李振峰,張慧忠,張振興
(中核四〇四有限公司 第一分公司,甘肅 蘭州 732850)
UF6是唯一的一種既穩(wěn)定又具有高度揮發(fā)性的鈾化合物,一直被用作同位素分離廠的供料。生產(chǎn)UF6的核心設(shè)備為氟化反應(yīng)器。目前,國外廣泛使用的氟化反應(yīng)器主要有火焰爐反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器[1-3]?;鹧鏍t反應(yīng)器是美國聯(lián)合碳化物公司于1950年開發(fā)的連續(xù)氟化塔式反應(yīng)器,它是由精制UF4生產(chǎn)UF6的一種高效氟化反應(yīng)器;流化床反應(yīng)器對UF4的物性具有更強的適應(yīng)性,因而成為氟化粗制UF4較為理想的反應(yīng)器。我國于20世紀(jì)70年代初研制成功立式氟化反應(yīng)器,它兼容了火焰爐反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器的某些特點。
由中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司(原核工業(yè)第七研究設(shè)計院)設(shè)計,在中核四〇四有限公司(原中核集團四〇四廠)投資建設(shè)的鈾轉(zhuǎn)化新廠已投產(chǎn)運行逾5年[4-5],其氟化反應(yīng)器設(shè)計生產(chǎn)能力為250 kgU/h。該廠是以核純級二氧化鈾(UO2)為原料生產(chǎn)天然UF6,生產(chǎn)規(guī)模為3 000 tU/a。
氟化反應(yīng)過程中,電流與UF4進料速率比稱為氣固比。為提高250 kgU/h立式氟化反應(yīng)器的生產(chǎn)效率,需通過生產(chǎn)試驗確定最佳氣固比范圍。若氣固比過小,F(xiàn)2會欠量,氟化反應(yīng)不能正常進行;反之,則會造成F2浪費,同時增加后序生產(chǎn)系統(tǒng)的負擔(dān)。目前,對氟化反應(yīng)過程中投料氣固比的系統(tǒng)研究尚未見文獻報道。
本文首先從理論上計算氣固比與F2過剩量的關(guān)系,再在此基礎(chǔ)上進行最佳氣固比試驗和考核驗證。
根據(jù)250 kgU/h立式氟化反應(yīng)器的實際運行工況及生產(chǎn)經(jīng)驗,擬定以下相關(guān)計算條件:制氟電流,90 kA;電流效率,90%;F2中夾帶的HF的體積分數(shù),5%;系統(tǒng)N2流量,7 m3/h;UF4物料中氟化鈾酰(UO2F2)的質(zhì)量分數(shù),5.5%;UF4物料中UO2的質(zhì)量分數(shù),0.5%。
氟化反應(yīng)器內(nèi)與F2消耗有關(guān)的反應(yīng)方程式如下:
(1)
(2)
(3)
首先計算電解產(chǎn)生的F2量及F2中夾帶的HF量。根據(jù)Faraday(法拉第)電解定律[6]有:
Q=znF
(4)
式中:Q為電量,C;z為電極反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的計量系數(shù);n為電極析出物質(zhì)的量,mol;F為Faraday常數(shù),96 484.5 C/mol。
根據(jù)電流強度的定義,有:
Q=It
(5)
式中:I為電流強度,A;t為時間,s。
由式(4)、(5)可得:
(6)
考慮電流效率η,則有:
η
(7)
電解制氟的陽極反應(yīng)式為:
(8)
由式(8)可得z=2。
根據(jù)以上過程可得:電解產(chǎn)生的F2量為1 511.124 mol/h;F2中夾帶的HF量為79.533 mol/h。
當(dāng)氣固比為205 A·h/kg時,UF4進料速率為439.024 kg/h,其中,UO2F2進料速率為24.146 kg/h,即78.396 mol/h;UO2進料速率為2.195 kg/h,即8.130 mol/h;純UF4進料速率為412.683 kg/h,即1 314.277 mol/h。
則與純UF4反應(yīng)的F2量為1 314.277 mol/h,相應(yīng)生成的UF6量為1 314.277 mol/h;與UO2F2反應(yīng)的F2量為156.792 mol/h,相應(yīng)生成的UF6量為78.396 mol/h,生成的O2量為78.396 mol/h;與UO2反應(yīng)的F2量為24.390 mol/h,相應(yīng)生成的UF6量為8.130 mol/h,生成的O2量為8.130 mol/h。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知:氟化反應(yīng)消耗的F2總量為1 495.459 mol/h;生成的UF6總量為1 400.803 mol/h;生成的O2總量為86.526 mol/h;反應(yīng)后剩余的F2量為15.665 mol/h。
至此可得到反應(yīng)后爐氣成分:UF6為1 400.803 mol/h;F2為15.665 mol/h;O2為86.526 mol/h;N2為312.500 mol/h;HF為79.533 mol/h;爐氣總量為1 895.027 mol/h。
由此計算出的氣固比為205 A·h/kg及其他氣固比時爐氣中各組分的質(zhì)量分數(shù)列于表1。
從表1可知,當(dāng)氣固比≥203 A·h/kg時,已有足夠的F2進行氟化反應(yīng)(F2過剩量≥0.06%);當(dāng)氣固比<205 A·h/kg時,F(xiàn)2過剩量<1.04%,考慮到UF4進料的不均勻性,立式氟化反應(yīng)器成渣率會較高,甚至氟化反應(yīng)不能正常進行;而當(dāng)氣固比>210 A·h/kg時,F(xiàn)2過剩量>3.39%,F(xiàn)2過量太多,造成嚴(yán)重浪費,不利于生產(chǎn)線的經(jīng)濟運行。而且,隨著氣固比的增大,爐氣中UF6的體積分數(shù)逐漸降低,F(xiàn)2的體積分數(shù)逐漸升高,不利于后續(xù)冷凝液化工序產(chǎn)品的接收,同時增加了尾氣處理系統(tǒng)負擔(dān)。為此,擬將氣固比控制在205~210 A·h/kg范圍內(nèi)。
表1 90 kA電流時不同氣固比下爐氣中各組分的質(zhì)量分數(shù)
根據(jù)理論計算結(jié)果,將氣固比控制在205~210 A·h/kg進行生產(chǎn)試驗。生產(chǎn)試驗持續(xù)3 d,制氟電流穩(wěn)定于90 kA。試驗期間相關(guān)參數(shù)的變動列于表2。
3 d試驗共投入31 299.6 kg UF4,期間72 h全部為有效運行時間,平均投料速率為434.7 kg/h,平均氣固比為207.0 A·h/kg。試驗期間,立式氟化反應(yīng)器工作正常,各項參數(shù)穩(wěn)定,證明氣固比控制在205~210 A·h/kg范圍內(nèi)是可行的,同時也說明以往氣固比控制范圍(200~220A·h/kg)太大,控制均值(平均值約為210 A·h/kg)偏高,不經(jīng)濟。根據(jù)表1,將氣固比由210 A·h/kg調(diào)低至207 A·h/kg,F(xiàn)2利用效率可提高1.40%。
在生產(chǎn)試驗的基礎(chǔ)上,在氣固比控制范圍為205~210 A·h/kg條件下,對立式氟化反應(yīng)器進行了1個生產(chǎn)周期的生產(chǎn)考核驗證。期間,立式氟化反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定運行53 d,在前期生產(chǎn)周期(≤40 d)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造了連續(xù)穩(wěn)定運行天數(shù)的新紀(jì)錄;立式氟化反應(yīng)器成渣率為0.12%,較前期成渣率(0.15%~0.20%)下降20%以上。
表2 試驗期間參數(shù)的變動
經(jīng)理論計算及生產(chǎn)考核驗證,立式氟化反應(yīng)器的最佳投料氣固比控制范圍為205~210 A·h/kg,此范圍內(nèi)能實現(xiàn)立式氟化反應(yīng)器的長期連續(xù)穩(wěn)定運行;立式氟化反應(yīng)器氣固比控制范圍由前期生產(chǎn)確定的200~220 A·h/kg調(diào)整優(yōu)化為205~210 A·h/kg后,F(xiàn)2利用效率提高1%以上,成渣率下降20%以上,經(jīng)濟效益明顯。
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