可以看出鈾濃縮蒸發器的液位和密度波動較大。鈾濃縮蒸發器原設計的測量液位的吹氣管線為a 管和c管，測量密度的吹氣管線為b管和c管。經分析，密度波動較大的原因主要是由于測量密度的兩根吹氣儀表管b管和c管管口位差較小，僅為100mm。通過改進重新安裝了吹氣儀表管c管，將測量密度的兩根吹氣管管口位差由100mm增大到750mm，吹氣管c 加長部分見圖3 中虛線部分。改進后由于吹氣管c 管比原管長度增加了650mm，因此液位達到中央循環管中心線時的液位也由原來的400mm 改為1050mm。在今后的試驗中，液位采用1050mm作為控制值。鈾密度測量的公式可知g、H均是定值，ρ值的變化只與ΔP的變化有關。增加了吹氣測量管之間的間距，也就是增加了ΔPbc和H 的值，而吹氣儀表的壓差波動范圍是一定的，如果設定壓差波動值為X，因此可得出ρ顯=因此隨著ΔPbc與H值增大，波動值X對ρ顯的影響會明顯減小。液位測量的公式為ρ顯的波動范圍變小后，液位測量值自然會相對穩定。

4.2 冷凝冷卻器的重新設計

通過實驗可以看出，在設計處理下鈾濃縮蒸發器正常運行中冷凝冷卻器冷凝液溫度基本≥40℃，不滿足設計要求的≤40℃，因此對冷凝冷卻器的換熱面積重新進行核算。

通過計算將冷凝液溫度降低到40℃時冷凝冷卻器的傳熱面積需10.6m2，而原設計的冷凝冷卻器換熱面積是10.1m2，因此冷凝冷卻器冷卻換熱面積不能滿足要求[4]。

因此對冷凝冷卻器進行重新設計，加大了冷凝冷卻器的換熱面積，由于設備室空間問題將立式改為臥式，重新布置相關的管道。經過后續試驗驗證，冷凝冷卻器冷凝液溫度低于40℃，新設計冷凝冷卻器換熱面積滿足要求。

4.3 冷凝液走向設計變更

在鈾濃縮蒸發器的試驗過程中，原設計的冷凝液貯槽內的冷凝液，加入去離子水稀釋后配置成0.01mol/L 硝酸，送共去污分離工序做1CX使用。試驗中對冷凝液取樣分析發現，冷凝液貯槽的酸度基本在0.1mol/L 至0.3mol/L 之間，而調料的稀釋倍數達到10到30倍之間，由于貯槽體積的限制，無法進行稀釋操作，因此不能作為1CX使用。后續試驗中經取樣發現冷凝液取樣分析鈾濃度小于1×10-3g/L，而β、α、氚也均滿足低放排放標準。因此將原設計去1CX 改為直接去冷凝液貯槽后做低放排放。

5 結語

在鈾濃縮蒸發器試驗中，發現了鈾濃縮蒸發器存在液位、密度顯示波動大，溫度測量不準確，冷凝水溫度過高，冷凝水去向設計不合理等問題，通過對問題的分析排查，找出解決問題的方法，通過技術改進后可滿足設計要求，并通過試驗驗證對其整改的有效性進行了驗證，保證了鈾濃縮蒸發器的穩定運行。