热泵蒸发技术在放射性废液处理中的应用

赵大鹏　韩一丹　冯春晓

摘 要：此次研究主要是对热泵蒸发技术的应用流程及工艺进行简要介绍，并提出将热泵蒸发技术来取代自然循环蒸发技术，从而对核电站放射性废液得到有效处理。以热泵蒸发过程的热量及物料衡算结果为根据，通过热力学方法来分析热泵蒸发的过程，从而阐释该技术节能的突出优势。

关键词：热泵蒸发技术;放射性废液;应用

放射性废液之中具有较多的放射性核素，且该类物质不易挥发，通过蒸发浓缩的方式可将废水得到浓缩和净化，这种蒸发浓缩的方法已经在核电站放射性废液的处理工作中得到推广，传统蒸发浓缩技术主要是自然循环蒸发技术和强制循环蒸发技术，两种技术虽然在形式上存在不同，但均通过常压蒸发的工艺来完成，所以需要持续输入加热料液，这便会产生较大的耗能，此外，这些传统蒸发技术所使用的设备设施比较多，占地面积也比较大，且对建筑结构存在较高的要求。为了使这些弊端得以消除，本文主要研究一种节能技术，即热泵蒸发技术，研究其在放射性废液处理之中的具体应用效果。

1 热泵蒸发技术的工作原理及工艺流程

1.1 工作原理

热泵工作原理实际上与制冷机的工作原理非常相似，但两者也存在一定区别，即在工作温度范围以及使用目的方面存在不同，在低温位热源中，热泵会从中吸收外界功，从而将其提升成为高温位热能，进而实现能量再利用。而蒸发则是将不挥发性物质溶液进行加热，直至达到沸腾状态，使得溶剂发生汽化成为蒸汽。这一操作的目的在于将目标物质进行分离，属于一种传热过程，但溶剂汽化需要将较多的汽化潜热进行吸收，故在蒸发过程中需要对节能问题多加考虑。

而热泵蒸发装置联合了蒸发器和蒸汽压缩机，其实现了节能，这一装置能够将二次蒸汽经压缩机完成压缩，使工质的温度、压力以及焓得到了提升，并将压缩之后形成的蒸汽送至蒸发器加热室，当做加热蒸汽来完成料液蒸发，液料加热后会将潜热吸收，并转化成蒸汽。这便使少量高质能经热泵蒸发装置将较多的低温热能转化成有用高温热能，并对其加以利用，从而实现节能。

1.2 工艺流程

从上述热泵蒸发装置原理可得出其工艺流程图（见图1）。从核电站中形成的放射性废液在微负压状态条件下，会被吸入到热泵蒸发装置之中，当放射性废液进入到热泵蒸发装置之后，废液应先经预热器，并通过管程中的蒸汽冷凝液将其预热，当预热达到一定温度之后，废液便会进至蒸发器之中完成负压蒸发，在负压条件下通过蒸汽压缩机保持。在这种情况下废液会出现饱和沸腾，并会分离成二次蒸汽和浓缩液。蒸汽压缩机于吸入端产生负压吸入二次蒸汽，经压缩是蒸汽压力、温度以及焓得到提升，然后将完成压缩的蒸汽输送至蒸发器加热室之中，对废液继续加热，从而使能耗减少。而旋风分离装置则同蒸发器二次蒸汽的出口端之间保持连接，使二次蒸汽雾沫夹带得以去除，从而使压缩机入口段蒸汽品质得到有效提升。剩余浓缩液便会滞留于蒸发器之中，当完成一个运行周期后，便会排至浓缩液箱之中，通过下游工艺继续进行处理。

通过热泵蒸发装置来处理核电站放射性废液，能够使废液之中大多数非挥发放射性核素得以保留至蒸发残留液之中，而在蒸发过程中形成的二次蒸汽冷凝液之中含有的放射性核素含量则远低于原废液之中放射性核素含量，当放射性核素比最大允许浓度低的情况下便可直接向外部环境排放，而存留于蒸发残留液之中的放射性核素，其体积将会大幅度缩减，这便可通过固化方式将其处理。基于热泵蒸发技术的优势所在，故可将此项技术来取代传统自然循环蒸发技术和强制循环蒸发技术，能够节约放射性废液处理成本。

2 热泵蒸发技术的工艺效果

2.1 工艺计算

2.1.1 物料衡算

当热泵蒸发装置处于稳定、微负压状态时，且处于连续操作的条件下，其进口料的液流量记作F1，浓缩液流量以及二次蒸汽流量记作L和F2。而浓缩液以及料液中的主要成为一般为NaNO3水溶液，浓缩液以及料液的质量分数分别为x和z，依据物料守恒可以得出：

F₁=F₂+L①

zF₁=xL②

通过计算得出二次蒸汽流量的表达式为：

F2=F1（1-z/x）③

2.1.2 蒸发器热量衡算

以稳流形式的热力学第一定律为依据，当控制体处于给定状态下，进入到设备装置之中的热量应该与离开设备的热量相等。其可以表达为：

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表示蒸发器管侧料液进口焓;

H2表示蒸发器管侧料液出口焓;

H3表示蒸发器壳侧二次蒸汽进口焓;

H4表示蒸发器壳侧二次蒸汽出口焓;

2.1.3 压缩机热计算

压缩机进出口热力学温度可通过以下表达式表达：

T₂/T₁=（p₂/p₁）^（n-1）/n⑤

式中：

T1表示壓缩机进口蒸汽热力学温度;

T2表示压缩机出口蒸汽热力学温度;

p1表示压缩机进口蒸汽绝对压力;

p2表示压缩机出口蒸汽绝对压力;

n表示压缩时的多变指数。

压缩时的技术功Wt可表达为：

W_t=n/（n-1）R_gT₁[1-T₂/T₁]⑥

式中，Rg表示气体常数，进而可得出压缩过程的总热量表达式。表达式为：

q=（h₂-h1）+W_t⑦

式中：

h1表示压缩机进口处蒸汽焓;

h2表示压缩机出口处蒸汽焓。

2.2 热泵蒸发技术的热力学分析

此次研究所研究的对象是热泵蒸发装置，其属于一种开式热泵循环系统，此装置应用过程中的主要目的是为了将放射性废液之中包含的水分蒸发掉，从而得到浓缩液。放射性废液在蒸发过程中会产生二次蒸汽，压缩机会将二次蒸汽吸入，通过加压升温的方式形成加热蒸汽，再进入到蒸发器壳程，然后向管程之中的废液放热，从而将废液蒸发，而加热蒸汽会通过冷凝形成液体，最终从装置内排出。在放射性废液之中形成的二次蒸汽又会被压缩机吸入，从而形成循环过程。

3 热泵蒸发裝置的特点及技术应用

3.1 热泵蒸发装置的主要特点

从上述内容可以了解到，热泵蒸发技术的主要特点在于以下几个方面：

在温差小、压差小的环境下能够产生良好的节能效果;此装置的热力完善度比较高;

此装置的换热面积相对比较小;

此装置在运行过程中，其工艺流程各环节的紧凑性比较强;

有效能的效率比较高，热功能够实现充分转换。

从上述特点可以看出，与传统自然循环蒸发技术和强制循环蒸发技术相比，热泵蒸发技术的突出优势表现在节能、工艺流程效果突出以及节约空间等方面，基于以上特点，也能够确定热泵蒸发技术可以完全取代传统自然循环蒸发技术以及强制循环蒸发技术。

3.2 热泵蒸发技术的实际应用

在对放射性废液进行处理的过程中，热泵蒸发技术在目前已经得到应用，该技术主要适用于低压蒸发系统，在这一方面产生的节能效果尤为突出，在该技术应用的过程中，基本上能够实现蒸汽热量的转换和回收，能够满足国家提出关于节能减排的要求和标准，此外，通过应用此项技术，其他热设备无需投入使用。但需要注意一点，在实际应用的过程中，应该对热泵装置的实际工作条件多加考虑，不仅要对装置中产生的热量充分应用，还应该对设备制造情况多加考虑，选择合适的设备尺寸及工艺参数。

4 结束语

总而言之，热泵蒸发技术能够满足节能减排的要求，可在核电站放射性废热处理过程中节约处理成本，并能够取代传统自然循环蒸发技术以及强制循环蒸发技术，最为重要的是热泵蒸发技术能够有效、合理的处理放射性废液，保证了环境的安全性。

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