放射性固體廢物壓縮減容技術(shù)研究

杜洪銘，靳 松，劉天險(xiǎn)，劉金寶，劉 寧（中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射化學(xué)研究所，北京 102413）

放射性固體廢物壓縮減容技術(shù)研究

杜洪銘，靳 松，劉天險(xiǎn)，劉金寶，劉 寧
（中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射化學(xué)研究所，北京 102413）

摘要：本工作對(duì)以壓縮作為處理放射性固體廢物的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了壓縮過(guò)程中影響各類物料壓縮減容倍數(shù)的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高壓壓縮處理物料的范圍廣，對(duì)物料的分類要求不嚴(yán)格；在壓力為600kN壓縮下，依據(jù)物料的性質(zhì)和裝填密度不同，各種物料的減容倍數(shù)在2．3～11之間，壓縮后各類物料壓縮的平均物料密度在1 200～3 900kg／m3之間；對(duì)于某些軟物料、有孔硬物料和彈性物料，壓縮后物料的平均密度大于物料的物理密度；不同裝填密度的廢物，高壓壓縮后物料的平均密度基本相同，物料的壓縮減容倍數(shù)與物料本身的性質(zhì)、裝填密度等有關(guān)。彈性物料壓縮后反彈明顯，甚至破壞壓餅，其他物料反彈在20%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：廢物管理；壓縮；減容；放射性固體廢物

放射性固體廢物是放射性廢物的一種主要類型，核設(shè)施營(yíng)運(yùn)單位應(yīng)將放射性固體廢物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的、標(biāo)準(zhǔn)化的固體廢物后自行貯存［1］，處理整備后送交放射性固體廢物處置單位處置［2］。出于安全、技術(shù)或財(cái)政的原因，處置前的處理成為必要，如消除或減小與廢物相關(guān)的放射性、物理、化學(xué)和生物方面的危險(xiǎn)以及減小廢物體積而降低運(yùn)輸、處置的費(fèi)用［3］，因此對(duì)廢物及時(shí)減容和整備是非常關(guān)鍵的步驟。對(duì)規(guī)模為每年10m3的放射性固體廢物暫存庫(kù)，在其生命周期內(nèi)若就近處理，帶來(lái)的生命周期環(huán)境效益為1．65×1011kJ，經(jīng)濟(jì)效益為4 583萬(wàn)元［4］。壓縮是低、中放固體廢物的一種容易實(shí)現(xiàn)、安全可靠的減容辦法［5］。對(duì)產(chǎn)生大量可壓縮性低放廢物的用戶來(lái)說(shuō)，主要傾向于用壓力在1 000～2 000t之間的超級(jí)壓縮機(jī)，它具有產(chǎn)生更小體積最終廢物的優(yōu)點(diǎn)［6］。

隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展，核電站是放射性廢物的主要產(chǎn)生地，核燃料循環(huán)產(chǎn)生的廢物量基本上是發(fā)電量和核燃料是否進(jìn)行后處理的函數(shù)［7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，秦山三期2002—2007年共產(chǎn)生技術(shù)廢物180．4 m3，其中可壓縮廢物占97．12%，不可壓縮廢物占2．88%［8］，在4次大修過(guò)程中共產(chǎn)生放射性固體技術(shù)廢物57．6m3，其中56．4m3為可壓縮廢物，僅1．2m3為不可壓縮廢物［9］，由此可見(jiàn)可壓縮廢物是核電站放射性固體廢物的最主要部分。因此選用壓縮減容方法進(jìn)行固體廢物處理是非常有優(yōu)勢(shì)的。

本文擬采用壓縮處理方法研究核工業(yè)中常見(jiàn)的各類固體廢物的減容行為和效果，為放射性固體廢物壓縮處理工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1　主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

NYL－60型壓力試驗(yàn)機(jī)，無(wú)錫建筑材料機(jī)械廠；壓縮壓頭和壓縮成形模具，自制；模擬桶，φ11cm×16cm（壁厚δ＝0．03cm），房山制桶廠。

1．2 實(shí)驗(yàn)材料

模擬廢物：棉制品（如棉布、棉紗等）、塑料、橡膠、紙、玻璃、木材、混凝土、磚、金屬切削物、金屬管道等，均為市售。

2　實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法

2．1 實(shí)驗(yàn)方法

將模擬物料按單一或比例混合，分別裝入模擬桶中，然后將裝滿物料的桶放入成形模具中，用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)桶體施加壓力進(jìn)行壓縮，并記錄不同壓力下桶體的高度。

本實(shí)驗(yàn)最大的壓縮壓力為600kN，模擬桶直徑為11cm，相對(duì)于200L標(biāo)準(zhǔn)桶［10］其相應(yīng)的壓縮壓力為1 555t，達(dá)到了超級(jí)壓縮的水平。

2．2 評(píng)價(jià)方法

在模具中壓縮，桶直徑無(wú)變化，其減容倍數(shù)由下式計(jì)算：

VRF＝h0／hi（1）

式中：VRF為減容倍數(shù)；h0為桶壓縮前高度，cm；hi為桶壓縮后高度，cm。

壓縮后物料的平均密度根據(jù)下式計(jì)算：

ρi＝W／（πr2h－W桶／ρ鐵）（2）

式中：ρi為某壓力下物料的密度，g／cm3；W為物料的裝填質(zhì)量，g；W桶為桶的質(zhì)量，g；r為成形模具的半徑，為5．5cm；h為壓縮后物料的高度，cm；ρ鐵為包裝桶材料鐵的密度，取7．8g／cm3。

3　結(jié)果與討論

3．1 單一物料壓縮

單一物料的減容效果如圖1所示。

圖1　 單一物料的壓縮減容效果Fig．1 Results of compacting single material

從圖1可看出，棉紗、紙、棉布、塑料布、鐵屑和木材等物料的減容效果明顯，而磚、塑料地板、混凝土、橡膠、玻璃、鐵管等物料的減容倍數(shù)較小。根據(jù)各物料的壓縮曲線可將物料在壓縮過(guò)程中分為四類：

1）塑料地板、橡膠和塑料布等彈性較大的物質(zhì)，在壓力較小的階段減容倍數(shù)變化很快，而在壓力增大到一定值（在本文定為P界壓力）后，減容倍數(shù)基本不變，表現(xiàn)為該類物料的P界壓力表現(xiàn)很明顯，較易確定P界壓力。

2）磚、混凝土和玻璃等物料也出現(xiàn)P界壓力，P界壓力后的減容效果較小，但與橡膠等彈性物質(zhì)相比，減容也較明顯。

3）棉布、棉紗和紙等物料在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)壓力階段其減容效果還處于顯著階段，雖P界壓力尚未完全達(dá)到，但從壓縮曲線分析，基本在700kN左右。

4）鐵管在600kN的壓力范圍內(nèi)減容倍數(shù)與壓縮壓力的關(guān)系曲線基本為一直線，還沒(méi)有出現(xiàn)P界壓力，從圖1中曲線分析可推斷，雖然它們?cè)?～600kN的減容倍數(shù)較小，但還處于其自身減容的顯著階段。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，某物料的P界壓力越明顯，則該物料在P界壓力后減容越小，對(duì)其繼續(xù)加大壓力進(jìn)行減容的意義也越小。若物料壓縮的P界壓力不明顯，則說(shuō)明對(duì)該物料可繼續(xù)增大壓力，提高減容效果；若物料的P界壓力還未出現(xiàn)，則說(shuō)明該物料還處于其減容顯著階段，繼續(xù)加大壓力進(jìn)行壓縮可進(jìn)一步提高減容倍數(shù)。

根據(jù)式（2）計(jì)算各物料600kN壓縮后的平均密度ρi，如表1所列。經(jīng)過(guò)600kN壓力的壓縮后，內(nèi)部有孔隙的物料如木材、混凝土、橡膠和塑料地板等壓縮后的密度均超過(guò)物料的物理密度ρ，而玻璃、鐵屑和鐵管這類內(nèi)部無(wú)孔隙又無(wú)彈性的物質(zhì)，則不易達(dá)到物料的物理密度，玻璃可達(dá)到物理密度的87%，而鐵類物質(zhì)只能達(dá)到50%左右。

3．2 同類物料不同裝填量的壓縮

棉紗、塑料布、鐵屑及鐵管裝填量和裝填密度列于表2，減容效果分別示于圖2～4。

圖2～4表明，不同裝填密度的物料其減容倍數(shù)隨壓縮壓力的變化趨勢(shì)類似，只是數(shù)值不同。物料的裝填量越大，減容倍數(shù)越小。不同裝填密度的塑料布均表現(xiàn)出P界壓力顯著的特點(diǎn)，且P界壓力的值也基本相同；不同裝填密度的棉紗P界壓力均不明顯，而鐵類壓縮物料在0～600kN壓力段，P界壓力還未出現(xiàn)，即使是減容倍數(shù)最大的鐵屑，P界壓力也無(wú)法確定。

表1　 物料壓縮后的密度與物理密度的關(guān)系Table 1 Relationship between average densityafter compaction and physical density

表2　 物料的裝填量和裝填密度Table 2 Loading quantity andloading density of material

圖5～7分別為不同裝填密度物料壓縮后的密度隨壓縮壓力的變化。

圖2　 棉紗的減容效果Fig．2 Results of compacting cotton yarn

圖3　 塑料布的減容效果Fig．3 Restuls of compacting plastic sheeting

圖4　 金屬材料的減容效果Fig．4 Results of compacting metallic material

圖5　 棉紗壓縮密度的變化Fig．5 Density change of compacted cotton yarn

圖6　 塑料布?jí)嚎s密度的變化Fig．6 Density changeof compacted plastic sheeting

圖7　 金屬材料壓縮密度的變化Fig．7 Density changeof compacted metallic material

從圖5～7可看出，雖然各物料的裝填密度不同，減容倍數(shù)相差也較大，但壓縮到600kN后各物料壓縮密度趨于一致，如圖5中不同裝填量的棉紗，壓縮后密度分別為1．59、1．56、1．59g／cm3，基本達(dá)到一致。圖6中兩種裝填量的塑料布從初始密度差為0．37g／cm3減小到壓縮后的0．03g／cm3。圖7表明，在600kN的壓縮壓力下，鐵這類難壓縮的物質(zhì)仍處于減容顯著階段，雖然密度差別還較大，但也從裝填時(shí)的29．6%減小到壓縮后的8．1%，可預(yù)計(jì)，隨著壓力的增加，鐵管的壓縮平均密度與鐵屑的密度差值將進(jìn)一步減小。

綜合分析各類物料的壓縮減容曲線，其減容倍數(shù)VRF隨壓力p的變化可用圖8中的曲線來(lái)描述。圖8中pa、pb、pc和相應(yīng)的減容倍數(shù)與物料的種類和裝填量有關(guān)，可將壓縮曲線分成4個(gè)階段。第1階段是克服桶和物料自身強(qiáng)度階段，該階段的減容很小，壓力pa與桶的強(qiáng)度、物料的性質(zhì)、裝填量有關(guān)。第2階段是減容顯著階段，物料的減容主要在此段進(jìn)行，pb（前文所定義的P界壓力）與物料的性質(zhì)有關(guān)，與物料的裝填密度關(guān)系不大，pa和pb之間的差值隨物料的不同差別很大，如對(duì)橡膠等彈性物料，該值很小，而對(duì)于難壓縮物料，該值可以很大。第3階段是減容持續(xù)階段，這一階段與第2階段相比減容效果顯著降低，但增加壓力還可繼續(xù)減容，這一階段壓力的長(zhǎng)度與物料的性質(zhì)關(guān)系最大，對(duì)于橡膠等彈性大的物質(zhì)，這一階段很短，而對(duì)于紙、棉布、棉紗等物質(zhì)，經(jīng)過(guò)第2階段后，增加壓力（如增加到600kN后）物料還能繼續(xù)減容，表現(xiàn)出減容持續(xù)階段很長(zhǎng)。最后一階段為基本無(wú)減容階段，物料的體積在該階段隨著壓力的增加基本不再減小，減容曲線基本為一水平直線。

圖8　 壓縮壓力與減容倍數(shù)的關(guān)系Fig．8 Relationship between volume reduction ratio and compression pressure

3．3 各類物料壓縮后的反彈

物料壓縮完成并撤除壓力后，物料均有所反彈。本實(shí)驗(yàn)對(duì)物料進(jìn)行的是連桶壓縮，這是由于桶被壓縮后可有效地限制物料的回彈，壓縮后的壓餅大部分能保持壓完后的形狀。表3列出了600kN壓力壓縮后各類物料的反彈高度及反彈率。

從表3可知，對(duì)于建筑類和金屬類硬物質(zhì)物料，其本身的反彈力很小，反彈高度一般在0．5cm以內(nèi)，反彈率在10%以內(nèi)，從鐵管和鐵屑的數(shù)據(jù)來(lái)看，松散物料的反彈更為明顯。而棉布、棉紗和紙等軟物料，雖然在一般情況下均有反彈，但由于有包裝桶的限制，反彈都很小，反彈值一般小于1cm，反彈率在20%以內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)塑料布、橡膠皮、塑料地板、厚橡膠等彈性大的物質(zhì)進(jìn)行壓縮時(shí)，物料的反彈較大，當(dāng)厚橡膠壓縮到600kN時(shí)包裝桶也被反彈裂成兩部分，而橡膠皮和塑料布?jí)嚎s到600kN后，取出壓餅后有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂口，由于反彈力的作用，這些裂口會(huì)越來(lái)越大，使包裝桶發(fā)生破壞。從對(duì)這些物料壓縮后反彈現(xiàn)象的觀察和分析可知，不宜對(duì)這類單一彈性大的物料進(jìn)行高壓壓縮。

表3　 各類物料壓縮后的反彈情況Table 3 Rebound situationof material after compaction

4　結(jié)論

1）對(duì)任何物料的壓縮可以分為減容顯著、減容持續(xù)和基本無(wú)減容3個(gè)階段，表現(xiàn)為相似的壓縮減容曲線，但不同的物料達(dá)到相應(yīng)減容段的壓力值不同及相應(yīng)的減容倍數(shù)不同，表現(xiàn)為壓縮減容曲線有所差異。

2）超級(jí)壓縮可處理從軟物料、硬物料和壁厚達(dá)3mm厚的金屬物料，一定壓力下物料的減容倍數(shù)與物料本身的性質(zhì)、裝填密度等有關(guān)。在600kN的壓縮壓力下，實(shí)驗(yàn)中各類物料的減容倍數(shù)在2．3～11之間。

3）雖然桶中物料裝填密度不同，其壓縮減容倍數(shù)也有所不同，但在達(dá)到一定的壓力后，不同裝填密度的同種物料其壓縮密度基本相同。

4）對(duì)于軟物料、有孔硬物料或彈性物料，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，壓縮物料的密度超過(guò)了物料本身的密度。

5）彈性物料壓縮后反彈明顯，甚至破壞壓餅，其他物料的反彈在20%以內(nèi)，能保持較好的壓餅質(zhì)量。

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Study on Compaction of Radioactive Solid Waste

DU Hong－ming，JIN Song，LIU Tian－xian，LIU Jin－bao，LIU Ning
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－4，Beijing102413，China）

Abstract：The experimental research of compaction dealing with the radioactive solid waste and the influence factors of the different materials during the compression process were discussed．The results show that the material treatment range of high pressure compression is wide and the requirements of classification are not strict．According to the different characteristics and loading densities，the volume reduction ratio is 2．3－11 and the average density of materials is 1 200－3 900kg／m3when the pressure is 600kN．The average densities of the soft materials，hard materials with holes and elastic materials are greater than their matter densities．After compaction，the average densities of materials with different loading densities are basically same．The volume reduction ratio is related to the materials’own properties and loading density．The elastic materials rebound significantly and break pellets after compaction，and other materials rebound rates are less than 20%．

Key words：waste management；compaction；volume reduction；radioactive solid waste

作者簡(jiǎn)介：杜洪銘（1967—），男，浙江東陽(yáng)人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，從事放射性廢物管理研究

收稿日期：2014－03－06；修回日期：2014－08－05

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1515

文章編號(hào)：1000－6931（2015）08－1515－06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TL94