廢樹脂自沉降體積計(jì)量工藝研究

陳先林　劉宇昊　陳莉

摘 要：基于簡(jiǎn)約、可靠、檢修少原則，設(shè)計(jì)了一種放射性廢樹脂水泥固化處理前的體積計(jì)量工藝，利用樹脂與水的密度差，靠樹脂自重在計(jì)量料槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量。建立試驗(yàn)裝置，通過(guò)改變操作工藝條件，如沉降攪拌方式、連通管徑、補(bǔ)水和排氣環(huán)境等，試驗(yàn)了樹脂計(jì)量效果，滿足放射性廢物樹脂計(jì)量工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：放射性廢樹脂 體積計(jì)量 驗(yàn)證試驗(yàn) 工藝

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（c）-0052-04

Abstract：Based on principle of simplicity、reliable and less maintenance，a kind of volume measurement process was designed before cement solidification.Using density difference between the resin and water，the resin completed accurate measurement in the tank.Establishing test device，changing the operating process conditions，such as settlement way，Unicom pipe diameter，hydrating and exhaust environment and so on，the effect of resin measurement was tested，that meet the requirement of radioactive waste resin engineering application.

Key Words：Radioactive waste resin；Volume measurement；Validation test；Technology

核設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中一般會(huì)產(chǎn)生放射性廢樹脂，需要處理包裝后送處置場(chǎng)最終處置[1-2]。計(jì)量是廢樹脂水泥固化處理[1，3]過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)主要有重量和體積計(jì)量?jī)煞N方法，但計(jì)量環(huán)節(jié)都較多，過(guò)程較為復(fù)雜，或者計(jì)量不準(zhǔn)確，樹脂堵塞問(wèn)題嚴(yán)重。該文介紹一種廢樹脂自沉降體積計(jì)量工藝，利用樹脂和水的密度差完成樹脂分離，通過(guò)定量計(jì)量槽完成樹脂計(jì)量，整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)量少，計(jì)量精度滿足工程使用要求，適合在放射性場(chǎng)所的推廣應(yīng)用。

1 工藝原理

國(guó)內(nèi)核設(shè)施運(yùn)行使用的樹脂一般為顆粒狀（0.4～0.7 mm），干燥狀態(tài)下有靜電作用，其密度約為0.6～0.7 g/cm3，經(jīng)水浸泡后會(huì)溶脹，溶脹密度約1.08 g/cm3，比水略大。水泥固化需計(jì)量的放射性廢樹脂基本都經(jīng)水充分浸泡，含水量在50%～60%之間，屬于放射性濕廢物。廢樹脂一般同水混合，管線輸送進(jìn)入計(jì)量工藝系統(tǒng)，輸送過(guò)程如果管徑大小、管道高差、管道彎度控制不好，極容易造成樹脂堵管。

廢樹脂自沉降體積計(jì)量工藝系統(tǒng)包括接收槽、補(bǔ)水槽、計(jì)量槽和相應(yīng)的閥門管路，如圖1所示。接收槽與計(jì)量槽為上下聯(lián)體結(jié)構(gòu)，接收槽用于接收準(zhǔn)備計(jì)量的廢樹脂，計(jì)量槽為樹脂計(jì)量的定量容器，補(bǔ)水槽可以輔助計(jì)量好的樹脂順利排出。進(jìn)入接收槽的顆粒廢樹脂和水由于密度差可迅速分層，下層樹脂通過(guò)重力進(jìn)入計(jì)量容器完成計(jì)量，上層水可溢流排出。計(jì)量容器旁通補(bǔ)水槽，可實(shí)現(xiàn)順利補(bǔ)水或補(bǔ)氣下料。整個(gè)計(jì)量工藝不需要輔助動(dòng)力設(shè)備，僅設(shè)置保證容量安全和粗量度的測(cè)量?jī)x表，要求通過(guò)樹脂和水自然分層，定量容器計(jì)量完成傳統(tǒng)復(fù)雜計(jì)量系統(tǒng)的全部功能。

2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

由于該計(jì)量工藝沒(méi)有任何工程實(shí)用數(shù)據(jù)參考，需要開展工藝可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)工藝缺陷和不足，為后續(xù)的工程應(yīng)用提供依據(jù)。試驗(yàn)采用比例可放大的小試驗(yàn)裝置，用非放樹脂和自來(lái)水進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 工藝試驗(yàn)裝置

工藝試驗(yàn)裝置進(jìn)料槽和補(bǔ)水槽為敞口槽，試驗(yàn)過(guò)程操作全部為手動(dòng)操作，槽體材料為鐵皮，管道和閥門材質(zhì)為塑料，進(jìn)料、補(bǔ)水和計(jì)量槽容積分別為80 L、60 L和15 L，整個(gè)系統(tǒng)架設(shè)在地面。裝置架設(shè)情況及相關(guān)尺寸如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目

檢驗(yàn)樹脂從接收槽至計(jì)量槽的重力自沉降工藝和樹脂從計(jì)量槽下料工藝，以及不同沉降和下料方式的組合試驗(yàn)效果；摸索工藝操作條件。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）連通管管徑大小驗(yàn)證。

連通管管徑大小關(guān)系廢樹脂是否下料順暢，管徑過(guò)小，廢樹脂會(huì)在進(jìn)料口形成堆積效應(yīng)，無(wú)法順利下料，管徑過(guò)大，計(jì)量閥選取困難，上下連接不方便。從50～100 mm之間，選擇不同管徑進(jìn)行試驗(yàn)，確定最優(yōu)管徑。

（2）計(jì)量槽容積標(biāo)定。

通過(guò)自來(lái)水的自沉降完成計(jì)量槽真實(shí)容積（計(jì)量閥和下料閥之間容積）的標(biāo)定。標(biāo)定計(jì)量槽實(shí)際容積為17.4 L。

2.3.2 自沉降計(jì)量試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)操作過(guò)程。

計(jì)量槽空槽，所有連接閥門關(guān)閉；樹脂和自來(lái)水混合加入計(jì)量槽，混合比約為1∶3，補(bǔ)水槽加注自來(lái)水；開啟計(jì)量閥，完成樹脂自沉降，采取攪拌沉降和不攪拌沉降兩種方法，沉降完成關(guān)計(jì)量閥；開啟補(bǔ)水閥或排氣閥，開啟下料閥，完成下料，通過(guò)下料樹脂量，評(píng)價(jià)自沉降效果。

（2）不同沉降和下料方式組合試驗(yàn)。

為充分驗(yàn)證樹脂的自沉降計(jì)量效果，找到最為理想的樹脂自沉降和下料方式，試驗(yàn)安排6種自沉降方式和兩種下料方式進(jìn)行分別組合試驗(yàn)，共試驗(yàn)12組，每組試驗(yàn)3次，從下料口收集樹脂，根據(jù)收集樹脂量比較分析沉降計(jì)量效果。不同沉降和下料方式的試驗(yàn)過(guò)程如表1所示。

2.4 自沉降計(jì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如前所述，不同自沉降和下料方式分別組合試驗(yàn)，共獲得12組試驗(yàn)的36個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。12組試驗(yàn)多次測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比見柱狀圖3。

2.5 工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表可知，沉降方式a、c效果較差，表明：隔斷連通閥門，保持計(jì)量槽空槽，開啟計(jì)量閥，在樹脂不松動(dòng)前提下，樹脂依靠重力從接收槽自然沉降至計(jì)量槽比較困難；沉降方式b、d、e、f效果較好，表明在接收槽下料口松動(dòng)樹脂，會(huì)使樹脂下料順暢。

樹脂從接收槽沉降至計(jì)量槽，沉降通道是由寬至窄的椎形路徑，上層水和樹脂對(duì)下層沉降樹脂在豎直方向擠壓的同時(shí)，也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生橫向擠壓力。顆粒樹脂浸水后粘度大幅提高，接收槽連通管附近的樹脂在豎向和橫向擠壓下會(huì)粘合在一起，形成架橋，阻止計(jì)量槽內(nèi)氣體排出，不再沉降，連通管徑越小，架橋越嚴(yán)重，如圖4所示。

從安裝、操作、連通閥門選擇以及計(jì)量誤差各方面考慮，連通管也不能太大，連通管管徑驗(yàn)證試驗(yàn)表明，選擇80 mm內(nèi)徑的連通管較為合適。對(duì)于80 mm的連通管徑，樹脂沉降效果的關(guān)鍵在于接收槽下料口處積壓架橋的破壞。沉降方式b預(yù)先在計(jì)量槽內(nèi)充滿水，樹脂接觸水后會(huì)迅速沉降，沒(méi)有架橋條件，但該做法同工程工藝環(huán)節(jié)不匹配；沉降方式上d、e、f都能充分破壞樹脂架橋，但實(shí)際操作時(shí)很難在錐形下料口的底部實(shí)現(xiàn)機(jī)械攪拌，計(jì)量槽旁通空氣容器容易造成樹脂串管和計(jì)量不準(zhǔn)確。綜上，沉降方式f最佳，通過(guò)壓空鼓泡工藝簡(jiǎn)單，且能充分破壞樹脂架橋，確保自沉降順暢。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，補(bǔ)水下料比補(bǔ)氣下料更完全，殘留更少。樹脂沉降完成后，計(jì)量槽內(nèi)除了少量水外，基本為樹脂，補(bǔ)氣下料會(huì)在計(jì)量槽壁面附著殘留一定量的樹脂，導(dǎo)致下料不完全，如圖5所示。補(bǔ)水下料會(huì)一直保持樹脂浸潤(rùn)在水中，樹脂流動(dòng)性好，基本不會(huì)附著，可以將樹脂完全排出。

2.6 工藝試驗(yàn)總結(jié)

采用如圖2所示的試驗(yàn)裝置，手動(dòng)操作，在合適的工藝操作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)樹脂的樹脂自沉降體積計(jì)量，裝置要求和操作條件如下所述。

（1）綜合考慮安裝、實(shí)際操作及下料效果，樹脂自沉降連通管內(nèi)徑為80 mm左右較為合適。

（2）樹脂在從大到小的錐形通道內(nèi)沉降，容易形成架橋堵塞，自沉降下料需要采取破壞架橋的措施，以壓空鼓泡為宜。

（3）采用補(bǔ)水下料能消除補(bǔ)氣下料帶來(lái)的樹脂在槽壁附著問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

由接收槽、補(bǔ)水槽、計(jì)量槽及相關(guān)管道閥門構(gòu)成的簡(jiǎn)單廢樹脂自沉降體積計(jì)量工藝（如圖1所示），能夠完成廢樹脂計(jì)量。整個(gè)工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)動(dòng)力設(shè)備，操作便利，維護(hù)較少，解決了樹脂殘留和堵塞問(wèn)題，適合在放射性場(chǎng)所推廣應(yīng)用。

工藝驗(yàn)證試驗(yàn)表明，計(jì)量過(guò)程需要壓空鼓泡和補(bǔ)水沖泡提高沉降和計(jì)量效果。所以，該計(jì)量工藝不適用于后續(xù)處理對(duì)樹脂有低含水率要求的場(chǎng)合，特別適合放射性廢樹脂和蒸發(fā)濃縮液混合固化處理的前端廢樹脂計(jì)量，補(bǔ)水槽可以作為蒸發(fā)濃縮液計(jì)量槽使用。

采用該工藝宜選擇合適的沉降連通管內(nèi)徑，建議75～85 mm之間。廢樹脂補(bǔ)水下料完成之前，建議保持計(jì)量槽內(nèi)都充滿水（或濃縮液），這樣可以保持殘留樹脂完全浸泡在水中，減少在槽壁的附著殘留，提高計(jì)量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅上庚.廢離子交換樹脂的優(yōu)化處理[J].核科學(xué)與工程，2003，23（2）：165-172.

[2] GB9132-88，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)低、中水平放射性廢物的近