桶內(nèi)干燥技術(shù)在放射性廢液處理中的應(yīng)用

萬(wàn)嘉瑜 ， 張明輝

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

核電站在運(yùn)行和維修過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生放射性液體廢物，其處理工藝主要有過(guò)濾、離子交換和蒸發(fā)等方式。其中，蒸發(fā)技術(shù)因去污因子高、減容效果好等優(yōu)勢(shì)，已在國(guó)內(nèi)秦山、田灣和大亞灣等核電站廣泛應(yīng)用[1-3]。為滿(mǎn)足廢物處置的要求，蒸發(fā)后的蒸殘液需進(jìn)行穩(wěn)定化處理，目前國(guó)內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的水泥固化工藝，但這一過(guò)程屬于增容處理[1-4]，不利于廢物最小化[5]，并會(huì)增加處置成本。

桶內(nèi)干燥工藝作為有效的廢液處理技術(shù)，適用于鹽分較高的放射性廢液的處理，已在德國(guó)Obrigheim核電站、Grohnde核電站等有成熟工程應(yīng)用。我國(guó)在三代核電AP1000浙江三門(mén)核電項(xiàng)目中首次引進(jìn)了放射性廢液桶內(nèi)干燥技術(shù)。相比較水泥固化技術(shù)，桶內(nèi)干燥技術(shù)減容優(yōu)勢(shì)明顯。本文將結(jié)合廢液桶內(nèi)干燥的技術(shù)特點(diǎn)，就需關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工藝流程及特點(diǎn)

1.1 工藝流程

在三門(mén)廠(chǎng)址廢物處理設(shè)施中，桶內(nèi)干燥裝置直接以160L鋼桶作為干燥容器分批次接收蒸發(fā)后的蒸殘液，并采用熱空氣加熱的形式對(duì)蒸殘液進(jìn)行干燥。桶內(nèi)干燥可基本去除蒸殘液中的水份，實(shí)現(xiàn)減容處理。干燥完成后，裝有鹽塊的160L鋼桶經(jīng)加蓋、超級(jí)壓實(shí)后裝入200L廢物桶灌漿固定，并送廠(chǎng)內(nèi)廢物暫存庫(kù)暫存。蒸殘液桶內(nèi)干燥及后續(xù)超壓工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 化學(xué)廢液桶內(nèi)干燥及超壓工藝流程簡(jiǎn)圖

Fig.1 Flow chat of in-drum dryer and super-compaction process

1.2 干燥過(guò)程

在三門(mén)廠(chǎng)址廢物處理設(shè)施中，桶內(nèi)干燥裝置采用160L鋼桶接收廢液并直接進(jìn)行干燥，廢液以批次進(jìn)料的形式維持桶內(nèi)液位高度和實(shí)現(xiàn)持續(xù)干燥。循環(huán)空氣經(jīng)電加熱后對(duì)鋼桶外壁加熱，鋼桶壁面進(jìn)一步將熱量傳遞給桶內(nèi)廢液，使液體達(dá)到飽和溫度后蒸發(fā)。160L鋼桶經(jīng)反復(fù)多次進(jìn)料、干燥、再進(jìn)料、再干燥后，最終在桶內(nèi)形成穩(wěn)定的化學(xué)鹽塊。干燥產(chǎn)生的蒸汽首先通過(guò)除沫器以去除可能夾帶的液滴或固體顆粒，經(jīng)冷卻器冷凝后，形成的冷凝液在冷凝液箱中儲(chǔ)存。干燥過(guò)程主要包括3部分的換熱：干燥裝置與160L鋼桶外壁的對(duì)流輻射換熱，160L鋼桶內(nèi)外壁間的傳導(dǎo)換熱，以及桶內(nèi)壁與廢液間的對(duì)流換熱。相應(yīng)的傳熱示意見(jiàn)圖2。

圖2 桶內(nèi)干燥裝置傳熱示意Fig.2 Heat transfer model of in-drum dryer

1.3 工藝特點(diǎn)

1.3.1 廢液有效減容

如前所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于蒸殘液主要采用傳統(tǒng)的水泥固化工藝，會(huì)造成2～5倍的廢物增容[4]。桶內(nèi)干燥技術(shù)的減容比取決于蒸殘液的含固率，若蒸殘液的含固率為10%，則當(dāng)蒸殘液烘干至鹽餅狀態(tài)后，減容比可達(dá)到10。蒸殘液干燥后形成的鹽餅經(jīng)超壓后裝入200L鋼桶進(jìn)行灌漿處理，考慮200L鋼桶的體積，蒸殘液經(jīng)桶內(nèi)干燥后裝入200L鋼桶的減容比可達(dá)到7.5。表1以化學(xué)廢液蒸殘液年處理量12m3為例，列出分別采用水泥固化和桶內(nèi)干燥工藝處理后的廢物桶(200L鋼桶)的產(chǎn)生量?？梢?jiàn)，與水泥固化工藝相比，桶內(nèi)干燥工藝將少產(chǎn)生96%的廢物桶，具有顯著的廢物減容效果。

表1 水泥固化和桶內(nèi)干燥廢物桶產(chǎn)生量Table 1 Quantity of waste drums produced by cementation and in-drum drying processes

1.3.2 廢液穩(wěn)定化處理

桶內(nèi)干燥基本去除了蒸殘液中的水份，形成的鹽餅不含有游離態(tài)液體，滿(mǎn)足放射性廢物處置過(guò)程中對(duì)于含水率的要求[6]。烘干后的鹽餅主要由無(wú)機(jī)鹽類(lèi)組成，有利于處置穩(wěn)定性，將鹽餅裝入200L鋼桶進(jìn)行水泥灌漿的方式，使鹽餅外增加了一道可靠的屏障，起到進(jìn)一步隔離放射性廢物與環(huán)境的作用，不僅可防止放射性廢物泄露到環(huán)境，也可在暫存和處置過(guò)程中防止環(huán)境中的水份滲入到廢物體。同時(shí)，灌漿后的200L鋼桶水泥固定體具有良好的抗沖擊性能。因此，采用桶內(nèi)干燥工藝流程形成的廢物體理化性能良好，滿(mǎn)足廢物處置對(duì)于廢物性能的要求。

1.3.3 適用廢液對(duì)象廣

桶內(nèi)干燥工藝適用于處理化學(xué)廢液等含鹽量較高的廢液，拓寬了放射性廢液的處理方式。由于化學(xué)廢液含鹽量較高，如果采用離子交換工藝，容易使離子交換樹(shù)脂達(dá)到飽和，導(dǎo)致樹(shù)脂的交換容量下降，縮短樹(shù)脂的使用周期。因此，對(duì)化學(xué)廢液的處理不推薦采用離子交換工藝，主要以蒸發(fā)工藝為主。根據(jù)廢物處置的要求，蒸發(fā)后的蒸殘液需要進(jìn)一步穩(wěn)定化處理，目前國(guó)內(nèi)的核電站多采用水泥固化的增容工藝。桶內(nèi)干燥工藝能夠?qū)崿F(xiàn)蒸殘液的減容、穩(wěn)定化處理，對(duì)于化學(xué)廢液等含鹽量較高廢液的減容處理具有重要意義。

2 需關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題

2.1 干燥速率的選取

蒸殘液桶內(nèi)干燥工藝的蒸發(fā)干燥工況可參考大容器沸騰模型，典型的沸騰曲線(xiàn)可見(jiàn)圖3[7]。在加熱過(guò)程中，生成的氣泡上升至上液面破裂后會(huì)產(chǎn)生霧沫，導(dǎo)致蒸汽的霧沫夾帶量提高。霧沫夾帶率與蒸發(fā)速率的大小直接相關(guān)，隨著蒸發(fā)速率的提高，氣化率增大，蒸汽流速加快，霧沫夾帶率會(huì)隨之增大[8]。霧沫夾帶率的升高會(huì)對(duì)除沫器的設(shè)計(jì)制造及霧沫去除工藝提出更高要求，還可能造成傳熱惡化。

圖3 飽和水在加熱平面上沸騰的典型曲線(xiàn)Fig.3 Typical curve of saturated water boiling on heated plane

因此，在蒸殘液桶內(nèi)干燥過(guò)程中，應(yīng)保證去污效果，防止霧沫夾帶率過(guò)高而造成冷凝液放射性比活度升高。桶內(nèi)干燥的蒸發(fā)速率不應(yīng)設(shè)置過(guò)高，需綜合考慮廢液去污效果、裝置處理能力和工藝穩(wěn)定性等因素。在三門(mén)核電項(xiàng)目中，蒸發(fā)速率設(shè)定在4～6L/h，可控制廢液蒸發(fā)干燥過(guò)程不產(chǎn)生劇烈沸騰，且保證裝置的處理能力能夠滿(mǎn)足蒸殘液的處理量需求。

2.2 干燥終點(diǎn)的選取

蒸殘液的干燥過(guò)程一般可分為預(yù)熱階段、恒速干燥階段和降速干燥階段(圖4)[7]。在恒速干燥階段(BC段)，物料表面附著非結(jié)合水份，該段的水份干燥去除機(jī)理與純水干燥相同，干燥速率取決于物料表面水份的汽化速率。在降速干燥階段(CDE段)，隨著物料表面"干區(qū)"的出現(xiàn)，汽化面逐漸向物料內(nèi)部移動(dòng)，汽化所需的熱量必須通過(guò)已被干燥的固體層才能傳遞到汽化面，干燥速率因傳熱和傳質(zhì)路徑加長(zhǎng)而下降。在干燥后期，干燥速率越來(lái)越低，特別是在干燥末期，鹽餅中的水份已基本去除，干燥速率接近于0。

但在鹽塊干燥結(jié)晶后期，隨著鹽塊溫度持續(xù)上升，會(huì)形成局部過(guò)熱。廢液鹽分濃縮使廢液粘度增加，容易生成較大的氣泡。如不加以控制，不僅會(huì)造成霧沫夾帶惡化，同時(shí)還可能引起鹽塊膨脹，影響干燥的減容效果，甚至可能出現(xiàn)鹽塊溢出廢物桶的現(xiàn)象[9]。因此，在桶內(nèi)干燥過(guò)程中應(yīng)選取合適的干燥終點(diǎn)，一般可通過(guò)選擇干燥速率作為干燥終點(diǎn)判斷的依據(jù)。

圖4 典型干燥速率曲線(xiàn)Fig.4 Typical drying rate curve

3 結(jié)語(yǔ)

蒸殘液桶內(nèi)干燥工藝能夠?qū)崿F(xiàn)廢物的減容處理，其處理后的廢物體理化性能良好，拓寬了放射性廢液的處理方式。通過(guò)選取合適的蒸發(fā)干燥速率和干燥終點(diǎn)，可降低干燥過(guò)程中的霧沫夾帶、提升去污效果，還可以實(shí)現(xiàn)蒸殘液有效減容和提高經(jīng)濟(jì)性能。三門(mén)核電項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了桶內(nèi)干燥工藝處理蒸殘液在國(guó)內(nèi)的首次工程應(yīng)用，對(duì)我國(guó)放射性廢物管理水平和廢物最小化技術(shù)水平的提升具有重要的推進(jìn)作用。

[1] 黃來(lái)喜，何文新，陳德淦. 大亞灣核電站放射性固體廢物管理[J].輻射防護(hù)，2004，24(3-4)：211-226.

[2] 康云鼎. 秦山核電基地放射性廢物減容技術(shù)研究[J].核動(dòng)力工程，2012，33(6)：118-120.

[3] 賈曉鴻.田灣核電站降低放射性廢物蒸殘液的研究與實(shí)踐[J].硅谷，2014(13)：155-159.

[4] 梁 棟，柳兆峰，高 超，等. 模擬濃縮液桶內(nèi)干燥200L規(guī)模全流程試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2016，41(4)：108-112.

[5] 國(guó)家核安全局.HAD 401/08-2016 核設(shè)施放射性廢物最小化[S].[出版地不祥]：[出版社不祥],2016.

[6] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB 9132-1988，低中水平放射性固體廢物的淺地層處置規(guī)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[7] 何潮洪，馮 霄. 化工原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[8] 張鳴遠(yuǎn)，劉堯奇，陳學(xué)俊，等. 降膜蒸發(fā)管內(nèi)液體夾帶及傳熱惡化特性的研究[J].化工學(xué)報(bào)，1993，44(2)：199-205.

[9] 賈梅蘭，高 超，安鴻翔. 微波桶內(nèi)干燥模擬含硼廢液可行性研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2015，40(4)：97-100.