熱泵蒸發(fā)技術(shù)在放射性廢液處理中的應(yīng)用

趙大鵬　韓一丹　馮春曉

摘 要：此次研究主要是對熱泵蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用流程及工藝進(jìn)行簡要介紹，并提出將熱泵蒸發(fā)技術(shù)來取代自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)，從而對核電站放射性廢液得到有效處理。以熱泵蒸發(fā)過程的熱量及物料衡算結(jié)果為根據(jù)，通過熱力學(xué)方法來分析熱泵蒸發(fā)的過程，從而闡釋該技術(shù)節(jié)能的突出優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：熱泵蒸發(fā)技術(shù);放射性廢液;應(yīng)用

放射性廢液之中具有較多的放射性核素，且該類物質(zhì)不易揮發(fā)，通過蒸發(fā)濃縮的方式可將廢水得到濃縮和凈化，這種蒸發(fā)濃縮的方法已經(jīng)在核電站放射性廢液的處理工作中得到推廣，傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮技術(shù)主要是自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)和強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)，兩種技術(shù)雖然在形式上存在不同，但均通過常壓蒸發(fā)的工藝來完成，所以需要持續(xù)輸入加熱料液，這便會產(chǎn)生較大的耗能，此外，這些傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)所使用的設(shè)備設(shè)施比較多，占地面積也比較大，且對建筑結(jié)構(gòu)存在較高的要求。為了使這些弊端得以消除，本文主要研究一種節(jié)能技術(shù)，即熱泵蒸發(fā)技術(shù)，研究其在放射性廢液處理之中的具體應(yīng)用效果。

1 熱泵蒸發(fā)技術(shù)的工作原理及工藝流程

1.1 工作原理

熱泵工作原理實際上與制冷機的工作原理非常相似，但兩者也存在一定區(qū)別，即在工作溫度范圍以及使用目的方面存在不同，在低溫位熱源中，熱泵會從中吸收外界功，從而將其提升成為高溫位熱能，進(jìn)而實現(xiàn)能量再利用。而蒸發(fā)則是將不揮發(fā)性物質(zhì)溶液進(jìn)行加熱，直至達(dá)到沸騰狀態(tài)，使得溶劑發(fā)生汽化成為蒸汽。這一操作的目的在于將目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分離，屬于一種傳熱過程，但溶劑汽化需要將較多的汽化潛熱進(jìn)行吸收，故在蒸發(fā)過程中需要對節(jié)能問題多加考慮。

而熱泵蒸發(fā)裝置聯(lián)合了蒸發(fā)器和蒸汽壓縮機，其實現(xiàn)了節(jié)能，這一裝置能夠?qū)⒍握羝?jīng)壓縮機完成壓縮，使工質(zhì)的溫度、壓力以及焓得到了提升，并將壓縮之后形成的蒸汽送至蒸發(fā)器加熱室，當(dāng)做加熱蒸汽來完成料液蒸發(fā)，液料加熱后會將潛熱吸收，并轉(zhuǎn)化成蒸汽。這便使少量高質(zhì)能經(jīng)熱泵蒸發(fā)裝置將較多的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化成有用高溫?zé)崮?，并對其加以利用，從而實現(xiàn)節(jié)能。

1.2 工藝流程

從上述熱泵蒸發(fā)裝置原理可得出其工藝流程圖（見圖1）。從核電站中形成的放射性廢液在微負(fù)壓狀態(tài)條件下，會被吸入到熱泵蒸發(fā)裝置之中，當(dāng)放射性廢液進(jìn)入到熱泵蒸發(fā)裝置之后，廢液應(yīng)先經(jīng)預(yù)熱器，并通過管程中的蒸汽冷凝液將其預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱達(dá)到一定溫度之后，廢液便會進(jìn)至蒸發(fā)器之中完成負(fù)壓蒸發(fā)，在負(fù)壓條件下通過蒸汽壓縮機保持。在這種情況下廢液會出現(xiàn)飽和沸騰，并會分離成二次蒸汽和濃縮液。蒸汽壓縮機于吸入端產(chǎn)生負(fù)壓吸入二次蒸汽，經(jīng)壓縮是蒸汽壓力、溫度以及焓得到提升，然后將完成壓縮的蒸汽輸送至蒸發(fā)器加熱室之中，對廢液繼續(xù)加熱，從而使能耗減少。而旋風(fēng)分離裝置則同蒸發(fā)器二次蒸汽的出口端之間保持連接，使二次蒸汽霧沫夾帶得以去除，從而使壓縮機入口段蒸汽品質(zhì)得到有效提升。剩余濃縮液便會滯留于蒸發(fā)器之中，當(dāng)完成一個運行周期后，便會排至濃縮液箱之中，通過下游工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行處理。

通過熱泵蒸發(fā)裝置來處理核電站放射性廢液，能夠使廢液之中大多數(shù)非揮發(fā)放射性核素得以保留至蒸發(fā)殘留液之中，而在蒸發(fā)過程中形成的二次蒸汽冷凝液之中含有的放射性核素含量則遠(yuǎn)低于原廢液之中放射性核素含量，當(dāng)放射性核素比最大允許濃度低的情況下便可直接向外部環(huán)境排放，而存留于蒸發(fā)殘留液之中的放射性核素，其體積將會大幅度縮減，這便可通過固化方式將其處理?；跓岜谜舭l(fā)技術(shù)的優(yōu)勢所在，故可將此項技術(shù)來取代傳統(tǒng)自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)和強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)，能夠節(jié)約放射性廢液處理成本。

2 熱泵蒸發(fā)技術(shù)的工藝效果

2.1 工藝計算

2.1.1 物料衡算

當(dāng)熱泵蒸發(fā)裝置處于穩(wěn)定、微負(fù)壓狀態(tài)時，且處于連續(xù)操作的條件下，其進(jìn)口料的液流量記作F1，濃縮液流量以及二次蒸汽流量記作L和F2。而濃縮液以及料液中的主要成為一般為NaNO3水溶液，濃縮液以及料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為x和z，依據(jù)物料守恒可以得出：

F₁=F₂+L①

zF₁=xL②

通過計算得出二次蒸汽流量的表達(dá)式為：

F2=F1（1-z/x）③

2.1.2 蒸發(fā)器熱量衡算

以穩(wěn)流形式的熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，當(dāng)控制體處于給定狀態(tài)下，進(jìn)入到設(shè)備裝置之中的熱量應(yīng)該與離開設(shè)備的熱量相等。其可以表達(dá)為：

F₁（H₂-H₁）=F₂（H₃-H₄）④

式中：

F1表示料液流量;

F2表示二次蒸汽流量;

H1表示蒸發(fā)器管側(cè)料液進(jìn)口焓;

H2表示蒸發(fā)器管側(cè)料液出口焓;

H3表示蒸發(fā)器殼側(cè)二次蒸汽進(jìn)口焓;

H4表示蒸發(fā)器殼側(cè)二次蒸汽出口焓;

2.1.3 壓縮機熱計算

壓縮機進(jìn)出口熱力學(xué)溫度可通過以下表達(dá)式表達(dá)：

T₂/T₁=（p₂/p₁）^（n-1）/n⑤

式中：

T1表示壓縮機進(jìn)口蒸汽熱力學(xué)溫度;

T2表示壓縮機出口蒸汽熱力學(xué)溫度;

p1表示壓縮機進(jìn)口蒸汽絕對壓力;

p2表示壓縮機出口蒸汽絕對壓力;

n表示壓縮時的多變指數(shù)。

壓縮時的技術(shù)功Wt可表達(dá)為：

W_t=n/（n-1）R_gT₁[1-T₂/T₁]⑥

式中，Rg表示氣體常數(shù)，進(jìn)而可得出壓縮過程的總熱量表達(dá)式。表達(dá)式為：

q=（h₂-h1）+W_t⑦

式中：

h1表示壓縮機進(jìn)口處蒸汽焓;

h2表示壓縮機出口處蒸汽焓。

2.2 熱泵蒸發(fā)技術(shù)的熱力學(xué)分析

此次研究所研究的對象是熱泵蒸發(fā)裝置，其屬于一種開式熱泵循環(huán)系統(tǒng)，此裝置應(yīng)用過程中的主要目的是為了將放射性廢液之中包含的水分蒸發(fā)掉，從而得到濃縮液。放射性廢液在蒸發(fā)過程中會產(chǎn)生二次蒸汽，壓縮機會將二次蒸汽吸入，通過加壓升溫的方式形成加熱蒸汽，再進(jìn)入到蒸發(fā)器殼程，然后向管程之中的廢液放熱，從而將廢液蒸發(fā)，而加熱蒸汽會通過冷凝形成液體，最終從裝置內(nèi)排出。在放射性廢液之中形成的二次蒸汽又會被壓縮機吸入，從而形成循環(huán)過程。

3 熱泵蒸發(fā)裝置的特點及技術(shù)應(yīng)用

3.1 熱泵蒸發(fā)裝置的主要特點

從上述內(nèi)容可以了解到，熱泵蒸發(fā)技術(shù)的主要特點在于以下幾個方面：

在溫差小、壓差小的環(huán)境下能夠產(chǎn)生良好的節(jié)能效果;此裝置的熱力完善度比較高;

此裝置的換熱面積相對比較小;

此裝置在運行過程中，其工藝流程各環(huán)節(jié)的緊湊性比較強;

有效能的效率比較高，熱功能夠?qū)崿F(xiàn)充分轉(zhuǎn)換。

從上述特點可以看出，與傳統(tǒng)自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)和強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)相比，熱泵蒸發(fā)技術(shù)的突出優(yōu)勢表現(xiàn)在節(jié)能、工藝流程效果突出以及節(jié)約空間等方面，基于以上特點，也能夠確定熱泵蒸發(fā)技術(shù)可以完全取代傳統(tǒng)自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)以及強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)。

3.2 熱泵蒸發(fā)技術(shù)的實際應(yīng)用

在對放射性廢液進(jìn)行處理的過程中，熱泵蒸發(fā)技術(shù)在目前已經(jīng)得到應(yīng)用，該技術(shù)主要適用于低壓蒸發(fā)系統(tǒng)，在這一方面產(chǎn)生的節(jié)能效果尤為突出，在該技術(shù)應(yīng)用的過程中，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽熱量的轉(zhuǎn)換和回收，能夠滿足國家提出關(guān)于節(jié)能減排的要求和標(biāo)準(zhǔn)，此外，通過應(yīng)用此項技術(shù)，其他熱設(shè)備無需投入使用。但需要注意一點，在實際應(yīng)用的過程中，應(yīng)該對熱泵裝置的實際工作條件多加考慮，不僅要對裝置中產(chǎn)生的熱量充分應(yīng)用，還應(yīng)該對設(shè)備制造情況多加考慮，選擇合適的設(shè)備尺寸及工藝參數(shù)。

4 結(jié)束語

總而言之，熱泵蒸發(fā)技術(shù)能夠滿足節(jié)能減排的要求，可在核電站放射性廢熱處理過程中節(jié)約處理成本，并能夠取代傳統(tǒng)自然循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)以及強制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)，最為重要的是熱泵蒸發(fā)技術(shù)能夠有效、合理的處理放射性廢液，保證了環(huán)境的安全性。

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