放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置去污效率研究

崔鑫 趙勝磊

摘 要： 熱泵蒸發(fā)技術(shù)是一種對(duì)廢熱進(jìn)行回收再利用的技術(shù)，在對(duì)廢熱進(jìn)行蒸發(fā)的過程中會(huì)產(chǎn)生攜帶一定量的放射性液沫的二次蒸汽。這種二次蒸汽具有較高的污染指數(shù)。但除沫分離器是組成熱泵蒸發(fā)裝置的重要設(shè)備，該設(shè)備可以有效去除蒸汽水腫攜帶的液滴，從而降低冷凝水的放射性。本文對(duì)放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置去污效率進(jìn)行了研究，希望對(duì)相關(guān)人員有幫助。

關(guān)鍵詞： 放射性廢液;熱泵蒸發(fā)裝置;去污效率

1 緒論

在進(jìn)行核電站放射性廢液處理時(shí)，熱泵蒸發(fā)裝置得到了廣泛的應(yīng)用，并且其工藝已經(jīng)成熟。放射性廢液的處理方法是用小型的熱泵蒸發(fā)裝置進(jìn)行去污處理，熱泵蒸發(fā)裝置采用了蒸汽壓縮機(jī)，加之模塊化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。因此，在進(jìn)行去污的過程中消耗的能量比較低，并且自動(dòng)化的程度高。目前，熱泵蒸發(fā)裝置在國內(nèi)的研究已初有成效。據(jù)相關(guān)資料顯示：熱泵蒸發(fā)裝置在我國已經(jīng)完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造以及性能的檢驗(yàn)等工作。相信在不久的將來，熱泵蒸發(fā)裝置會(huì)很快得到廣泛的應(yīng)用。[1]

2 放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置的

熱泵蒸發(fā)裝置主要是由熱交換器、除沫分離器、羅茨風(fēng)機(jī)以及預(yù)熱器四個(gè)設(shè)備共同組成。其中除沫分離器的去污性能最為顯著，它主要是采用了四級(jí)分離結(jié)構(gòu)。第一級(jí)是旋風(fēng)分離段，主要作用是去除二次蒸汽中攜帶的較大的放射性液沫，其作用原理是利用慣性離心力的作用下把二次蒸汽中分離出來的放射性液沫，保持合適的速度把它切向引進(jìn)旋風(fēng)分離器筒體，并依靠離心力的作用把放射性液沫扔在器壁上，這時(shí)放射性液沫就會(huì)受到擋水板的反擊返回，最終在旋風(fēng)分離器筒體的底部被排除。第二級(jí)是旋流板除沫段，主要作用是去除二次蒸汽中攜帶的粒徑10μm以上放射性液沫。其工作原理是利用離心分離的原理對(duì)放射性液沫進(jìn)行除沫，旋流板是由許多具有仰角傾斜的葉片組成，二次蒸餾穿過葉片時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)氣流，氣流中攜帶的放射性液沫在慣性的作用下被甩向內(nèi)側(cè)。第三級(jí)和第四級(jí)同位于一個(gè)階段，被叫做絲網(wǎng)除沫段，主要作用是去除1μm至10μm之間的放射性液沫。其工作原理是期考?xì)饬魍ㄟ^多層的細(xì)金屬絲網(wǎng)達(dá)到去污的目的，在進(jìn)行絲網(wǎng)除沫段需要掌握放射性液沫的流速，這關(guān)乎著絲網(wǎng)除沫段的分離效率。如果放射性液沫的流速太快或者太慢，都會(huì)導(dǎo)致放射性液沫就從絲網(wǎng)頂部逃走。因此，對(duì)放射性液沫的流速進(jìn)行合理的控制十分重要。由此可見，除沫分離器四級(jí)分離結(jié)構(gòu)的設(shè)置不僅有效達(dá)到去污的目的，在對(duì)放射性液沫進(jìn)行分離處理的時(shí)候也具有節(jié)約空間的優(yōu)勢。[2]

3 放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置去污因子的估算

二次蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的放射性夜沫大小的分布呈現(xiàn)出兩種情況，第一種是當(dāng)放射線液沫的直徑在10μm-100μm之間時(shí)，生成速率隨著放射性液沫的物性和氣泡尺寸的增加而增加，即呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，可以說蒸發(fā)速率與蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)生成速率基本沒有影響。由于放射性液沫體積比較小，導(dǎo)致它的沉降速度小于二次蒸汽的上升速度。因此，容易被二次蒸汽攜帶出蒸發(fā)室。第二種是當(dāng)放射線液沫的直徑達(dá)到100μm以上，蒸發(fā)強(qiáng)度就會(huì)對(duì)放射性液沫的生成速率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。并且放射性液沫具有較高的沉降速度，在二次蒸汽流出蒸發(fā)室的過程就會(huì)在重力的作用下被重新彈回蒸發(fā)室內(nèi)。因此，對(duì)進(jìn)入除沫設(shè)備內(nèi)的放射性液沫有較高的要求，第一類放射性液沫的含量要保證為蒸發(fā)量的1%-3%。由此可知，除沫分離器旋風(fēng)段的分離效率與切向進(jìn)口放射性液沫的流速有關(guān)，通常切向進(jìn)口的放射性液沫的流速要保持在12m/s-1515 m/s。根據(jù)Rosin式估算旋風(fēng)分離段的臨界粒徑dpc可知，直徑小于dpc的放射性液沫會(huì)被蒸汽攜帶通過旋風(fēng)分離短進(jìn)入旋流板進(jìn)行二次分離，旋流板可以分離的放射性液沫的直徑是大于10μm，如果放射性液沫的直徑小于10μm，則會(huì)被二次蒸汽攜帶到第三級(jí)絲網(wǎng)段進(jìn)行分離。通過計(jì)算第一級(jí)和第二級(jí)的分離除去的放射性液沫可知，第三級(jí)絲網(wǎng)段的分離效率達(dá)到90%以上。[3]

通過以上分析可知，熱泵蒸發(fā)裝置確實(shí)有較高的去污能力，其去污因子可以達(dá)到105的量級(jí)。利用熱泵蒸發(fā)裝置對(duì)放射性廢液進(jìn)行處理，其處理后產(chǎn)生的冷凝液放射性活度可以很好的滿足排污的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置的去污性能

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱能中一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為效能。因此，在進(jìn)行在利用熱泵蒸發(fā)裝置處理放射性廢液的時(shí)候就要盡量較少效能的損失，使能量能夠得到合理的利用，這才能達(dá)到節(jié)能減排的目的。在熱泵蒸發(fā)裝置中由于有效傳熱的溫差較小，這就會(huì)導(dǎo)致熱速率降低，換熱時(shí)間和設(shè)備的有效換熱面積就會(huì)增加。因此，要想獲得較高的COP，必須嚴(yán)格控制設(shè)備制造的成本，并選擇合適的傳熱溫差。

5 結(jié)論

蒸發(fā)是消耗能量的過程，熱泵蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)二次蒸汽進(jìn)行了回收，并且使其得到了充分的利用。只要熱泵蒸發(fā)裝置的設(shè)置合理，必然會(huì)減少能量的消耗，提高蒸汽的品質(zhì)。熱泵蒸發(fā)裝置對(duì)處理放射性廢液具有較高的去污能力，并且工藝流程緊湊，可以達(dá)到環(huán)保的要求。因此，利用熱泵蒸發(fā)裝置處理放射性廢液具有十分可觀的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧佳，周焱.放射性廢液熱泵蒸發(fā)裝置去污效率研究[J].山東化工，2017，46（19）：191-194.

[2]侯超，張化福，張鈺，張振濤，楊魯偉.核電站放射性廢液處理過程采用機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)特性研究[J].現(xiàn)代化工，2018，38（02）：158-161.

[3]盧佳，周焱，王鑫，黃玨.放射性化學(xué)廢液小型熱泵蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)[J].廣州化工，2017，45（17）：142-144.