一种钠净化工艺及其净化系统 【技术领域】
本发明属于碱金属的净化领域，具体涉及一种反应堆用核级钠的净化工艺及其净化系统。
背景技术
工业钠中大量存在氧、碳、氢、氮等非金属杂质和钙、镁、铁、锰等金属杂质，这些杂质以单质或化合物状态溶解或以颗粒状态悬浮在钠中，容易在核系统或非核系统中形成沉淀。这些沉淀物聚集在一起会妨碍冷却剂的正常流动，影响装置的正常工作。因此，必须将工业钠进行净化，除去钠中的钙、氧、氢、碳等杂质以满足反应堆的需要。
前苏联的Baklushin，-R.P.等人在Atomnaya-Ehnergiya-USSR.(Mar 1978).v 44(3)p.224-228上报道了快堆的主回路和二回路钠的净化。但该文献公开的净化工艺是快堆用钠的在役净化，其净化的主要目的是除去经过长时间运行的核级钠中新出现的氧、氢、辐照产物等杂质，因此，其工艺和系统同直接将工业钠净化成核级钠的不同。
邢朝青等人在《核动力工程》第16卷第5期第476-480页公开了一种快堆用钠的除钙技术。该技术是将适当的Na2O2通过加料器充入静态反应器中后，在350℃温度下同工业级钠反应24小时，过滤，然后压入储钠罐中，等待综合钠净化回路的进一步处理。该技术主要是将工业钠中的钙除去，系统简单，并不能有效地将工业钠中的其它杂质有效地除去，以达到核级钠的标准。而且，该文献提供的技术只 能用于实验研究阶段，难以应用于工业规模。
【发明内容】
本发明在现有除钙技术的基础上，提供了一种能规模化地将工业钠净化成核级钠的工艺及其相应的净化系统。
一种钠净化工艺，其工艺流程是：
1.除钙反应
将OAC系数为1.2～1.5地反应试剂Na2O2加入到除钙反应器中，再压入待处理的工业钠，搅拌，并维持反应温度为300℃～360℃，反应15～30小时。
OAC为氧量系数，定义是：OAC＝(外加氧量+原有氧量)/等当量需氧量。
2.一级沉降
待反应完的钠冷却到190℃～210℃后，进入一级沉降器中沉降杂质40～50小时。在一级沉降器内底部维持130℃～150℃的低温，并保持一级沉降器上部温度高于下部温度。
3.一级过滤
将经沉降后的钠通过135℃～145℃的丝网填充型冷阱，进行过滤。
4.二级沉降
将一级过滤的钠转移至二级沉降器中沉降杂质40～50小时。在二级沉降器内底部同样维持130℃～150℃的低温，并保持上部温度高于底部温度。
5.二级过滤
将经二级沉降后的钠在110℃～130℃的温度下通过不锈钢丝网、不锈钢陶瓷双重过滤器过滤。过滤后将合格的钠充入到终贮罐中。
另外是钠渣排放。运行一段时间后的一、二级沉降器底部沉积区的杂质，在密闭条件下，可以采用负压排放、正压排放或反冲搅拌排放等方式排放。
同上述工艺相配套的是钠净化系统，包括钠接收罐、除钙反应器，在除钙反应器和钠接收罐之间通过管道和阀门顺次连有一级沉降器、一级过滤器、二级沉降器、二级过滤器、钠贮存罐，且除钙反应器、一级沉降器和二级沉降器上连有蒸汽阱。
为了防止经过二次过滤的产品不合格，在二级过滤器和纳贮存罐之间设有一个小回路。
除钙反应器呈桶形，上部设有钠进、出口，顶部中间设有搅拌装置，搅拌装置周围设有加热部件，外壁设有冷却夹套。搅拌装置，可以是通过磁力驱动密封和防汽溶胶凝固结构，带动叶轮转动，起到搅拌的作用。还可以是一根底部密封、侧壁开孔的导管，该导管同氩气系统相通，通过吹入氩气，起到搅拌的目的。
蒸汽阱呈桶形，内设不锈钢丝网和热电偶，底部为锥形，并设有钠蒸汽进入管道。蒸汽阱的上部分别设有氩气进、出口，与氩气系统相连，通过氩气将钠蒸气冷却成液态钠，顺蒸汽阱的内壁回流。
一、二级沉降器上部呈柱形，底部呈锥形，其顶部开有钠的进、出口，并同蒸汽阱相连，底部与钠渣排除管道通过阀门相连，内设温度探测器、液位计和加热棒。其加热方式还可以是在外壁上设有环形底加热丝，且分布是上密下疏。
一级过滤器，可以是丝网填充型冷阱，或类似于丝网填充型冷阱。丝网填充型冷阱呈桶形，内设环形不锈钢丝网，环形不锈钢丝网的下部同一级过滤器的内壁相连，上部为内管封接。外壁设置有冷却夹套。冷阱的顶部设置钠的入口和出口管，其中出口管穿过环形不锈钢网丝，伸入到冷阱的底部。类似于丝网填充型冷阱过滤器的结构是，在桶形容器的底部设立钠的入口，顶部设立钠的出口。内设上、下分流孔板，上、下分流孔板与桶形容器的内壁相连，中间设有中心支承柱，中心支承柱分别固定在上、下分流孔板上。上、下分流孔板之间交叉设置环形分流挡板和圆形分流挡板，其中环形分流挡板固定在桶形容器的内壁上，圆形分流挡板固定在中心支承柱上。在每层环形分流挡板和圆形分流挡板之间放置不锈钢丝网。
二级双重过滤器呈桶形，容器的下部设置钠的入口，顶部设置钠的出口，中间设有4～7个不锈钢陶瓷过滤管，不锈钢陶瓷过滤管组用筐状不锈钢丝网相环绕，不锈钢陶瓷过滤管组和筐状不锈钢丝网的顶部与分流孔板相连，分流孔板与双重过滤器内壁相连。
将工业钠净化成核级钠，其主要的指标是，将钙的含量由0.045％降到0.001％以下，将氧的含量由0.025％降至0.003％以下。本发明所提供的方法是通过物理和化学的方法，除去钠中的钙、氧等杂质。在一、二级沉降器内，维持低温和上下温度梯度，除使钙的反应产物直接沉降外，还使那些溶解度随温度变化的杂质能均匀地结晶、成核、长大，并向冷区扩散沉积，并最终除去。类似于丝网填充型冷阱过滤器的分级挡板既满足了钠在过滤器内横向流的分配，又增加了钠流经过滤器的时间，提高了净化效率。丝网填充型冷阱的过滤效果比类似于丝网填充型冷阱更好，适合于大规模净化工艺。二级双重过滤器在110℃～130℃温度下起到了很好的净化效果。钠渣排放可在密闭条件下，采用负压排放、正压排放或反冲搅拌排放等方式排放，既经济又安全，尤其是反冲搅拌排放能很好地解决钠渣结块问题。在本发明所提供的净化系统上运行本发明提供的净化工艺，可使工业钠中的钙、氧的含量分别降至0.001％和0.003％以下的指标。
【附图说明】
图1单回路钠净化系统流程图；
图2除钙反应器结构示意图；
图3除钙反应器中的氩气搅拌器结构示意图；
图4蒸汽阱结构示意图；
图5沉降器结构示意图；
图6外壁缠有加热丝的沉降器示意图；
图7丝网填充型冷阱结构示意图；
图8类似于丝网填充型冷阱结构示意图；
图9二级双重过滤器的结构示意图。
其中1，除钙反应器、2，一级沉降器、3，一级过滤器、4，二级沉降器、5，二级双重过滤器、6，钠贮藏罐、7，钠接罐、8，小回路、9，冷却夹套、10，加热丝导管、11，加热丝、12，磁力驱动密封和防气溶胶凝固结构、13，磁力电机、14，叶轮、15，蒸汽阱、16，加料口、17，挡板、18，热电偶、19，不锈钢丝网、20，钠蒸汽进入管道、21、22、23，液位计、24，温度探测器、25，散热片、26，钠渣排放管道、27、28、29，加热丝、30，环形分流挡板、31，不锈钢丝网、32，中心支撑柱、33，分流孔板、34，圆形分流挡板、35，冷却夹套、36，环形不锈钢丝网、37，分流孔板、38，密封孔板、39，不锈钢陶瓷过滤管组、40，筐状不锈钢丝网。
【具体实施方式】
下面将通过具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
一种钠净化工艺，其工艺流程是：
步骤1 除钙反应
将OAC系数为1.4的反应试剂Na2O2加入除钙反应器1中，再从钠接收罐7压入待处理的工业钠，搅拌，并维持反应温度为350℃，反应28小时。
步骤2 一级沉降
当反应完的钠冷却到200℃时，打开阀门使之进入到一级沉降器2中沉降杂质45小时。在一级沉降器2内底部维持140℃的低温，并保持一级沉降器2上部与底部的温差。
步骤3 一级过滤
使经沉降后的钠通过140℃的丝网填充型冷阱3，进行过滤。
步骤4 二级沉降
使经过丝网填充型冷阱3的钠进入到二级沉降器4中，沉降杂质45小时。在二级沉降器内底部维持140℃的低温，并保持二级沉降器4上部与下部的温差。
步骤5 二级过滤
使经过二级沉降器4沉降后的钠通过120℃的二级双重过滤器5过滤。
过滤后将合格的钠充入到钠贮存罐6中。不合格的钠再经过一个备用的冷阱净化回路8净化，合格后再充入到钠贮存罐6中。
步骤6 钠渣排放
运行一段时间后的一、二级沉降器的底部沉积区的杂质，在密闭条件下，采用反冲搅拌排放方式排放。
与所述净化工艺配套实施的净化系统为：
一种钠净化系统，由钠接收罐7、除钙反应器1、一级沉降器2、一级过滤器3、二级沉降器4、二级过滤器5、钠贮存罐6和管道、阀门、供气系统、仪控电系统组成，且前一个仪器的钠出口与后一个仪器的钠进口相连。
其中除钙反应器1如图2所示，呈桶形，上部分别设有钠进、出口和加料器16，内壁设有防止因搅拌产生涡流的挡板17，顶部有管道与蒸汽阱15相连。桶体中间设有机械搅拌装置，该搅拌装置由磁力电机13通过磁力驱动密封和防汽溶胶凝固结构12，带动叶轮14转动，起到搅拌的作用。6根开有竖槽的加热丝导管10贯穿除钙反应器1顶部，均匀分布在除钙反应器1内，每根加热丝导管10内贯穿加热丝11。在除钙反应器1的外壁设置冷却夹套9，内通空气加快除钙反应器1的冷却。
蒸汽阱15如图4所示，呈桶形，内设热电偶18和不锈钢丝网19，底部为锥形，并设有钠蒸汽进入管道20。蒸汽阱14的上部分别设有氩气进、出口，与氩气系统相连，通过氩气将钠蒸气冷却成液态钠，并顺蒸汽阱14的内壁回流。
一级沉降器2、二级沉降器4均如图5所示，是上部呈柱形、底部呈锥形的容器，其顶部开有钠的进、出口，并由管道同蒸汽阱14相连，底部与钠渣排放管道26通过阀门相连。一级沉降器2、二级沉降器4内设温度探测器24和长短不同的液位计21、22、23。为了更好地达到温差沉降的目的，一级沉降器2、二级沉降器4内均匀布置有长短不等的加热丝27、28，上部的加热部分多于下部，同时，在一级沉降器2、二级沉降器4的底部加上散热片25，这样可以保证顶部温度高于底部温度，形成温度梯度。
一级过滤器3如图7所示，是丝网填充型冷阱，呈桶形。内没环形不锈钢丝网36，环形不锈钢丝网36的下部同一级过滤器3的内壁相连，上部为内管封接。一级过滤器3的顶部设置钠的进、出口，其中出口管穿过环形不锈钢丝网36的上密封，伸入到冷阱的下部。在一级过滤器3的外壁设置有冷却夹套35，内通空气来加快一级过滤器3的冷却。
二级双重过滤器5如图9所示，呈桶形，容器的下部设置钠的入口，顶部设置钠的出口，中间设置有4～7个不锈钢陶瓷过滤管组39，不锈钢陶瓷过滤管39用筐状不锈钢丝网40环绕，筐状不锈钢丝网40的顶部与密封孔板38相连，不锈钢陶瓷过滤管39穿过密封孔板38。在密封孔板38和钠出口之间设有分流孔板37。
使用上述净化工艺和相应的净化系统，使钙的含量由0.0395％降到0.0004％，将氧的含量由0.0071％降至0.0021％，符合核级钠的要求。
实施例2
一种钠净化工艺，其工艺流程是：
步骤1 除钙反应
将OAC系数为1.2的反应试剂Na2O2加入除钙反应器1中，再从钠接收罐7压入待处理的工业钠，搅拌，并维持反应温度为300℃，反应15小时。
步骤2 一级沉降
当反应完的钠冷却到190℃时，打开阀门使之进入到一级沉降器2中沉降杂质40小时。在一级沉降器2内底部维持130℃的低温，并维持上部温度高于下部温度。
步骤3 一级过滤
使经沉降后的钠通过135℃的丝网填充型冷阱3，进行过滤。
步骤4 二级沉降
使经过丝网填充型冷阱3的钠进入到二级沉降器4中，沉降杂质40小时。在二级沉降器内底部维持130℃的低温，并维持上部温度高于下部温度。
步骤5 二级过滤
使经过二级沉降器4沉降后的钠通过110℃的二级双重过滤器5过滤。
过滤后将合格的钠充入到钠贮存罐6中。不合格的钠再经过一个备用的冷阱净化回路8净化，合格后充入到贮存罐6中。
步骤6 钠渣排放
运行一段时间后的一、二级沉降器的底部沉积区的杂质，在密闭条件下，采用正压排放方式排放。
与所述净化工艺配套实施的净化系统为：
一种钠净化系统，由钠接收罐7、除钙反应器1、一级沉降器2、一级过滤器3、二级沉降器4、二级双重过滤器5、钠贮存罐6和管道、阀门、供气系统、仪控电系统组成。其中钠接收罐7、二级双重过滤器5、钠贮存罐6等同实施例1，与实施例1不同的地方在于：
除钙反应器1中的搅拌装置是一条底部密封、侧壁开孔的导管如图3所示。该导管同氩气系统相通，通过吹入氩气，起到搅拌的目的。
一级沉降器2、二级沉降器4的加热部件是环绕在一级沉降器2、二级沉降器4外壁上的加热丝29，如图6所示。该加热丝的分布是上密下疏，以保证一级沉降器2、二级沉降器4上部温度高于底部温度。
一级过滤器3，是类似于丝网填充型的冷阱，如图8所示，为桶形结构，其底部设有钠入口，顶部设有钠出口。内设上、下分流孔板33，上、下分流孔板33与一级过滤器3的内壁相连，中间设置中心支承柱32，中心支承柱32分别固定在上、下分流孔板33上。上、下分流孔板33之间交叉设置环形分流挡板30和圆形分流挡板34。其中环形分流挡板30固定在一级过滤器3的内壁上，圆形分流挡板34固定在中心支承柱32上。在每层环形分流挡板30和圆形分流挡板34之间放置不锈钢丝网31。
使用上述净化工艺和相应的净化系统，可使钙的含量由0.0395％降到0.0006％，将氧的含量由0.0071％降至0.0024％，符合核级钠的要求。
实施例3
一种钠净化工艺，其工艺流程是：
步骤1 除钙反应
将OAC系数为1.5的反应试剂Na2O2加入除钙反应器1中，再从钠接收罐7压入待处理的工业钠，搅拌，并维持反应温度为360℃，反应30小时。
步骤2 一级沉降
当反应完的钠冷却到210℃时，打开阀门使之进入到一级沉降器2中沉降杂质50小时。在一级沉降器2内底部维持150℃的低温，并保持一级沉降器2上部与下部的温差。
步骤3 一级过滤
使经沉降后的钠通过145℃的丝网填充型冷阱3，进行过滤。
步骤4 二级沉降
使经过丝网填充型冷阱3的钠进入到二级沉降器4中，沉降杂质50小时。在二级沉降器内底部维持150℃的低温，并保持二级沉降器4上部与下部的温差。
步骤5 二级过滤
使经过二级沉降器4沉降后的钠通过130℃的二级双重过滤器5过滤。
过滤后将合格的钠充入到终贮罐6中。不合格的钠再经过一个备用的冷阱净化回路8净化，合格后充入到钠贮存罐6中。
步骤6 钠渣排放
运行一段时间后的一、二级沉降器的底部沉积区的杂质，在密闭条件下，采用负压排放方式排放。
一种钠净化系统，各部件的构成同实施例1，不同之处是该系统由两条回路组成，即在如图1所示的流程图中再在另一侧连接除钙反应器1直到二级双重过滤器5和小回路8的并列回路。
使用上述净化工艺和相应的净化系统，使钙的含量由0.0395％降到0.0001％，将氧的含量由0.0071％降至0.0015％，符合核级钠的要求。