一种用于氚浓集的spe电解系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于氚浓集的SPE电解系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]核电站运行过程会产生含氚废水，如果不能合理处置放射性含氚废水，将会造成严重的环境污染。而且自然界中氚的丰度极低，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收氚元素，并使废水达到环境排放指标，都具有非常重要的意义。
[0003]固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)电解，即SPE电解，对于含氚水氚富集过程具有明显的优势:(I)固体聚合物电解质膜具有优异的氢同位素分离性能，氚T+透膜能力远小于氢H+，使得SPE电解产生贫氚氢气的同时，将氚浓缩于液相；(2)SPE膜还具有优良的抗辐照性能，对于辐射性氚的处理具有显著的耐久性。目前已有的电解-催化交换水去氚化的工艺(CECE)，将SPE电解与氢同位素催化交换工艺耦合，具有非常高的去氚因子。
[0004]SPE电解用于氚富集过程时要求具有较高的处理量，需要开发完善高效的工艺系统，确保系统安全运行的同时，提高系统处理含氚水的能力；同时必须增大膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies,MEA)的工作效率，双极板流场的改良对于降低接触电阻、改善传质效率、提高电解效率并降低电解成本至关重要。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于氚浓集的SPE电解系统及其实现方法，可以方便、准确地控制含氚水浓集过程，满足氚浓集过程的全部工艺需求，并显著提升了工艺处理效率。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种用于氚浓集的SPE电解系统，包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统以及检测和控制系统;其中:
[0008]所述电解池系统用于电解含氚水，获得氚浓集水相和贫氚氢气;其包括SPE电解池模块和直流电源，所述的SPE电解池模块包括依次叠加组装的阳极双极板、阳极密封圈、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极密封圈和阴极双极板；所述阳极双极板连接阳极扩散层的表面上刻有阳极双极板流道，且该双极板流道中设有含氚水入口和水氧出口；所述阴极双极板连接阴极扩散层的表面刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口 ；所述的直流电源正极连接阳极双极板，负极连接阴极双极板；
[0009]所述含氚水供应系统与阳极双极板上的双极板流道中的含氚水入口连接，用于向SPE电解池模块供应含氚水，并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理；
[0010]所述气液分离器分别与SPE电解池模块中的水氧出口、氚水收集系统、氧气干燥系统连接，用于将SPE电解池模块流出的富氚水和氧气两相混合物进行气液分离，使氧气进入氧气干燥系统，富氚水进入氚水收集系统；
[0011 ]所述氚水收集系统与含氚水供应系统连接，用于检测由气液分离系统流出的富氚水浓度，收集达到浓集指标的含氚水，并将浓度未达标的含氚水循环输入含氚水供应系统；
[0012]所述氢气干燥系统用于干燥由SPE电解池模块中的氢气出口流出的贫氚氢气，并且可以实现分子筛干燥床同时干燥和活化并保证工艺连续不中断的目标;其包括均与氢气出口连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床，设置在第一分子筛干燥床上用于对其进行加热的第一分子筛干燥床加热器，设置在第二分子筛干燥床上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器，同时与第一和第二分子筛干燥床连接的第一气体压缩机和第一气体加热器，同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第一冷凝器，以及与第一冷凝器连接的第一气体循环栗;所述第一气体压缩机与氢气收集系统连接；
[0013]所述氧气干燥系统用于干燥气液分离后的氧气，除去氧气中的水蒸气，并向产品氧气收集储罐输入合格氧气产品，该系统也可以实现分子筛干燥床同时干燥和活化并保证工艺连续的目标;其包括与气液分离系统连接、且呈并联关系的第三分子筛干燥床和第四分子筛干燥床，设置在第三分子筛干燥床上用于对其进行加热的第三分子筛干燥床加热器，设置在第四分子筛干燥床上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器，同时与第三和第四分子筛干燥床连接的第二气体压缩机和第二气体加热器，同时与第三和第四分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器，以及与第二冷凝器连接的第二气体循环栗;所述第二气体压缩机与产品氧气收集储罐；
[0014]所述氢气收集系统用于将氚浓度检测后的贫氚氢气进行分流处理，并分别收集氚浓度达到指标和未达到指标的氢气；
[0015]所述产品氧气收集储罐用于存储干燥后的氧气；
[0016]所述冷凝系统包括与第一冷凝器连接、用于对其进行冷却的第一冷水机，与第二冷凝器连接、用于对其进行冷却的第二冷水机，以及用于将冷凝器冷却所得的含氚水输入氚水收集系统的第三液相质量流量计；
[0017]所述检测和控制系统与SPE电解池模块、含氚水供应系统、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统连接，用于检测和控制系统的压力、液位、湿度和氚浓度，并针对电解池氢气泄露事故进行紧急断电处理。
[0018]具体地说，所述双极板流道包括由不低于五折的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于流体在其中流动的蛇形通道;每折复合流道的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群，并且，在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道的平行流道脊，4 SN，且相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口；同时，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减。
[0019]进一步地，本发明中，所述阳极双极板流道上，所述的含氚水入口设置在该双极板流道中最上方的复合流道的端部;所述的水氧出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部;而所述阴极双极板流道上，所述的氢气出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部。
[0020]再进一步地，在阳极双极板流道和阴极双极板流道中，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50%;同时，最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。
[0021]更进一步地，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角。
[0022]具体地说，所述含氚水供应系统栗出口包括与SPE电解池上的含氚水入口连接的计量栗，出水口与该计量栗栗入口连接的待处理含氚水储罐，以及栗出口与该含氚水储罐进水口连接的水循环栗;所述含氚水储罐与检测和控制系统连接;所述水循环栗的栗入口与氚水收集系统连接。
[0023]具体地说，所述氚水收集系统包括进水口与气液分离器连接、用于收集未达标含氚水的循环水箱，以及进水口与气液分离器连接、用于收集富氚水的产品氚水储罐;所述循环水箱出水口与水循环栗的栗入口连接，且循环水箱和产品氚水储罐均与检测和控制系统连接。
[0024]具体地说，所述氢气收集系统包括均与第一气体压缩机连接的用于收集氚含量指标的氢气的产品氢气储罐和用于收集未达标氢气的未达标氢气储罐;所述产品氢气储罐和未达标氢气储罐均与检测和控制系统连接。
[0025]具体地说，所述检测和控制系统包括与待处理含氚水储罐连接的第一液位仪，与循环水箱连接的第二液位仪，与产品氚水储罐连接的第三液位仪，与产品氢气储罐连接的第一压力传感器，与未达标氢气储罐连接的第二压力传感器，与产品氧气收集储罐连接的第三压力传感器，连接在电解池阴极双极板氢气出口和第一、第二分子筛干燥床之间的第一露点仪，连接在第一、第二分子筛干燥床和第一气体压缩机之间连接的第二露点仪，连接在第一气体循环栗尾端的第三露点仪，连接在气液分离器和第三、第四分子筛干燥床之间的第四露点仪，连接在第三、第四分子筛干燥床和第二气体压缩机之间连接的第五露点仪，连接在第二气体循环栗尾端的第六露点仪，与SPE电解池模块连接、用于检测工艺操作环境的氢气报警器，以及用于检测气液分离器后富氚水浓度的磁质谱仪、用于测量氢气氚含量的四极质谱仪和用于在氢气泄露时停止向SPE电解池模块供电的继电器。
[0026]基于上述结构，本发明还提供了该SPE电解系统的实现方法，包括以下步骤:
[0027](I)对系统进行保压测试和调试，确保达到操作要求；
[0028](2)对氢气输运管路和存储容器进行抽真空处理，直至真空度达到5Pa以下；
[0029](3)向待处理含氣水储罐中输入足量的待处理含氣水；
[0030](4)向SPE电解池模块的阳极双极板输入含氚水，待膜组件得到充分润湿后接通直流电源；
[0031](5)电位作用下含氚水在阳极催化层上电解为氧气和质子，氧气经阳极扩散层回到阳极双极板的双极板流道中，质子则穿过质子交换膜，在阴极催化层作用下还原为氢气；而未电解的水和电解产生的氧气则从阳极双极板的双极板流道的水氧出口引出，并通入气液分离器进行分离；
[0032](6)分离后的氧气经干燥后进入产品氧气收集储罐中储存，而达到氚富集指标的含氚