一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備UO3工藝的製作方法
2023-12-04 06:26:06 1
本發明涉及鈾純化技術領域，具體涉及六水合硝酸鈾醯溶液熱解脫硝製備uo3的工藝技術方法，是利用丙烷燃燒產生的高溫、高速氣流將六水合硝酸鈾醯溶液霧化、脫水乾燥、脫硝製備出活性較高的uo3的工藝技術。
背景技術：
在核燃料生產領域中，u3o8、uo3和uo2是三種重要的、具有實用價值的鈾氧化物。其中，uo3作為鈾純化生產過程中的中間產品，其製備技術在核燃料循環過程中佔有十分重要的地位。
目前，在國內外鈾純化技術領域中，uo3的製備工藝可分為unh(unl)法、adu法、auc法三種。unh(unl)法與adu、auc法相比具有明顯的優點。adu、auc法在生產過程中都會產生沉澱母液或結晶母液，產生大量的廢水，處理廢水又產生大量的固體廢物。而unh(unl)法因具有不消耗任何試劑，脫硝產生的工藝氣體可直接回收成硝酸，返回生產系統使用，所以基本不產生廢水、固體廢物。因此，在規模化的uo3生產中，unh(unl)法得到普遍關注和重視，該工藝技術已為國外多數鈾純化生產廠所採用，代表著國際鈾純化產業的一種先進發展方向。
然而，unh法脫硝製備uo3存在的主要問題是uo3的化學反應活性較低，不利於uo3還原和uo2氫氟化工藝技術要求，需要對uo3活化處理來提高uo3產品的化學反應活性。為完善我國鈾純化技術體系，開發新型鈾純化工藝裝置，縮短鈾純化工藝流程，降低鈾純化生產成本，提升我國鈾純化生產技術水平，開展了unh氣流式霧化乾燥、熱解脫硝製備uo3工藝技術研究，並掌握了本方法關鍵技術，製備出了高活性的uo3產品。相對流化床脫硝和罐式脫硝技術而言，unh霧化乾燥、熱解脫硝技術具有工藝過程較簡單、廢物產生量小和產出的uo3的反應活性與adu法製備的uo3化學反應活性相當等優點。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是掌握硝酸鈾醯脫硝製備uo3工藝技術，提高產品反應活性，縮短鈾純化工藝路線，有效地降低鈾純化生產成本。
為了實現這一目的，本發明採取的技術方案是：
一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，技術方案包括以下方面：
(1)確定實現本工藝的主要設備
實現本工藝的主要設備為：計量泵、霧化導管、燃燒室、脫硝反應器、丙烷儲氣罐、供料罐、冷卻水箱、羅茨風機、冷卻風泵、旋風分離器、除塵器、尾氣排風機；
(2)確定本工藝工作原理
工藝過程中涉及的化學原理是：
六水合硝酸鈾醯的熱分解反應：
熱分解反應所需要的熱氣通過丙烷與空氣燃燒供給：
c3h8+5o2→3co2+4h2o
(3)確定具體工藝方案：
羅茨風機設置在燃燒室進風口，用來向燃燒室輸送壓縮空氣；通過調節羅茨風機的進風量和設置在整個系統最末端的尾氣排風機的排風量，控制脫銷反應器內部負壓在設定範圍內；
啟動燃燒器，控制丙烷儲氣罐中輸送的丙烷氣體和過量的壓縮空氣進入燃燒室點火燃燒，產生的高溫高速側向霧化氣流在達到1400℃後進入脫硝反應器內；
當入脫硝反應器下部溫度為100℃時，打開去離子水槽閥門，啟動計量泵，調整計量泵出口壓力在0.20～0.30mpa；
當脫硝反應器上部溫度為400℃時，開啟供料罐閥門，關閉去離子水槽閥門，濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃的硝酸鈾醯料液，通過計量泵後經霧化導管送至燃燒室內部；
硝酸鈾醯料液進入脫銷反應器，在脫銷反應器內被燃燒室內輸送的高溫高速側向霧化氣流分散成霧滴，硝酸鈾醯霧滴在脫硝反應器內的高速高溫渦流作用下，完成游離水的蒸發和結晶水的脫去，發生化學反應，生成uo3產品和含氮氧化物、co2、水蒸氣、o2的反應尾氣；
生成的脫硝產品uo3固體粉末及反應尾氣通過脫銷反應器底部管道輸送至旋風分離器中，在旋風分離器作用下實現uo3固體粉末與反應尾氣的一級分離，一級分離後的uo3固體粉末在旋風分離器底部沉降，通過卸料旋轉閥轉移至產品容器中；
旋風分離器中未沉降的uo3固體粉末，隨反應尾氣進入除塵器中實現二級分離，保證反應產物的收率；
殘餘尾氣通過排風機輸送至尾氣處理系統進行淨化，淨化後的尾氣進行排空。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，實現本工藝的主要設備中，除塵器為袋式、管式中的一種。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，通過調節羅茨風機的進風量和設置在整個系統最末端的尾氣排風機的排風量，控制脫銷反應器內部負壓為-1000±100pa。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，設定脫銷反應器上部溫度為600℃、下部溫度為300℃。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，操作過程中，通過調整計量泵出口流量，來控制脫銷反應器上部溫度在500～600℃。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，通過計量泵後經霧化導管送至燃燒室內部的硝酸鈾醯料液的濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，通過計量泵後經霧化導管送至燃燒室內部的硝酸鈾醯料液的濃度為1000gu/l、溫度為80℃。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，通過冷卻水箱為硝酸鈾醯料液保溫，使其一直保持在80℃。
進一步的，如上所述的一種硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝，在脫銷反應器底部管道和旋風分離器進口端之間設置冷卻風泵，對脫硝產品uo3固體粉末及反應尾氣進行冷卻，冷卻到200～300℃。
本發明採用設計加工的燃燒室及脫硝反應器作為硝酸鈾醯熱解脫硝的主體設備，以丙烷和過量空氣燃燒產生的高溫、高速氣體作為熱量及霧化氣來源，將硝酸鈾醯料液進行乾燥脫水和熱解脫硝。該工藝技術方法具有：工藝流程短、設備結構簡單、運行穩定、unh轉化率高、製備出的uo3粒度分布均勻、化學反應活性好等優點。其具體特點如下所述：
1)確定的硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝技術方案與我國鈾純化生產工藝技術路線自身特點相適應，且流程簡單。該發明技術方案採用的丙烷燃燒產生的高溫氣體作為熱量及霧化氣來源，不僅解決了硝酸鈾醯料液脫硝反應所需的熱量，更為料液的霧化提供了氣體來源，並且通過控制脫硝反應器內水蒸氣分壓，可實現對產品活性的控制，製備出的高活性uo3可直接用於後續氫還原，從而取消原有uo3水合活化過程，縮短了工藝流程。
2)系統組成結構簡單。該系統關鍵設備為燃燒室及脫硝反應器，輔助設備僅有脫硝反應後用於物料收集的旋風分離器及袋(管)式除塵器、計量泵、風機等。與傳統的unh內加熱式脫硝流化床相比，該脫硝反應器內部無其它部件，更便於工藝控制及檢修。
3)確定的最佳技術條件相對寬鬆，易於實現。反應器上段的最佳控制溫度500～600℃，反應器內壓力-1100±100pa(表壓)，工藝操作易於實現。
4)確定的工藝技術方案製備出的uo3活性較高，比表面積在10m2/g～20m2/g左右，比脫硝流化床製得的uo3產品(比表面積約為0.6m2/g)高出很多，更利於後續uo3的氫還原和uo2的氫氟化反應。
5)具有顯著的經濟效益。高活性uo3的製備可縮短工藝流程，節約生產成本，而且丙烷燃燒產生的高溫氣體既可作為熱量來源又可作為霧化氣來源，比脫硝流化床採用內加熱及霧化系統更加節約成本。
6)在國內首次實現了高活性uo3的製備，對於完善鈾純化生產技術體系，提升鈾純化生產技術水平具有重要意義。
附圖說明
圖1是硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備三氧化鈾工藝技術路線示意圖。
圖中：1—供料罐，2—計量泵，3—燃燒室，4—丙烷儲罐，5—冷卻水箱，6—羅茨風機，7—脫硝反應器，8—冷卻風泵，9—旋風分離器，10—布袋除塵器，11—排風機，12—去離子水槽。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案進行詳細說明。
根據掌握的硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝技術方案，結合我國鈾純化生產工藝技術路線自身特點，確定硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝技術路線如圖1所示，技術方案包括以下方面：
(1)確定實現本工藝的主要設備
實現本工藝的主要設備為：計量泵、霧化導管、燃燒室、脫硝反應器、丙烷儲氣罐、供料罐、冷卻水箱、羅茨風機、冷卻風泵、旋風分離器、除塵器、尾氣排風機；
實現本工藝的主要設備中，除塵器為袋式、管式中的一種；
(2)確定本工藝工作原理
工藝過程中涉及的化學原理是：
六水合硝酸鈾醯的熱分解反應：
熱分解反應所需要的熱氣通過丙烷與空氣燃燒供給：
c3h8+5o2→3co2+4h2o
(3)確定具體工藝方案：
羅茨風機設置在燃燒室進風口，用來向燃燒室輸送壓縮空氣；通過調節羅茨風機的進風量和設置在整個系統最末端的尾氣排風機的排風量，控制脫銷反應器內部負壓為-1000±100pa；
啟動燃燒器，控制丙烷儲氣罐中輸送的丙烷氣體和過量的壓縮空氣進入燃燒室點火燃燒，產生的高溫高速側向霧化氣流在達到1400℃後進入脫硝反應器內；
操作過程中，通過調整計量泵出口流量，來控制脫銷反應器上部溫度在500～600℃；具體的，設定脫銷反應器上部溫度為600℃、下部溫度為300℃；
當入脫硝反應器下部溫度為100℃時，打開去離子水槽閥門，啟動計量泵，調整計量泵出口壓力在0.20～0.30mpa；
當脫硝反應器上部溫度為400℃時，開啟供料罐閥門，關閉去離子水槽閥門，濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃的硝酸鈾醯料液，通過計量泵後經霧化導管送至燃燒室內部；具體的，在本實施例中，通過計量泵後經霧化導管送至燃燒室內部的硝酸鈾醯料液的濃度為1000gu/l、溫度為80℃；通過冷卻水箱為硝酸鈾醯料液保溫，使其一直保持在80℃；
硝酸鈾醯料液進入脫銷反應器，在脫銷反應器內被燃燒室內輸送的高溫高速側向霧化氣流分散成霧滴，硝酸鈾醯霧滴在脫硝反應器內的高速高溫渦流作用下，完成游離水的蒸發和結晶水的脫去，發生化學反應，生成uo3產品和含氮氧化物、co2、水蒸氣、o2的反應尾氣；
生成的脫硝產品uo3固體粉末及反應尾氣通過脫銷反應器底部管道輸送至旋風分離器中，在旋風分離器作用下實現uo3固體粉末與反應尾氣的一級分離，一級分離後的uo3固體粉末在旋風分離器底部沉降，通過卸料旋轉閥轉移至產品容器中；
旋風分離器中未沉降的uo3固體粉末，隨反應尾氣進入除塵器中實現二級分離，保證反應產物的收率；在脫銷反應器底部管道和旋風分離器進口端之間設置冷卻風泵，對脫硝產品uo3固體粉末及反應尾氣進行冷卻，冷卻到200～300℃。
殘餘尾氣通過排風機輸送至尾氣處理系統進行淨化，淨化後的尾氣進行排空。
建立硝酸鈾醯氣流式霧化乾燥熱解脫硝製備uo3工藝試驗系統；建立uo3產品取樣分析系統。具體實施方式如下所述：
1、根據設備處理能力，通過熱量衡算及物料衡算設計燃燒室及脫硝反應器等主體設備。
2、依據設計的設備結構參數加工相應設備，並對其它輔助設備進行選型，根據設備尺寸及位置要求搭建支撐和檢修平臺，安裝設備，建立以燃燒室及脫硝反應器為主體設備的硝酸鈾醯脫硝製備uo3工藝系統。
3、控制最佳的溫度、水蒸氣分壓和氣液比等條件，達到硝酸鈾醯脫硝製備uo3的效果。
4、為檢測分析產品uo3比表面積，建立分析系統，為確定水蒸氣分壓、溫度、氣液比對產品uo3活性的影響。