李冠华　何广昌　张超

【摘 要】本文结合UF6转化干法生产线特点，对含有较高浓度HF气体和铀化合物粉尘的尾气处理以及HF回收系统设计进行论述和分析，并对如何提高该系统有效性和安全性等重点关注事项进行了探讨。

【关键词】干法线；尾气处理；HF回收

0 引言

UF6干法转化生产线在生产过程中由于生产工艺的原因会产生大量含有较高浓度HF气体和微量铀化合物（UO2F2）粉尘的尾气。由于HF气体及其水溶液具有剧毒性、强腐蚀性和强刺激性，对人体的呼吸系统和粘膜有较强的腐蚀作用，过量接触会对人体长生严重危害。同时，铀及其化合物均具有较强的化学毒性和辐射危害，可通过呼吸系统进入体内，引起重金属中毒和内照射。因此需采用相应的设计方案对有害尾气进行处理，确保生产操作人员的职业卫生安全。本文结合UF6化工转化特点，对目前采用的尾气回收和处理的工艺设计方案进行描述，并就设计中重点关注事项行了分析和探讨，以期对今后的工程设计提供借鉴。

1 尾气处理主要危险源项

1.1 HF气体及其水溶液

HF属高毒类物质，其对人体的危害为：嗅觉阈值0.03mg/m3；在25mg/m3时已感到刺激；26mg/m3时耐受数分钟；在50mg/m3时引起眼和鼻黏膜刺激症状，皮肤刺痛；100mg/m3浓度下只能耐受1min；400～430mg/m3浓度下，急性中毒致死。工作场所F离子的职业接触限值为2mg/m3（按F计）[1]。

HF气体在较低温度下会和水蒸气共同冷凝生成氢氟酸。氢氟酸有剧毒，吸入高浓度的氢氟酸酸雾会引起支气管炎和出血性肺水肿。氢氟酸还对皮肤有强烈刺激性和腐蚀性，可经皮肤吸收而引起严重中毒。

因此，在尾气处理工序中必须采取措施保证HF气体冷凝回收装置的安全性和有效性，避免泄漏造成设施和人员伤害。

1.2 铀化合物粉尘和含铀气溶胶

干法化工生产线转化反应化学方程式为：UF■+H■O→UO■F■+HF，UO2F2为羽状固体化合物，可能以粉尘形式进入尾气造成污染[2]。

摄入可溶性铀化合物会对肾脏造成急性化学损伤，超过限值会使人骨骼畸形，同时α射线会对人造成内照射，诱发血淋巴染色体畸变及各种肿瘤。吸入可溶性铀0.03mgU/kg不会对人体健康造成影响；吸入0.058mgU/kg可能造成短暂肾脏伤害或影响；0.3mgU/kg是造成持久肾脏伤害的最低量；而半致命量为1.63mgU/kg（以上数值均为相对于生物体的重量）。

1.3 H2气体

干法转化过程中使用H2气还原UO2F2生成UO2。过量的H2气与其他气体一起进入尾气处理系统。由于氢气的易燃易爆性质，在尾气处理中必须采取措施清除未完全反应的H2，保证系统和人员安全。

2 尾气处理设计方案分析

2.1 设计要求及目标

原料UF6与水蒸气在气相状态下反应生成UO2F2羽状粉末，按照UF6流量约为50kg/h保守计算，非挥发性粉尘释放因子为0.01，尾气中铀粉尘产生率约为338.1gU/h[3]。微孔管过滤器过滤效率取99%（一般>99%），则转化炉尾气铀排放速率最大约为3.4gU/h。

HF作为剧毒气体，依照其性质采取冷凝回收处理方法，并通过水喷射泵进行吸收洗涤，保证处理后含量达到安全阈值以下，达标排放。

H2气体为易燃易爆气体，为防止其在车间内可能的积聚，在尾气处理工序中设置点火装置，将H2点燃以达到去除的目的。并在室内设置H2气检测装置，当检测到浓度超标时打开事故排风机组进行强制换气。

尾气中含有的微量UO2F2粉尘主要通过水喷射机组进行洗涤吸收。

2.2 设计方案

由反应室出来的工艺尾气，通过蒙乃尔合金管道（沿流体流向1%坡度）进入尾气处理间，进气温度约为165℃，尾气中含有HF、N2气体、水蒸汽、H2气以及微量铀化合物粉尘。尾气首先经过预冷器冷却降温，产生少量HF酸凝结液，沿坡向冷凝器的尾气管道与未凝及不可凝气体一起进入石墨增强聚丙烯冷凝器。冷凝器进气温度约为120℃，使用进水温度≤7℃的低温水作冷媒再次冷凝，将大部分水蒸汽和HF气体转化为浓度40%左右的氢氟酸，并收集在氢氟酸冷凝液收集槽中；冷凝器中低温冷却水经过换热后出水温度约为12℃，作为预冷器冷却水后回制冷机组循环使用。冷凝液收集槽内液体温度为20℃，当收集到一定量后，槽中氢氟酸会通过溢流和虹吸作用通过管道进入氢氟酸贮槽暂存，并定期通过氢氟酸泵和转运槽车转移到氢氟酸库。

经过石墨冷凝器处理后的不凝气体通过尾气管道进入水喷射机组进行吸收洗涤。尾气洗涤装置设为两级，可并行和串行操作，便于工作人员根据工况对系统进行调整。循环槽中洗涤液循环使用，在槽体底部设置取样口，通过定时取样分析，监测洗涤液中F离子含量≤3g/L，U离子含量≤300mg/L，在限定浓度内定期更换，送相关工序处理。

经过水吸收后的尾气基本上仅含有N2气和H2气，而HF气体和铀气溶胶含量甚微，排放后不会对环境造成危害。尾气经点火装置燃尽H2气后排入局部排风系统。

由于氢氟酸具有强腐蚀性，需要选择耐腐蚀的管道和相关阀件以保证系统密闭性和完整性。传统设计采用钢衬聚四氟乙烯作为管道材料，但是由于该种管材制作和安装繁琐，且易出现腐蚀，目前尝试采用聚偏二氟乙烯管道作为常温氢氟酸输送管道[4]。管道敷设及连接部位设置管道井，以保证事故情况下泄露的氢氟酸被密封在较小的范围内。

2.3 设计重点关注事项

尾气处理系统安全重要设备有：冷凝器、冷凝液槽、低温水系统、水喷射机组、氢氟酸储槽，点火装置等。其安全保障措施如下：

石墨冷凝器作为HF气体冷凝回收的关键设备，计算换热面积为18.53m2，设计采用30m2换热面积，以保证在操作过程中的换热余量。

冷凝液槽作为氢氟酸冷凝液的收集容器，其密封性和安全性至关重要，因此在管道设计上采用溢流和虹吸方式出液，出液后槽内保持一定高度的液位，确保系统的气密性不被破坏；并设置上液位监测系统，防止冒槽。同时在冷凝液槽上设置取样口，通过控制分析室检测确保氢氟酸浓度合格以及铀离子浓度≤3ppm。

低温冷却水系统是HF气体冷凝回收的重要保证。在冷凝器的进口和出口处均设置温度监测点，确保进水温度<7℃，温升为5℃。同时设置入口流量和压力监测，当超出设定值时报警并启用应急冷却系统。

水喷射器和循环槽可以将未冷凝的HF气体和铀化合物粉尘洗涤吸收，保证排气的安全。该系统设置两级水喷射吸收装置，并各设两台循环泵，一备一用。一方面保证发生单一操作错误或设备故障时不会导致大量放射性物质和化学危险物质释放，另一方面通过转炉内的压力信号控制水喷射器吸气口进口压力并实现自动调节，保证炉压稳定。在循环槽上设置取样口，通过检测循环液中F离子和U离子浓度保证临界安全和洗涤效果。

氢氟酸储槽统一放置在氢氟酸暂存间内，通过实体墙与外部环境隔离。暂存间设有HF探测报警装置，信号传输至控制室，一旦发生HF泄漏，将在操作岗位和控制室报警，保证操作人员及时发现并进行处理。在氢氟酸暂存间入口处设置气衣间和洗眼器，所有进入暂存间的操作人员都必须穿戴防护装备，以最大限度减少氢氟酸对操作人员的影响。同时，在氢氟酸暂存间出口处设置30cm高围堰，确保氢氟酸储槽泄漏时酸液全部被封闭在暂存间内。

在尾气处理系统中使用的所有液体贮槽，均设置液位监测装置，确保出现事故时及时发现和处理。

点火装置通过点燃尾气中的H2气以消除意外聚集的可能。点火装置上设有火焰监测报警系统和连续点火装置，熄火时能自动点燃，并在点火装置进气管道上设置阻火器。同时为确保厂房和人员安全，根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）和《爆炸和火灾环境电力装置设计规范》（GB 50058-92）的相关规定，结合实际运行经验，将氢气和天然气浓度检测报警装置的报警控制值设为爆炸下限的10%。

3 尾气处理设计展望

干法化工转化尾气处理设计要同时满足生产和安全需要，并不断提高完善化、合理化、自动化水平。

当前工艺中氢氟酸浓度及U离子浓度均采用现场取样控制室分析的方法进行检测，不适合连续生产监测，无法及时发现并消除生产异常情况，产品质量控制难以保障。后续设计中，将以连续在线检测为重点，当氢氟酸产品参数异常时报警并自动进行管道切换，将不合格产品导入事故储槽进行处理。

现有设计方案通常只设置一条氢氟酸管道，一旦发生管道泄漏，在检修过程中不可避免会对操作人员身体健康产生威胁。如果可以通过实际运行取得管材的使用寿命，在生产运行期内预留数根管线，当所用管道发生问题时只需切换到预留管道，则可以有效减少操作量和接触时间。

4 结论

本文对铀化工转化干法生产线尾气处理以及HF回收系统设计方案进行分析，阐明了尾气处理工序中需要关注的细节和重点，并就个人设计经验对未来该系统的发展方向和目标提出了意见和看法。

【参考文献】

[1]工业场所有害因素职业接触限值，GBZ2-2002[S].

[2]沈朝纯.铀及其化合物的化学与工艺学[M].原子能出版社.

[3]Air Sampling in the Workplace，NUREG-1400[S].

[4]乔治·费歇尔塑料管道系统耐化学腐蚀性能手册[S].

[责任编辑：张涛]