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CN113636674A - 一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置及其处理方法 - Google Patents

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何艳红
王奕
王鑫
朱来叶
王琪
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Abstract

本发明涉及硼硅分离技术领域，具体地说是一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置及其处理方法，包括设有进水管的原水箱、产水箱、离子交换柱、若干控制阀，其特征在于，还包括碱液添加箱、膜过滤器；原水箱的碱液进口经碱液输送泵再连接碱液添加箱，原水箱的出口经原水输送泵再连接膜过滤器的进水口；膜过滤器的产水出口依次连接产水箱、产水输送泵、离子交换柱；所述膜过滤器的浓水出口连接原水箱的回水口。本发明与现有技术相比，可以对冷却剂中的硅元素及腐蚀产物等杂质进行针对性净化，同时不影响原有冷却剂中的硼酸、锂等水化学背景参数；实现一套装置既能针对日常冷却剂净化维护，又能针对硅含量超标时选择性净化，提高装置的利用效率。

Description

一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置及其处理方法
技术领域
本发明涉及硼硅分离技术领域，具体地说是一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置及其处理方法。
背景技术
在压水堆核电站反应堆冷却剂用水中，硅酸化合物是水化学重点关注的杂质之一，当冷却剂中硅酸化合物含量较高时，SiO2析出物极易沉结在燃料包壳上，加重对锆合金材料的腐蚀，严重影响到核电站的安全运行。同时，乏燃料池中也存在同样问题，导致形成局部放射性热点。
研究表明，冷却剂中硅含量的升高与净化系统用于净化水质和截留放射性腐蚀产物的水过滤器滤芯有密切关系。
放射性水过滤器滤芯主要用来去除以胶形式存在于水中的腐蚀产物和悬浮的固体颗粒物，是保证核电站稳定运行的重要设备。目前，国内核电站普遍选择美国Pall和加拿大3L这两家国外公司的水过滤器滤芯。但过滤器中的玻璃纤维在冷却剂作用下浸出SiO2，且随着滤芯精度的提高，浸出量也不断增加，而一回路冷却剂通常采用循环净化模式，净化用树脂床由于运行温度及树脂自身特性，对硅的交换去除率较低，因此回路中硅会随着过滤器的释放等因素富集浓度越来越高。
压水堆核电厂对超标硅元素的反应堆冷却剂所采用的通常做法是在停堆大修时更换一部分冷却剂，这导致大量废液的产生，或者采用大量新树脂对硅进行吸附，导致大量二次废物产生，对废物最小化产生不利影响且成本高昂。同时，在电厂功率运行过程中无法处理硅元素超标的一回路冷却剂，这也给核电厂安全运行带来一定风险。
如何在线高效去除冷却剂中的超标硅元素，又能净化冷却剂中腐蚀产物等杂质，但不影响冷却剂中其他水化学指标，包括硼浓度、锂浓度等，实现处理后的冷却剂进行复用，同时实现工艺净化效果好、净化效率高、二次固体废物产生量少、操作简单等目标成为重点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计一种工艺简单的装置，以选择性去除硅元素，提高交换能力和分离效率，并提高回收率。
为实现上述目的，设计一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，包括设有进水管的原水箱、产水箱、离子交换柱、若干控制阀，其特征在于，还包括碱液添加箱、膜过滤器；
所述原水箱的碱液进口经碱液输送泵再连接碱液添加箱，原水箱的出口经原水输送泵再连接膜过滤器的进水口；膜过滤器的产水出口依次连接产水箱、产水输送泵、离子交换柱；所述膜过滤器的浓水出口连接原水箱的回水口。
进一步的，所述离子交换柱内的交换树脂采用氢型高交联度大孔阳离子交换树脂或凝胶型阳离子交换树脂。
进一步的，所述交换树脂层高为500～1500mm。
进一步的，所述原水输送泵与膜过滤器之间的管路上还设有排污管。
一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置的处理方法，其特征在于，当对反应堆一回路冷却剂或含硼废水进行净化时，将其输送入原水箱中作为原废水，在原水箱中加入过量的碱性溶液将原废水的pH调节至～7，形成溶解度更高的硼酸盐和硅酸盐，以避免在后期膜过滤器浓缩过程中导致硼酸结晶和SiO2结垢；然后膜过滤器通过原水输送泵从原水箱以1～100m3/h的流速调取已调好pH值的原废水，将其中的硼酸盐和硅酸盐进行分离，原废水中极低浓度的硅元素和高价离子态杂质经膜过滤器分离后实现了浓缩并返回原水箱中，当装置的总回收率达到大于99％时，停止运行；而透过的含有硼酸盐的废水进入产水箱中，并以10～100BV/h的流速进入离子交换柱去除多余的钠/钾离子及各类腐蚀产物，并将硼酸盐还原为硼酸。
进一步的，所述膜过滤器对硅酸盐的单次去除率大于95％，硼酸盐的单次透过率大于90％。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
1、本发明可以对冷却剂中的硅元素及腐蚀产物等杂质进行针对性净化，同时不影响原有冷却剂中的硼酸、锂等水化学背景参数；解决了传统的冷却剂净化工艺无法选择性除硅元素且交换能力弱、固废产生量多的劣势，或者传统方式只能通过整体更换冷却剂，对硅元素进行稀释和排放，经济代价大，废液产生量增大的缺点；
2、解决了传统的膜处理工艺只能进行物理浓缩，浓缩液还需要采用蒸发等复杂工艺处理的技术问题，或者对硅和硼/锂不能高效分离，导致工艺复杂，固废产生量大，改变冷却剂中水化学特性等问题；
3、解决了传统膜处理工艺对硅浓缩比例低的技术难点，导致系统回收率偏低，进而影响一回路冷却剂回用总量的技术难点；
4、实现一套装置既能针对日常冷却剂净化维护，又能针对硅含量超标时选择性净化，提高装置的利用效率。
附图说明
图1为本发明的示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1，一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，包括设有进水管的原水箱1、产水箱4、离子交换柱5、若干控制阀，其特征在于，还包括碱液添加箱2、膜过滤器3；
所述原水箱1的碱液进口经碱液输送泵21再连接碱液添加箱2，原水箱1的出口经原水输送泵11再连接膜过滤器3的进水口；膜过滤器3的产水出口依次连接产水箱4、产水输送泵41、离子交换柱5；所述膜过滤器3的浓水出口连接原水箱1的回水口。
进一步的，所述离子交换柱5内的交换树脂采用氢型高交联度大孔阳离子交换树脂或凝胶型阳离子交换树脂。
进一步的，所述交换树脂层高为500～1500mm。
进一步的，所述原水输送泵11与膜过滤器3之间的管路上还设有排污管12，用于定期排污。
实施例2
基于实施例1中用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置的处理方法，其特征在于，当对反应堆一回路冷却剂或含硼废水进行净化时，将其输送入原水箱1中作为原废水，在原水箱1中加入过量的碱性溶液将原废水的pH调节至～7，形成溶解度更高的硼酸盐和硅酸盐，以避免在后期膜过滤器3浓缩过程中导致硼酸结晶和SiO2结垢；然后膜过滤器3通过原水输送泵11从原水箱1以1～100m3/h的流速调取已调好pH值的原废水，将其中的硼酸盐和硅酸盐进行分离，原废水中极低浓度的硅元素和高价离子态杂质经膜过滤器3分离后实现了浓缩并返回原水箱1中，当装置的总回收率达到大于99％时，停止运行；而透过的含有硼酸盐的废水进入产水箱4中，并以10～100BV/h的流速进入离子交换柱5去除多余的钠/钾离子及各类腐蚀产物，并将硼酸盐还原为硼酸。
本例中，膜过滤器3对硅酸盐的单次去除率大于95％，硼酸盐的单次透过率大于90％。
本发明处理装置及方法的特点如下：
通过原废水的pH值，提高硼酸和偏硅酸溶解度，避免膜过滤器在处理时的硼酸结晶及SiO2结垢，通过高分离率的膜过滤器对调节pH后的原废水进行处理，将硅和硼酸高效分离。原废水中极低浓度的硅元素和其他高价离子态杂质进行浓缩，膜过滤器对硅的单次处理去除率大于95％，硼的单次透过率大于90％。产水通过离子交换柱5，去除多余的钠/钾离子以及各类腐蚀产物，并将硼酸盐还原为硼酸，提高复用效率，减少固体废物产生量；解决了常规膜处理系统只能单纯进行物理浓缩的问题、解决了浓水中为了避免硅沉积需要控制硅浓度不能太高，从而导致膜系统回收率偏低的问题，本装置总回收率可以大于99％，浓缩液总量占比小于1％，浓缩比可以大于100；
相对离子交换树脂除SiO2工艺，利用高交联度阳树脂对钠、钾等元素的交换容量远高于阴树脂对硅的交换容量优势，大大减少树脂装填量和最终树脂固废产生量，且利用树脂对钠、钾和锂的选择性差异，控制离子交换柱5中树脂床运行终点为钠或者钾离子开始泄漏，确保尽可能不改变回路中锂的浓度，避免对回路水化学特性的影响，将硼酸盐还原为硼酸，提高净化及复用效率；
本装置中的膜过滤器3可根据处理需求选择膜的组合数量，灵活调整处理流量，广泛适用于各类核电厂和核设施运行时对各类含有硅元素的原水进行净化和复用。

Claims (6)

1.一种用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，包括设有进水管的原水箱(1)、产水箱(4)、离子交换柱(5)、若干控制阀，其特征在于，还包括碱液添加箱(2)、膜过滤器(3)；
所述原水箱(1)的碱液进口经碱液输送泵(21)再连接碱液添加箱(2)，原水箱(1)的出口经原水输送泵(11)再连接膜过滤器(3)的进水口；膜过滤器(3)的产水出口依次连接产水箱(4)、产水输送泵(41)、离子交换柱(5)；所述膜过滤器(3)的浓水出口连接原水箱(1)的回水进口。
2.如权利要求1所述的用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，其特征在于，所述离子交换柱(5)内的交换树脂采用氢型高交联度大孔阳离子交换树脂或凝胶型阳离子交换树脂。
3.如权利要求2所述的用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，其特征在于，所述交换树脂层高为500～1500mm。
4.如权利要求1所述的用于去除反应堆冷却剂中硅元素的装置，其特征在于，所述原水输送泵(11)与膜过滤器(3)之间的管路上还设有排污管(12)。
5.如权利要求1～4任一项所述装置的处理方法，其特征在于，当对反应堆一回路冷却剂或含硼废水进行净化时，将其输送入原水箱(1)中作为原废水，在原水箱(1)中加入过量的碱性溶液将原废水的pH调节至～7，形成溶解度更高的硼酸盐和硅酸盐，以避免在后期膜过滤器(3)浓缩过程中导致硼酸结晶和SiO2结垢；然后膜过滤器(3)通过原水输送泵(11)从原水箱(1)以1～100m3/h的流速调取已调好pH值的原废水，将其中的硼酸盐和硅酸盐进行分离，原废水中极低浓度的硅元素和高价离子态杂质经膜过滤器(3)分离后实现了浓缩并返回原水箱(1)中，当装置的总回收率达到大于99％时，停止运行；而透过的含有硼酸盐的废水进入产水箱(4)中，并以10～100BV/h的流速进入离子交换柱(5)去除多余的钠/钾离子及各类腐蚀产物，并将硼酸盐还原为硼酸。
6.如权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述膜过滤器(3)对硅酸盐的单次去除率大于95％，硼酸盐的单次透过率大于90％。
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