本發(fā)明涉及鈾純化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及六水合硝酸鈾酰溶液熱解脫硝制備uo3的工藝技術(shù)方法，是利用丙烷燃燒產(chǎn)生的高溫、高速氣流將六水合硝酸鈾酰溶液霧化、脫水干燥、脫硝制備出活性較高的uo3的工藝技術(shù)。
背景技術(shù)：
在核燃料生產(chǎn)領(lǐng)域中，u3o8、uo3和uo2是三種重要的、具有實(shí)用價(jià)值的鈾氧化物。其中，uo3作為鈾純化生產(chǎn)過(guò)程中的中間產(chǎn)品，其制備技術(shù)在核燃料循環(huán)過(guò)程中占有十分重要的地位。
目前，在國(guó)內(nèi)外鈾純化技術(shù)領(lǐng)域中，uo3的制備工藝可分為unh(unl)法、adu法、auc法三種。unh(unl)法與adu、auc法相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。adu、auc法在生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生沉淀母液或結(jié)晶母液，產(chǎn)生大量的廢水，處理廢水又產(chǎn)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(chǎn)生的工藝氣體可直接回收成硝酸，返回生產(chǎn)系統(tǒng)使用，所以基本不產(chǎn)生廢水、固體廢物。因此，在規(guī)?；膗o3生產(chǎn)中，unh(unl)法得到普遍關(guān)注和重視，該工藝技術(shù)已為國(guó)外多數(shù)鈾純化生產(chǎn)廠所采用，代表著國(guó)際鈾純化產(chǎn)業(yè)的一種先進(jìn)發(fā)展方向。
然而，unh法脫硝制備uo3存在的主要問(wèn)題是uo3的化學(xué)反應(yīng)活性較低，不利于uo3還原和uo2氫氟化工藝技術(shù)要求，需要對(duì)uo3活化處理來(lái)提高uo3產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)活性。為完善我國(guó)鈾純化技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)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(chǎn)成本，提升我國(guó)鈾純化生產(chǎn)技術(shù)水平，開(kāi)展了unh氣流式霧化干燥、熱解脫硝制備uo3工藝技術(shù)研究，并掌握了本方法關(guān)鍵技術(shù)，制備出了高活性的uo3產(chǎn)品。相對(duì)流化床脫硝和罐式脫硝技術(shù)而言，unh霧化干燥、熱解脫硝技術(shù)具有工藝過(guò)程較簡(jiǎn)單、廢物產(chǎn)生量小和產(chǎn)出的uo3的反應(yīng)活性與adu法制備的uo3化學(xué)反應(yīng)活性相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是掌握硝酸鈾酰脫硝制備uo3工藝技術(shù)，提高產(chǎn)品反應(yīng)活性，縮短鈾純化工藝路線，有效地降低鈾純化生產(chǎn)成本。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，技術(shù)方案包括以下方面：
(1)確定實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)備
實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)備為：計(jì)量泵、霧化導(dǎo)管、燃燒室、脫硝反應(yīng)器、丙烷儲(chǔ)氣罐、供料罐、冷卻水箱、羅茨風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)泵、旋風(fēng)分離器、除塵器、尾氣排風(fēng)機(jī)；
(2)確定本工藝工作原理
工藝過(guò)程中涉及的化學(xué)原理是：
六水合硝酸鈾酰的熱分解反應(yīng)：
熱分解反應(yīng)所需要的熱氣通過(guò)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(fēng)機(jī)設(shè)置在燃燒室進(jìn)風(fēng)口，用來(lái)向燃燒室輸送壓縮空氣；通過(guò)調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量和設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)最末端的尾氣排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，控制脫銷反應(yīng)器內(nèi)部負(fù)壓在設(shè)定范圍內(nèi)；
啟動(dòng)燃燒器，控制丙烷儲(chǔ)氣罐中輸送的丙烷氣體和過(guò)量的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生的高溫高速側(cè)向霧化氣流在達(dá)到1400℃后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器內(nèi)；
當(dāng)入脫硝反應(yīng)器下部溫度為100℃時(shí)，打開(kāi)去離子水槽閥門(mén)，啟動(dòng)計(jì)量泵，調(diào)整計(jì)量泵出口壓力在0.20～0.30mpa；
當(dāng)脫硝反應(yīng)器上部溫度為400℃時(shí)，開(kāi)啟供料罐閥門(mén)，關(guān)閉去離子水槽閥門(mén)，濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃的硝酸鈾酰料液，通過(guò)計(jì)量泵后經(jīng)霧化導(dǎo)管送至燃燒室內(nèi)部；
硝酸鈾酰料液進(jìn)入脫銷反應(yīng)器，在脫銷反應(yīng)器內(nèi)被燃燒室內(nèi)輸送的高溫高速側(cè)向霧化氣流分散成霧滴，硝酸鈾酰霧滴在脫硝反應(yīng)器內(nèi)的高速高溫渦流作用下，完成游離水的蒸發(fā)和結(jié)晶水的脫去，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成uo3產(chǎn)品和含氮氧化物、co2、水蒸氣、o2的反應(yīng)尾氣；
生成的脫硝產(chǎn)品uo3固體粉末及反應(yīng)尾氣通過(guò)脫銷反應(yīng)器底部管道輸送至旋風(fēng)分離器中，在旋風(fēng)分離器作用下實(shí)現(xiàn)uo3固體粉末與反應(yīng)尾氣的一級(jí)分離，一級(jí)分離后的uo3固體粉末在旋風(fēng)分離器底部沉降，通過(guò)卸料旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品容器中；
旋風(fēng)分離器中未沉降的uo3固體粉末，隨反應(yīng)尾氣進(jìn)入除塵器中實(shí)現(xiàn)二級(jí)分離，保證反應(yīng)產(chǎn)物的收率；
殘余尾氣通過(guò)排風(fēng)機(jī)輸送至尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化，凈化后的尾氣進(jìn)行排空。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)備中，除塵器為袋式、管式中的一種。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，通過(guò)調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量和設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)最末端的尾氣排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，控制脫銷反應(yīng)器內(nèi)部負(fù)壓為-1000±100pa。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，設(shè)定脫銷反應(yīng)器上部溫度為600℃、下部溫度為300℃。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，操作過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整計(jì)量泵出口流量，來(lái)控制脫銷反應(yīng)器上部溫度在500～600℃。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，通過(guò)計(jì)量泵后經(jīng)霧化導(dǎo)管送至燃燒室內(nèi)部的硝酸鈾酰料液的濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，通過(guò)計(jì)量泵后經(jīng)霧化導(dǎo)管送至燃燒室內(nèi)部的硝酸鈾酰料液的濃度為1000gu/l、溫度為80℃。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，通過(guò)冷卻水箱為硝酸鈾酰料液保溫，使其一直保持在80℃。
進(jìn)一步的，如上所述的一種硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝，在脫銷反應(yīng)器底部管道和旋風(fēng)分離器進(jìn)口端之間設(shè)置冷卻風(fēng)泵，對(duì)脫硝產(chǎn)品uo3固體粉末及反應(yīng)尾氣進(jìn)行冷卻，冷卻到200～300℃。
本發(fā)明采用設(shè)計(jì)加工的燃燒室及脫硝反應(yīng)器作為硝酸鈾酰熱解脫硝的主體設(shè)備，以丙烷和過(guò)量空氣燃燒產(chǎn)生的高溫、高速氣體作為熱量及霧化氣來(lái)源，將硝酸鈾酰料液進(jìn)行干燥脫水和熱解脫硝。該工藝技術(shù)方法具有：工藝流程短、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、unh轉(zhuǎn)化率高、制備出的uo3粒度分布均勻、化學(xué)反應(yīng)活性好等優(yōu)點(diǎn)。其具體特點(diǎn)如下所述：
1)確定的硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝技術(shù)方案與我國(guó)鈾純化生產(chǎn)工藝技術(shù)路線自身特點(diǎn)相適應(yīng)，且流程簡(jiǎn)單。該發(fā)明技術(shù)方案采用的丙烷燃燒產(chǎn)生的高溫氣體作為熱量及霧化氣來(lái)源，不僅解決了硝酸鈾酰料液脫硝反應(yīng)所需的熱量，更為料液的霧化提供了氣體來(lái)源，并且通過(guò)控制脫硝反應(yīng)器內(nèi)水蒸氣分壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品活性的控制，制備出的高活性u(píng)o3可直接用于后續(xù)氫還原，從而取消原有uo3水合活化過(guò)程，縮短了工藝流程。
2)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備為燃燒室及脫硝反應(yīng)器，輔助設(shè)備僅有脫硝反應(yīng)后用于物料收集的旋風(fēng)分離器及袋(管)式除塵器、計(jì)量泵、風(fēng)機(jī)等。與傳統(tǒng)的unh內(nèi)加熱式脫硝流化床相比，該脫硝反應(yīng)器內(nèi)部無(wú)其它部件，更便于工藝控制及檢修。
3)確定的最佳技術(shù)條件相對(duì)寬松，易于實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器上段的最佳控制溫度500～600℃，反應(yīng)器內(nèi)壓力-1100±100pa(表壓)，工藝操作易于實(shí)現(xiàn)。
4)確定的工藝技術(shù)方案制備出的uo3活性較高，比表面積在10m2/g～20m2/g左右，比脫硝流化床制得的uo3產(chǎn)品(比表面積約為0.6m2/g)高出很多，更利于后續(xù)uo3的氫還原和uo2的氫氟化反應(yīng)。
5)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。高活性u(píng)o3的制備可縮短工藝流程，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且丙烷燃燒產(chǎn)生的高溫氣體既可作為熱量來(lái)源又可作為霧化氣來(lái)源，比脫硝流化床采用內(nèi)加熱及霧化系統(tǒng)更加節(jié)約成本。
6)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高活性u(píng)o3的制備，對(duì)于完善鈾純化生產(chǎn)技術(shù)體系，提升鈾純化生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要意義。
附圖說(shuō)明
圖1是硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備三氧化鈾工藝技術(shù)路線示意圖。
圖中：1—供料罐，2—計(jì)量泵，3—燃燒室，4—丙烷儲(chǔ)罐，5—冷卻水箱，6—羅茨風(fēng)機(jī)，7—脫硝反應(yīng)器，8—冷卻風(fēng)泵，9—旋風(fēng)分離器，10—布袋除塵器，11—排風(fēng)機(jī)，12—去離子水槽。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
根據(jù)掌握的硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝技術(shù)方案，結(jié)合我國(guó)鈾純化生產(chǎn)工藝技術(shù)路線自身特點(diǎn)，確定硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝技術(shù)路線如圖1所示，技術(shù)方案包括以下方面：
(1)確定實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)備
實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)備為：計(jì)量泵、霧化導(dǎo)管、燃燒室、脫硝反應(yīng)器、丙烷儲(chǔ)氣罐、供料罐、冷卻水箱、羅茨風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)泵、旋風(fēng)分離器、除塵器、尾氣排風(fēng)機(jī)；
實(shí)現(xiàn)本工藝的主要設(shè)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(guò)程中涉及的化學(xué)原理是：
六水合硝酸鈾酰的熱分解反應(yīng)：
熱分解反應(yīng)所需要的熱氣通過(guò)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(fēng)機(jī)設(shè)置在燃燒室進(jìn)風(fēng)口，用來(lái)向燃燒室輸送壓縮空氣；通過(guò)調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量和設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)最末端的尾氣排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，控制脫銷反應(yīng)器內(nèi)部負(fù)壓為-1000±100pa；
啟動(dòng)燃燒器，控制丙烷儲(chǔ)氣罐中輸送的丙烷氣體和過(guò)量的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生的高溫高速側(cè)向霧化氣流在達(dá)到1400℃后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器內(nèi)；
操作過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整計(jì)量泵出口流量，來(lái)控制脫銷反應(yīng)器上部溫度在500～600℃；具體的，設(shè)定脫銷反應(yīng)器上部溫度為600℃、下部溫度為300℃；
當(dāng)入脫硝反應(yīng)器下部溫度為100℃時(shí)，打開(kāi)去離子水槽閥門(mén)，啟動(dòng)計(jì)量泵，調(diào)整計(jì)量泵出口壓力在0.20～0.30mpa；
當(dāng)脫硝反應(yīng)器上部溫度為400℃時(shí)，開(kāi)啟供料罐閥門(mén)，關(guān)閉去離子水槽閥門(mén)，濃度為1000gu/l、溫度為70～90℃的硝酸鈾酰料液，通過(guò)計(jì)量泵后經(jīng)霧化導(dǎo)管送至燃燒室內(nèi)部；具體的，在本實(shí)施例中，通過(guò)計(jì)量泵后經(jīng)霧化導(dǎo)管送至燃燒室內(nèi)部的硝酸鈾酰料液的濃度為1000gu/l、溫度為80℃；通過(guò)冷卻水箱為硝酸鈾酰料液保溫，使其一直保持在80℃；
硝酸鈾酰料液進(jìn)入脫銷反應(yīng)器，在脫銷反應(yīng)器內(nèi)被燃燒室內(nèi)輸送的高溫高速側(cè)向霧化氣流分散成霧滴，硝酸鈾酰霧滴在脫硝反應(yīng)器內(nèi)的高速高溫渦流作用下，完成游離水的蒸發(fā)和結(jié)晶水的脫去，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成uo3產(chǎn)品和含氮氧化物、co2、水蒸氣、o2的反應(yīng)尾氣；
生成的脫硝產(chǎn)品uo3固體粉末及反應(yīng)尾氣通過(guò)脫銷反應(yīng)器底部管道輸送至旋風(fēng)分離器中，在旋風(fēng)分離器作用下實(shí)現(xiàn)uo3固體粉末與反應(yīng)尾氣的一級(jí)分離，一級(jí)分離后的uo3固體粉末在旋風(fēng)分離器底部沉降，通過(guò)卸料旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品容器中；
旋風(fēng)分離器中未沉降的uo3固體粉末，隨反應(yīng)尾氣進(jìn)入除塵器中實(shí)現(xiàn)二級(jí)分離，保證反應(yīng)產(chǎn)物的收率；在脫銷反應(yīng)器底部管道和旋風(fēng)分離器進(jìn)口端之間設(shè)置冷卻風(fēng)泵，對(duì)脫硝產(chǎn)品uo3固體粉末及反應(yīng)尾氣進(jìn)行冷卻，冷卻到200～300℃。
殘余尾氣通過(guò)排風(fēng)機(jī)輸送至尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化，凈化后的尾氣進(jìn)行排空。
建立硝酸鈾酰氣流式霧化干燥熱解脫硝制備uo3工藝試驗(yàn)系統(tǒng)；建立uo3產(chǎn)品取樣分析系統(tǒng)。具體實(shí)施方式如下所述：
1、根據(jù)設(shè)備處理能力，通過(guò)熱量衡算及物料衡算設(shè)計(jì)燃燒室及脫硝反應(yīng)器等主體設(shè)備。
2、依據(jù)設(shè)計(jì)的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)加工相應(yīng)設(shè)備，并對(duì)其它輔助設(shè)備進(jìn)行選型，根據(jù)設(shè)備尺寸及位置要求搭建支撐和檢修平臺(tái)，安裝設(shè)備，建立以燃燒室及脫硝反應(yīng)器為主體設(shè)備的硝酸鈾酰脫硝制備uo3工藝系統(tǒng)。
3、控制最佳的溫度、水蒸氣分壓和氣液比等條件，達(dá)到硝酸鈾酰脫硝制備uo3的效果。
4、為檢測(cè)分析產(chǎn)品uo3比表面積，建立分析系統(tǒng)，為確定水蒸氣分壓、溫度、氣液比對(duì)產(chǎn)品uo3活性的影響。