一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统
阅读说明：本技术 一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统 (Air carrying tritium-containing wastewater system containing condensation dehumidification ) 是由 程文龙 赵锐 杨博 许张敏 年永乐 于 2021-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统,属于乏燃料后处理技术领域。包括吸收式制冷冷凝除湿装置和高效微雾加湿装置。吸收式制冷冷凝除湿装置包括风机、除尘室、冷凝除湿器、风道加热器、热源、发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、中间换热器、第一节流阀、第一循环泵和第二节流阀。通过增设除湿装置,提高空气载带能力,由传统的“一步法”改变为“两步法”,从而提高系统在低温、高湿等恶劣环境下的运行性。吸收式制冷机构通过蒸发器的冷冻水保证除湿器处于较低的温度下运行,保证了除湿效果；高效微雾加湿采用分级加湿和微雾加湿相结合,通过多级加湿器形成含低放射性废液的湿空气,实现低放射性废液的高效载带。(The invention relates to a system for carrying tritium-containing wastewater by air containing condensation and dehumidification, and belongs to the technical field of spent fuel aftertreatment. Comprises an absorption refrigeration condensation dehumidifier and a high-efficiency micro-mist humidifier. The absorption type refrigeration, condensation and dehumidification device comprises a fan, a dust removal chamber, a condensation dehumidifier, an air duct heater, a heat source, a generator, a condenser, an evaporator, an absorber, an intermediate heat exchanger, a first throttle valve, a first circulating pump and a second throttle valve. The dehumidification device is additionally arranged, so that the air carrying capacity is improved, and the traditional one-step method is changed into a two-step method, so that the operability of the system in severe environments such as low temperature and high humidity is improved. The absorption refrigeration mechanism ensures that the dehumidifier operates at a lower temperature through the chilled water of the evaporator, so that the dehumidification effect is ensured; the efficient micro-fog humidification is combined with the staged humidification, and the multi-stage humidifier forms wet air containing the low-radioactivity waste liquid, so that the high-efficiency carrier belt of the low-radioactivity waste liquid is realized.)
技术领域
本发明属于乏燃料后处理技术领域，具体涉及吸收式制冷技术、冷凝除湿技术、空气载带低放射性废液后处理技术及空气载带技术。
背景技术
乏燃料后处理的典型工艺采用传统的Purex流程。当乏燃料芯被硝酸溶解时，大量的氚以氚化水（HTO）或氚化酸（TNO3）的形式进入溶解液中。每处理1吨乏燃料，就会产生大约5～10 m3高放溶解液。高放溶解液经过蒸发浓缩，将90%以上的氚释放到二次蒸汽的冷凝液中，最终形成大量107～109 Bq/L的低浓度含氚废水。含氚废水中的氚以HTO的形式存在，难以通过常规的放射性核素去除手段（如吸附、过滤、蒸发、离子交换等）去除，因此，一般采用稀释排放的方式进行处理。
国际上，乏燃料后处理厂通常建设在大海或大江周边，如法国阿格后处理厂，其含氚废水可直接向大海大江稀释排放，从而减少对环境的危害。由于我国的特殊情况，后处理厂通常建在偏远的内陆地区，由于周边缺乏可以利用的强稀释能力水体，通常将含氚废水汽化后由空气载带至高空大气，利用大气的强扩散性将氚含量稀释到控制限值以下。
目前国内乏燃料后处理厂空气载带含氚废水的技术基于空气加湿原理，待处理的废液与空气直接接触，进行传热传质，待处理废液吸热蒸发，与对未饱和的空气进行加湿，加湿后的空气排放至大气中。现有基于此原理的技术主要有两种方案，加热空气挂布大气载带方案和高压微雾大气载带方案。加热空气挂布大气载带方案工艺流程如下：首先，将空气过滤掉沙尘然后，将空气加热，并在离心风机的抽吸下，加热空气吹过喷洒有含氚废水的挂布，使含氚废水吸热蒸发进入空气中，空气的含湿量增加，最后增湿的空气经烟囱高架排放，这种方式存在蒸发效率低、二次放射性废物量大、设施需要的建筑面积较大等缺点。现有的高压微雾大气载带方案工艺流程如下：将空气过滤掉沙尘后加热，在离心风机的抽吸下，空气流经一个微雾室。在微雾室中，被泵加至高压（4～7 MPa）的含氚废水通过喷嘴阵列，以粒径大小为3～10 μm的含氚雾化颗粒的形式呈云雾状喷射到空气中，并在空气中吸收热量，从液态变成气态，使空气中湿度增大，并同时降低空气温度，最后增湿的空气经烟囱向高空排放。
无论是挂布式方案还是高压微雾方案，现行的空气载带含氚废水的工艺过程存在着以下不足：在冬季低温环境条件下，室外环境温度远低于排放空气的露点温度，无法有效排放含氚废水；在高湿的环境下，载带空气的吸湿能力受到环境湿度的限制，导致在高湿环境下的排放效率不高，无法有效应对日益增多的含氚废水量；现有的排放策略为比环境空气温度低1℃排放，缺乏环境适应性，无法根据环境温度的变化调整排放量，当环境温度升高时，空气的载带能力未被充分利用，导致排放效率较低，当环境温度降低时，恒定的排放温度会引起降水；系统需要大量消耗外部能源，能源利用效率低。因此，现有后处理系统能源利用效率低，加湿效率低，环境温湿度对含氚废水的排放影响极大，在环境温度<6℃、湿度>80%时，空气吸湿能力很弱，导致增湿效果变差甚至无法增湿，含氚废水排放设施难以运行，严重限制了后处理厂的运行周期。针对现有的这些问题，本发明利用吸收式制冷冷凝除湿空气预处理技术结合高效雾化加湿技术，开发一种新型的“两步法”含氚废水空气载带排放工艺，从而能在低温高湿环境条件下稳定运行。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统。
本发明利用吸收式制冷冷凝除湿空气预处理技术对不同温湿度的环境空气进行除湿，除湿后环境空气的含湿量大幅度下降，再通过加热器进行加热，环境空气的吸湿能力大幅度上升，此项技术能提高空气载带技术对环境的适应性，低温高湿的恶劣环境下该系统能稳定运行，扩大装置使用范围，避免后处理厂因恶劣环境问题而停机，同时高效雾化加湿技术能提高热干空气对含氚废液的吸收效率。
一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统包括吸收式制冷冷凝除湿装置和高效微雾加湿装置；
所述吸收式制冷冷凝除湿装置包括风机1、除尘室2、冷凝除湿器3、风道加热器4、热源5、发生器6、冷凝器7、蒸发器8、吸收器9、中间换热器10、第一节流阀11、第一循环泵12和第二节流阀13；
所述微雾加湿装置包括微雾多喷嘴阵列14、微雾加湿塔15、储液罐16和第二循环泵17；
其中：风机1的风道进口连接着室外环境，风机1的风道出口连接着除尘室2的风道入口，除尘室2的风道出口连接着冷凝除湿器3空气入口；所述冷凝除湿器3空气出口连接着风道加热器4风道入口；所述发生器6的溶液罐的高温冷却水水蒸汽出气口连通着冷凝器7的高温冷却水水蒸汽进气口，发生器6的溶液罐的高温浓溶液出口连通着中间换热器10的高温浓溶液入口，所述冷凝器7的高压冷却水出口连通着第二节流阀13的高压冷却水入口，所述第二节流阀13的低压冷却水出口连通着蒸发器8的冷剂水进液口，所述蒸发器8的冷却水水蒸汽出气口连通着吸收器9的冷却水水蒸汽进气口；所述中间换热器10的中温浓溶液出口连通着第一节流阀11入口，第一节流阀11出口连通着吸收器9的中温浓溶液进口相，所述吸收器9的低温稀溶液出口通过第一循环泵12连通着中间换热器10的低温稀溶液进口，中间换热器10的中温稀溶液出口连通着发生器6的溶液罐的中温稀溶液进口；蒸发器8的低温冷冻水出口连通着冷凝除湿器3的低温冷冻水进口相连，冷凝除湿器3的高温冷冻水出口连通着蒸发器8的高温冷冻水进口；
所述微雾加湿塔15内顶部设有微雾多喷嘴阵列14，风道加热器4的高温干空气出口连通着微雾加湿塔15的高温干空气进口，微雾加湿塔15顶部空气出口连通着室外环境，微雾加湿塔15的底部出口连通着储液罐17进口，所述储液罐17出口通过第二循环泵16连通着微雾多喷嘴阵列14；
工作时，环境空气由风机1进入除尘室2进行除尘，然后进入冷凝除湿器3进行深度冷凝除湿，除湿后的低温、低湿的空气经过风道加热器4形成高温、低湿的热干空气；热干空气进入微雾加湿装置，通过多级加湿器形成含低放射性废液的湿空气，并排放到大气环境中。
进一步的具体技术方案如下：
所述吸收式制冷冷凝除湿装置中使用的溶液为溴化锂溶液、氨水溶液中的一种。
所述冷凝除湿器3为管壳式换热器。
所述风道加热器4为蒸汽式加热器。
所述中间换热器10为管壳式换热器。
所述发生器6包括热源5和溶液罐，通过加热使溶液罐中的溶液蒸发，产生制冷剂蒸汽。
所述热源5为电热锅炉、市政热管网、工艺蒸汽、燃气锅炉、太阳能热源和工业废热中的一种。
所述微雾加湿塔15中空气与液体流动方向采用逆流式布置；微雾加湿塔15分成三级，最下级铺设高压微雾喷嘴阵列，利用微雾加湿使空气进行初步载带废液；中间级铺设高压微雾喷嘴阵列和中间填料层，从而使空气充分载带废液；最上级铺设最上填料层，防止有液态废液被裹挟出去。
所述中间填料层的材料和最上填料层的材料均为PP六角蜂窝斜管材料。
本发明的工作机理说明如下:
本发明的前端放置冷凝除湿装置，环境空气由风机1进入除尘室2进行除尘后，在冷凝除湿装置中被低温冷冻水降低到露点温度以下，环境空气析出冷凝水，含湿量降低；除湿后低温、低湿的空气经过风道加热器4，被热蒸汽加热形成高温、低湿的热干空气；经过除湿和加热后的热干空气进入微雾加湿装置，通过多级加湿器最后形成含低放射性废液的湿空气，并排放到大气环境中。增设的冷凝除湿装置降低了环境空气的含湿量，增加了多级加湿器中环境空气的吸湿能力，增加了加湿效率，提升了装置对含氚废水的载带量。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明通过增设除湿装置，提高空气载带能力，由传统的“一步法”改变为“两步法”，从而提高系统在低温、高湿等恶劣环境下的运行性。通过理论计算证明本发明的有益效果，以制冷系统溶液为初始浓度为60%的溴化锂溶液、合肥夏季典型环境条件为例。本发明装置中含湿量为16 g/kg的环境空气在溶液除湿系统中被除湿到5 g/kg的低湿状态，相较于加装溶液除湿系统前含湿量降低了68.8%，从而有效提升环境空气的吸湿能力，使系统能在高湿环境下运行。
2.本发明采用高效微雾加湿塔结合多喷嘴微雾阵列的方式将含氚废水以微米级液滴的形式喷入进热干空气中，并对加湿塔实现分级布置，空气在微雾加湿塔内实现多级加湿，同时塔内布置的填料增加了空气与废液的接触面积，加湿效率比现有提升19.7%，400 m3/h风量下含氚废水载带量能到达7.2kg/h，比现有提升22.3%。
3.本发明与传统空气载带废液的装置相比，风道加热器和吸收式制冷的热源可以采用工业余热、废热或太阳能进行加热，是一种很好的清洁环保、可再生的能源利用方式，具有较好的推广价值和应用前景。
附图说明
图1是本发明后处理系统结构示意图。
图1中序号：风机1、除尘室2、冷凝除湿器3、风道加热器4、热源5、发生器6、冷凝器7、蒸发器8、吸收器9、中间换热器10、第一节流阀11、第一循环泵12、第二节流阀13、微雾多喷嘴阵列14、微雾加湿塔15、第二循环泵16、储液罐17、吸收式制冷冷凝除湿装置Ⅰ、高效微雾加湿装置Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例
参见图1，一种含冷凝除湿的空气载带含氚废水系统包括吸收式制冷冷凝除湿装置和高效微雾加湿装置。
吸收式制冷冷凝除湿装置包括风机1、除尘室2、冷凝除湿器3、风道加热器4、热源5、发生器6、冷凝器7、蒸发器8、吸收器9、中间换热器10、第一节流阀11、第一循环泵12和第二节流阀13；
微雾加湿装置包括微雾多喷嘴阵列14、微雾加湿塔15、储液罐16和第二循环泵17。
各设备的具体连接关系详细说明如下：
风机1的风道进口连接着室外环境，风机1的风道出口连接着除尘室2的风道入口，除尘室2的风道出口连接着冷凝除湿器3空气入口；所述冷凝除湿器3空气出口连接着风道加热器4风道入口；所述发生器6的溶液罐的高温冷却水水蒸汽出气口连通着冷凝器7的高温冷却水水蒸汽进气口，发生器6的溶液罐的高温浓溶液出口连通着中间换热器10的高温浓溶液入口，所述冷凝器7的高压冷却水出口连通着第二节流阀13的高压冷却水入口，所述第二节流阀13的低压冷却水出口连通着蒸发器8的冷剂水进液口，所述蒸发器8的冷却水水蒸汽出气口连通着吸收器9的冷却水水蒸汽进气口；所述中间换热器10的中温浓溶液出口连通着第一节流阀11入口，第一节流阀11出口连通着吸收器9的中温浓溶液进口相，所述吸收器9的低温稀溶液出口通过第一循环泵12连通着中间换热器10的低温稀溶液进口，中间换热器10的中温稀溶液出口连通着发生器6的溶液罐的中温稀溶液进口；蒸发器8的低温冷冻水出口连通着冷凝除湿器3的低温冷冻水进口相连，冷凝除湿器3的高温冷冻水出口连通着蒸发器8的高温冷冻水进口。
吸收式制冷冷凝除湿装置中使用的溶液为溴化锂溶液。
冷凝除湿器3为管壳式换热器，风道加热器4为蒸汽式加热器，中间换热器10为管壳式换热器。
发生器6包括热源5和溶液罐，通过加热使溶液罐中的溶液蒸发，产生制冷剂蒸汽；热源5为电热锅炉。
微雾加湿塔15内顶部设有微雾多喷嘴阵列14，风道加热器4的高温干空气出口连通着微雾加湿塔15的高温干空气进口，微雾加湿塔15顶部空气出口连通着室外环境，微雾加湿塔15的底部出口连通着储液罐17进口，所述储液罐17出口通过第二循环泵16连通着微雾多喷嘴阵列14。
微雾加湿塔15中空气与液体流动方向采用逆流式布置；微雾加湿塔15分成三级，最下级铺设高压微雾喷嘴阵列，利用微雾加湿使空气进行初步载带废液；中间级铺设高压微雾喷嘴阵列和中间填料层，从而使空气充分载带废液；最上级铺设最上填料层，防止有液态废液被裹挟出去。中间填料层的材料和最上填料层的材料均为PP六角蜂窝斜管材料。
实时监测当地环境空气变化，针对环境空气变化，制定相对应的实时排放策略。由于溶液除湿系统和吸收式制冷系统相耦合，风道加热器调节温度，实现温湿度独立控制，可控制载带后空气状态，改变排放点的空气流量和温湿度，安全排放到环境中。
本发明利用低温余热进行吸收式制冷，蒸发器的冷量用于环境空气的冷凝除湿，吸收式制冷冷凝除湿装置控制空气湿度，通过调节制冷系统的制冷量来调节空气湿度，调节风道加热器加热功率调节温度，实现温湿度的独立控制，在低温高湿环境条件下可以连续运行，扩大对环境空气的利用范围，载带后的空气也不易出现冷凝水，系统稳定性提高。风道加热器热源以及吸收式制冷系统的热量均来源于低品质工业废热或太阳能，降低了能源消耗。
本发明的工作原理详细说明如下：
吸收式制冷冷凝除湿装置中，发生器6的溶液罐中的溴化锂稀溶液经热源5加热形成高温水蒸汽；高温水蒸汽进入冷凝器7冷凝成冷却水，冷却水经过第二节流阀13节流后进入蒸发器8，在蒸发器8中完成蒸发制冷后冷量传递给冷冻水，蒸发器8产生的水蒸汽进入吸收器9。发生器6的溶液罐中的溴化锂稀溶液经热源5加热后形成高温溴化锂浓溶液与从吸收器9出来的低温溴化锂稀溶液在中间换热器10进行热交换，再通过第一节流阀11进入吸收器9，同时被从蒸发器8过来的水蒸汽稀释。吸收器9中的低温溴化锂稀溶液通过第一循环泵12经过热交换后进入发生器6的溶液罐中，这样就完成吸收式制冷系统循环。环境空气通过风机1进入除尘室2，除尘后的环境空气经过冷凝除湿器3被低温冷冻水进行冷凝除湿，温度降至露点温度以下，形成低含湿量低温空气，再通过风道加热器4加热形成热干空气进入高效微雾加湿装置。
高效微雾加湿装置中，从风道加热器4出来的热干空气进入微雾加湿塔15中，储液罐17中的含氚废液经第二循环泵16进入微雾多喷嘴阵列14中，含氚废液经微雾多喷嘴阵列14形成微米级液滴与热干空气进行热质交换，未蒸发的废液进入微雾加湿塔15底部进行加湿再循环，随着环境空气不断进入微雾加湿塔15进行加湿，废液量不断减少，热干空气达到排放标准，从微雾加湿塔15顶部排入环境。经过实验测量与计算，不同温湿度环境空气均可以除湿到5 g/kg，微雾加湿塔出口空气可以被加湿到50-100%的高湿度空气，加湿效率能达到85%，400 m3/h风量下废液载带量能到达7.2 kg/h，载带量比现有提升22.3%。