一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置的制作方法

本发明涉及流化床脱硝技术生产三氧化铀的生产工艺，具体涉及该工艺中用于硝酸铀酰溶液(UNH)进料的装置。

背景技术：

目前，在UNH热解脱硝制备UO₃的实际生产中，采用的脱硝反应器主要有罐式脱硝反应器、卧式搅拌床脱硝反应器、流化床脱硝反应器等。其中流化床脱硝反应器因为具有结构简单、操作方便、易于控制、生产强度大等优点已成为UNH脱硝过程中使用最为广泛的反应器。

流化床脱硝反应器，主要由反应段、进料装置、扩大段及内置式过滤器等几部分组成，可实现气－液相的逆流接触，也可建立良好的流化气分压分布和转化率分布，具备较好的传质、传热性能。

生产运行前，应在流化床中先加入一定数量的UO₃形成流化态的UO₃颗粒构成的床层，

当UNH喷射进入反应器时形成液滴雾化区，处于流化态的UO₃颗粒穿过液滴雾化区，UO₃颗粒表面会被凝聚的液滴包裹上一层液膜，

在获取加热装置提供的蒸发和脱硝的热量后，这层液膜转化为UO₃，

UO₃颗粒每接触一次雾化区，就被包覆一层，因此，颗粒逐渐长大。

同时，液滴直接凝结是床层中细颗粒物料的主要来源，这些颗粒充当晶种粒子，作为颗粒长大的核心和原始颗粒。

UNH溶液进入流化床脱硝反应器的装置是一个雾化喷嘴，它是流化床脱硝反应器的重要部件之一，

雾化喷嘴的设计对流化床内工况和产品的特性有很大影响。因此，喷嘴的合理设计的是设备运行和操作过程的重要因素，直接影响UNH溶液雾化分散、均匀状态，而UNH溶液雾化分散、均匀分布有利于合理控制流化床脱硝反应器运行状态和温度。

目前，国内尚无流化床脱硝反应器喷嘴投入工程化应用成功案例，亟需一种适用于流化床脱硝反应器雾化喷嘴。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为流化床脱硝反应器提供更为合理的关键构件，并将其应用于流化床脱硝反应器，确保其安全、连续、稳定运行，以实现UNH溶液的均匀分布，优化UNH溶液雾化均匀状态，提高流化床脱硝反应器内UNH溶液脱硝反应速率，确保流化床脱硝反应器稳定运行。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，具体为一种雾化喷嘴结构，其中：

一、确定硝酸铀酰料液导管

雾化喷嘴硝酸铀酰料液导管内径D1：

式中qmf：料液质量流量，kg/h；

ρ1：料液密度；

u1：料液在导管内的流速，根据不同炉型产能决定；

硝酸铀酰料液导管外径D10：

D10＝D1+2δ1，δ1为硝酸铀酰料液导管壁厚；

二、雾化空气导管

雾化空气导管内径D₂：

式中qma：雾化空气质量流量；

D10：料液管外径；

u2：雾化气在管道内的流速，取20m/s(压缩空气一般取15-30m/s)；

υ2：雾化气体的比容,压缩空气可按状态方程求得。

雾化气导管外径D20：

D20＝D2+2δ2，δ2为雾化气导管壁厚；

三、料液喷口尺寸计算

1)料液喷口的面积

料液喷口的面积计算公式：

式中qmf：料液质量流量；

μ1：喷口的流量系数，取0.3；

p1：喷口前料液的压力；

ρ1:料液密度；

2)喷口出口外径

喷口出口外径：d10＝d1+2δ3，d1为料液喷口的直径，根据料液喷口面积计算确定，δ3为喷口出口壁厚；

3)雾化气喷口面积

式中μ2：气体通过孔嘴的流量系数；

Φ：临界截面流量计算系数；

Pa：压缩空气的绝对压力；

υ2：压缩空气的比容；

收缩型喷出口内径：

收缩型喷口出口外径：d20＝d2+2δ，δ表示收缩型喷口出口的壁厚。

进一步的，如上所述的一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，雾化喷嘴分别设液相分布装置、气相分布装置两部分，以保证UNH溶液以均匀的雾化状态进入流化床内实现脱硝反应；

进一步的，如上所述的一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，UNH溶液浓度高于1000gU/L，雾化气温度高于250℃时，连续通入气相分布装置。

进一步的，如上所述的一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，雾化喷嘴的材料为304L不锈钢。

进一步的，如上所述的一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，雾化喷嘴与脱硝反应器外设置法兰进行连接，同时方便拆卸、检修更换。

本发明提供的硝酸铀酰进料装置具有如下有益效果：

雾化效果及穿透效果好、结构简单、安全稳定、操作方便和易于检修维护等特点，同时有利于合理控制反应区各段温度分布和反应效果。其具体特点如下：

1)流化床脱硝反应器雾化喷嘴，采用气相夹带液相的方式实现UNH溶液的雾化均匀分布。雾化效果可根据不同进料量进行雾化气调节、气相液相间距调节，能够根据实际工况调节雾化状态达到最佳。根据床层高度、流化气流速等调节雾化气的气源压力，可以满足穿透流化物料层的技术要求，符合生产实际。对于雾化喷嘴关键参数气液比控制，可根据实际生产情况进行，以适用于不同工况。

2)脱硝流化床雾化喷嘴在设计时，充分考虑了UNH溶液热解脱硝条件，合理规避故障点，设计合理。喷嘴前端与反应器壁平齐，在气液比控制合适的情况下，基本不会出现料液UNH溶液沿炉壁下流造成物料烧结。雾化喷嘴气相、液相分开设计仅在喷嘴处交汇，雾化气压力大于流化气压力，热气体无法进入喷嘴空间热解脱硝，堵塞喷嘴。经实际应用表明，雾化喷嘴运行稳定，安全，连续运行性能好。

3)流化床脱硝反应器雾化喷嘴结构简单，为实现其安全连续稳定运行提供了有利条件。

4)可通过调节阀门控制雾化气气速及气液比，方便地实现对雾化效果的控制。

5)安装简便，便于拆卸检修更换。

附图说明

图1为硝酸铀酰进料装置雾化喷嘴整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明一种用于流化床脱硝技术的硝酸铀酰进料装置，具体为一种雾化喷嘴结构，其中：

一、确定硝酸铀酰料液导管

雾化喷嘴硝酸铀酰料液导管内径D1：

式中qmf：料液质量流量，kg/h；

ρ1：料液密度；

u1：料液在导管内的流速，根据不同炉型产能决定；

硝酸铀酰料液导管外径D10：

D10＝D1+2δ1，δ1为硝酸铀酰料液导管壁厚；

二、雾化空气导管

雾化空气导管内径D₂：

式中qma：雾化空气质量流量；

D10：料液管外径；

u2：雾化气在管道内的流速，在本实施例中取20m/s(压缩空气一般取15-30m/s)；

υ2：雾化气体的比容,压缩空气可按状态方程求得。

雾化气导管外径D20：

D20＝D2+2δ2，δ2为雾化气导管壁厚；

三、料液喷口尺寸计算

1)料液喷口的面积

料液喷口的面积计算公式：

式中qmf：料液质量流量；

μ1：喷口的流量系数，取0.3；

p1：喷口前料液的压力；

ρ1:料液密度；

2)喷口出口外径

喷口出口外径：d10＝d1+2δ3，d1为料液喷口的直径，根据料液喷口面积计算确定，δ3为喷口出口壁厚；

3)雾化气喷口面积

式中μ2：气体通过孔嘴的流量系数；

Φ：临界截面流量计算系数；

Pa：压缩空气的绝对压力；

υ2：压缩空气的比容；

收缩型喷出口内径：

收缩型喷口出口外径：d20＝d2+2δ，δ表示收缩型喷口出口的壁厚。

为了保证UNH溶液能够以均匀的雾化状态进入流化床内实现脱硝反应，雾化喷嘴分别设液相分布装置、气相分布装置两部分，以保证UNH溶液以均匀的雾化状态进入流化床内实现脱硝反应；

因热解脱硝为吸热反应，为了保证脱硝热量的提供，则应减小液体沸腾蒸发所需热量，则需控制UNH溶液浓度高于1000gU/L，雾化气温度高于250℃时，连续通入气相分布装置。

雾化喷嘴与脱硝反应器外设置法兰进行连接，同时方便拆卸、检修更换。

UNH溶液含有一定硝酸，而且热解脱硝反应后会产生氮氧化物，在流化床运行过程中喷嘴前端处于氮氧化物氛围中，因此雾化喷嘴应分别考虑硝酸、氮氧化物的腐蚀性。并且为了雾化效果良好，雾化气必须以维持一定压力(约0.3MPa)，因此雾化喷嘴在设备材质选择方面应考虑耐压、耐高温、耐硝酸、氮氧化物腐蚀要求。另外，为降低对雾化喷嘴多次检修的人力投入和经费投入，选择的设备材质应价格低廉，具备随时更换检修的条件。

为保障流化床脱硝反应器雾化喷嘴的使用寿命，需选择耐腐蚀材料作为雾化喷嘴的设备材质，不能选用一般钢材。稀硝酸及氮氧化物对普通钢材具有腐蚀作用。现在市场上耐稀硝酸腐蚀的金属材料很多，奥氏不锈钢、304L不锈钢、锆钽等合金等都具有很好的耐稀硝酸腐蚀效果。在保证设备耐蚀性能能够满足生产需求前提下，设备材质选择应该常见、价格合理，因此选用304L不锈钢。该不锈钢综合性能良好，适用于需要焊接的场所，其本身碳含量低，在靠近焊缝的热影响区域析出的碳化合物最少，同时其具有良好的机械性能。同时易于采购，价格合理，可以作为雾化喷嘴选择的最佳材料。