徐杨华，李　斗，任　力，华　伟

(中电投远达环保工程有限公司重庆科技分公司,重庆　401122)



MVR蒸发在核电站事故废液处理中的应用研究*

徐杨华，李斗，任力，华伟

(中电投远达环保工程有限公司重庆科技分公司,重庆401122)

蒸发作为一种应用多年的放射废水处理技术，具有核素去除率高，减容效果好，稳定性好等优点。机械蒸汽再压缩(MVR)技术基于热泵原理实现节能，相比传统蒸发装置，MVR装置设备布置紧凑，节能效果明显，现阶段应用广泛。作者在50 L/h MVR蒸发装置上的冷试结果显示该装置对锶铯钴核素的去污因子能达到5×105以上，综合能耗优于五效蒸发。是一种在核电废水正常蒸发处理和应急蒸发处理设备方面都很有前景的技术。

机械蒸汽再压缩；放射性废水；去污因子；节能

放射性废水是指核电厂、核燃料循环以及放射性同位素生产、应用过程中产生的带有放射性污染或活化核素的各种废水。不同废水所含放射性核素的种类和活度浓度、酸碱度、常规化学组分等差异很大。对于常见的轻水堆核电站而言，当核电站发生堆芯熔毁等严重的超设计基准事故时，由于燃料元件包壳破裂等因素，燃料组件内大量裂变碎片、活化产物以及长寿命放射性核素会进入一回路水中。

此外如果发生地下水渗入，或采用厂外注水等方式实现堆芯冷却时，也会导致大量的外来水被污染而变为需要处理的放射性废水，此类废水往往成分复杂，且含有一定量的高毒(如Sr90，Co60)，极毒(如Pu239)组核素，因此必须进行严密监测和妥善处理。此外，为了尽可能减少放射性废物量，尽可能减轻事故影响，处理方案的减容效果也是一个十分重要的指标。蒸发法是一种在核工业领域广泛应用废水处理技术，除碘-131、氚等少量挥发性核素外，其对大部分放射性物质均有很好的分离效果，且工艺路线成熟，设备来源广。是一种广泛应用的放射性废液处理技术，在核设施废水处理系统中占有重要地位。

图1　福岛核电站场内污水管理系统示意图Fig.1　Schematic diagram of the sewage management system of Fukushima accident zone

就核电站严重事故废水应急处理而言，以日本福岛第一核电站为例，根据IAEA的统计，事故发生后，福岛第一核电站必须管理的污染水总量高达800 m3/天[1]，图1是福岛核事故后，东电公司用于对污水进行处理和回用的污染水管理系统示意图。其中，文献[2]指出，先进放射性废水处理系统中包含一套蒸发处理系统，用以对除锶铯的中低放废液进行浓缩减容，最终生产的浓液则去浓缩废液储藏区，做固化或其他方式以实现最终处置。

依据蒸发料液的含盐情况、厂房情况，一般在放射性废水处理领域有釜式蒸发器，升膜式蒸发器、自然循环式蒸发器以及红外加热式蒸发器应用[3]。然而直接供热需要消耗大量的一次蒸汽或电能，据中国原子能科学研究院测算[4]，采用传统蒸发方式处理1吨低放射水平废水，需要消耗1.2～1.5 t的120 ℃蒸汽，折合能耗约762 kWh/t水，是典型的高耗能过程，且冷凝过程消耗大量冷却水，导致系统庞大，设计复杂，难以实现系统的小型化，因此此类蒸发装置大多为固定设计，难以实现移动化和模块化，客观上也不适合用于设计核应急使用的移动式蒸发设备。

1　MVR技术的发展及原理

在19世纪30年代便有科学家提出了MVR的技术设想，但直到1925年，一家奥地利企业才生产出第一台工业应用的MVR装置，我国自20世纪70年代对该项技术开展技术研发和引进工作，研究和示范项目体现出了该技术巨大的节能潜力，但因为技术和成本等原因，技术成熟较慢，且蒸汽压缩机等核心设备及相关核心技术专利长期为美国GE、德国GEA等大公司垄断，因此2000年前鲜有该技术在国内的应用报道，直到现在，国内外节能降耗压力加大，国内方重视对该技术的研究开发，该项技术才在国内制盐、食品、环保等领域取得较为广泛的应用[5]。在我国核电领域，位于浙江三门的采用美国第三代核电技术的AP1000机组以及广东台山的采用欧洲第三代核电技术的EPR机组设置了MVR蒸发装置用于化学废水处理[6]，但未见该装置采用国产化设备的相关报道。

图2　MVR工艺流程图Fig.2　Process chart of MVR evaporation system

该技术实际是一种开式热泵，流程图2是一台自然循环式升膜式MVR蒸发装置工艺流程图。工艺流程为：①来自界区的原水首先经原料预热器与从冷凝水罐出料的高温冷凝水进行换热，进入分离室浓液出口与浓液混合。②浓缩液-原液混合液进升膜蒸发器，与蒸汽进行热交换，温度升高，部分气化后汽水混合物经循环管进入分离室，加热蒸汽冷凝水进入冷凝水缓冲罐。③分离室内进行汽水分离，蒸汽从上部出分离室去过滤器，浓液自下部出分离室去与原液汇合。④分离室出蒸汽经两级雾沫分离，然后进蒸汽压缩机进行压缩，热焓提高后作为加热蒸汽去蒸发器内做加热蒸汽。

和传统的蒸发技术相比，MVR的主要区别在于：①将原有的界区蒸汽/电加热改为由压缩机提升蒸汽热焓，回收了蒸汽潜热，除开工的一次性能耗和定期少量补热外，基本不需外界供给能量，以真空操作下的某蒸汽量为1 t/h的MVR蒸发工艺过程部分热力学过程进行分析，温度为86.61 ℃，压力为61.32 kPa(绝压)的二次蒸汽压缩至71.93 kPa(绝压)时，其出口温度达101 ℃，此时消耗理论绝热功率为7.58 kW，然而被提高热焓的过热蒸汽在加热室中再度冷凝时，其在对应压力下可放出的潜热达639.36 kW，即用少量的电能即可实现蒸汽潜热的回收。② 蒸汽凝液直接用于对原料液进行预热，取消了传统蒸发的冷凝水供给。采用以上设计为蒸发系统带来了以下好处：蒸发热源不是界区蒸汽，而是经压缩后的二次蒸汽，压缩机压缩蒸汽回收潜热与直接加热单效蒸发相比，节能优势显著，且减少了热污染，此外由于没有大量工艺蒸汽相关的保温、配管设置，系统紧凑，在实现低能耗的同时利于实现小型化，移动化。

不过MVR技术仍存在以下一些特征和局限，需要设计操作人员予以特别注意：①由于蒸汽比容大，因此应当在低真空度下运行蒸发系统。②由于该系统中的核心装置蒸汽压缩机是一台结构相对复杂的动设备，存在泄露的风险，且真空泵抽气,不凝气中可能含有H3，I131等放射性物质,因此在设计、制造、加工以及屏蔽设置时对防止泄露措施应予以高度重视，且操作过程中应该尽量保证压缩机处于最佳工况，并严防发生蒸汽泄露等事故。

2　蒸发装置蒸发模拟废液试验结果讨论

为检验MVR技术对典型放射性活化产物的去除效果，并考察MVR装置的蒸发能耗等装置性能指标，故利用一套50 L/h MVR小试装置设计开展了8 h连续蒸发试验，试验原水为配制的含锶铯钴离子各1 g/L或0.1 g/L的模拟废水，试验时以系统温度压力稳定后运行8 h的相关数据为分析依据，蒸发1 g/L模拟废水的8 h试验的关键工艺参数列表如下：

表1　MVR小试装置主要工况参数监测平均值Table 1　Primary process parameters’ summary of MVR pilot evaporation system

上述对应条件下，要对设备的放射性污染去除能力进行考察，系统去污因子是工艺系统去污能力的核心指标，分别对当天进料原水、每小时蒸发系统出冷凝液以及浓水进行取样，检测水中锶铯钴离子含量，计算系统出冷凝液中锶铯钴含量。进而计算平均系统去污因子(DF)，系统去污因子计算公式如下：

DFis=Ci原/Ci冷

其中DFis代表核素i的去污因子；Ci冷代表冷凝液中i核素的质量浓度，单位为mg/L；Ci原代表原液中i核素的质量浓度，单位为mg/L。对小试装置进行8 h蒸发试验测得的系统平均去污因子为DFi锶=1.34×106，DFi铯=7.25×105，DFi钴=7.26×105。出水模拟核素含量低，水质稳定，能够达到深度净化的要求。

对系统蒸发能耗进行统计后发现，当前的蒸发装置蒸发每吨水的折合能耗在86.26 KW/h左右，相比传统蒸发节能88.7%，但和当前国内投产的工业级MVR装置相比，吨水能耗还有进一步的优化空间。分析系统后我们认为，由于小型单螺杆压缩机的多方效率较低(仅达30%)，因此在未来设计制造更大的MVR工艺系统时，应当选用性能更好的设备，以实现更好更经济的节能性能。

3　结　论

本文作者利用一套50 L/h的MVR热泵蒸发装置开展了对含锶铯钴核素的模拟废水进行了模拟蒸发试验，试验表明，MVR装置对三种不挥发核素的平均去污因子能达到7×105以上，装置出水水质稳定，节能效果显著，是一种极具潜力的放射性污水去污技术。

[1]福岛第一核电站事故总干事报告[M]. Vienna:IAEA, 2015:08.

[2]余少青,张春明,陈晓秋,等.日本福岛核电站事故后高浓度放射性废水处理系统介绍及其应用启示[J].辐射防护,2013,33(5):294-298.

[3]Y Yamomoto, N Mtisuishi, S Kadoya. Design and Operation of Evaporators for Radioactive Wastes[M]. Vienna: IAEA, 1968.

[4]鄢枭,杨雪峰,车建业,等.处理低水平放射性废液热泵蒸发技术的工程应用研究[A].中国核科学技术进展报告(第二卷)[C].2011:118-121.

[5]庞卫科.机械蒸汽再压缩热泵系统的理论分析和试验研究[D].北京:中国科学院大学,2013.

[6]吕威.AP1000放射性废液处理的特点[J].中国高新技术企业,2014(17):47-49.

Study on Application of Mechanical Vapor Recompression Evaporation in Nuclear Accident’s Radioactive Water Treatment*

XUYang-hua,LIDou,RENLi,HUAWei

(Chongqing Technology Branch, CPI-yuanda Environment-protection Engineering Co., Ltd., Chongqing 401122, China)

Evaporation is widely used in radioactive waste water purification because of its high radionuclide removal rate, high waste volume concentration ratio and excellent system stability. By compressing the exhausted steam to be the heat source, the mechanical vapor recompression (MVR) system can recover most latent heat from the exhausted steam, in addition, such kind of heat-pump evaporation system has following advantages such as space saving, raw steaming saving, makes it to be applied in manufacturing industry frequently. Decontamination factor (DF) data of radioactive waste water simulation evaporation test in an 50 L/h lab-scale MVR evaporator was analyzed, the DF of Sr Cs and Co was more than 5×105, and the energy consumption data showed that the MVR evaporator was more energy-saving than the five-effect evaporator. Therefore, it reached following conclusion that the MVR was an promising energy-saving nuclear waste water purification technology.

Mechanical Vapor Recompression (MVR); radioactive waste water; decontamination factor; energy saving

2014年国家能源局核电重大专项(2014ZX06004005-002)。

徐杨华(1990-)，男，硕士，研发工程师，主要从事放射性废物处理处置技术开发。

TL941+.12

A

1001-9677(2016)018-0171-03