廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)在田灣核電站的應(yīng)用

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

根據(jù)近年來(lái)田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組運(yùn)行情況，平均單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生放射性廢樹脂(以下簡(jiǎn)稱“廢樹脂”)約12 m3/a。田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組采用水泥固化技術(shù)處理廢樹脂，其增容比達(dá)6.5(采用CD1型桶)。采用水泥固化技術(shù)處理廢樹脂，每臺(tái)機(jī)組每年將產(chǎn)生廢樹脂固化體約65 m3。國(guó)家監(jiān)管要求單臺(tái)百萬(wàn)千萬(wàn)機(jī)組運(yùn)行每年產(chǎn)生固體廢物不超過(guò)50 m3。如果加上蒸殘液、技術(shù)廢物等廢物處理后產(chǎn)生的固體廢物，機(jī)組年產(chǎn)生總固體廢物將遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家監(jiān)管值。因此，廢樹脂必須采用減容技術(shù)處理。

目前，比較成熟的廢樹脂減容處理技術(shù)有焚燒和熱態(tài)超壓。[1-3]焚燒技術(shù)具有較高減容比，可達(dá)3以上。但焚燒技術(shù)尾氣處理技術(shù)難度較高，國(guó)內(nèi)外均不推薦采用焚燒技術(shù)處理廢樹脂。熱態(tài)超壓技術(shù)處理廢樹脂，工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全方便，廢樹脂在負(fù)壓、無(wú)氧、低溫(不超過(guò)180 ℃)環(huán)境下處理，沒有尾氣處理問(wèn)題。因此，熱態(tài)超壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)廢樹脂減容處理的最佳方案之一[4-5]。

田灣核電站為了解決廢樹脂減容處理，在二期工程引進(jìn)熱態(tài)超壓技術(shù)處理，離堆、集中處理田灣核電所有機(jī)組產(chǎn)生的廢樹脂。

本文介紹了田灣核電站廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)，以及調(diào)試期間缺陷處理情況，并對(duì)后續(xù)運(yùn)行提出了建議。

1 國(guó)內(nèi)外廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外情況[6]

20世紀(jì)90年代德國(guó)開發(fā)了廢樹脂熱態(tài)超壓處理技術(shù)，并用于德國(guó)Philippsburg核電站和比利時(shí)Tihange核電站，取得了較好的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。處理時(shí)需添加添加劑，以防止反彈，其減容比可達(dá)1.2。

1.2 國(guó)內(nèi)情況[7-8]

我國(guó)三門核電站和田灣核電站先后引進(jìn)德國(guó)熱態(tài)超壓技術(shù)處理廢樹脂。其中三門核電站采用德國(guó)Hansa技術(shù)，在處理時(shí)加添加劑以防反彈，減容比約1.4。田灣核電站采用德國(guó)NUKEM技術(shù)，取消了添加劑，增加了廢樹脂破碎研磨操作，其減容比達(dá)2。

2 廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)介紹

2.1 工藝流程

熱態(tài)超壓處理廢樹脂工藝流程如圖1所示。

圖1 廢樹脂處理工藝流程Fig.1 Spent resin treatment process

2.1.1 廢樹脂接收和暫存

廢樹脂利用槽車從核島側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)至廢物處理中心。在核島側(cè)，槽車與廢樹脂貯存系統(tǒng)連接，利用水力將廢樹脂從廢樹脂貯槽輸送至槽車，多余水回流至廢樹脂貯槽，槽車液位(樹脂)達(dá)到80%后，不再進(jìn)樹脂，如圖2(a)所示。

在放射性廢物處理中心，槽車與廢樹接收系統(tǒng)連接，利用水力將廢樹脂卸入廢樹脂接收槽暫存，如圖2(b)所示。

圖2 廢樹脂轉(zhuǎn)運(yùn)流程

2.1.2 廢樹脂的計(jì)量

廢樹脂計(jì)量主要是控制樹脂接收槽內(nèi)水和樹脂的體積比，通過(guò)調(diào)整貯槽內(nèi)水的體積，將廢樹脂與水按體積比1∶1調(diào)制，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬筝斔椭劣?jì)量槽待處理。

2.1.3 廢樹脂的研磨

廢樹脂研磨工藝如圖3所示。研磨單元主要由循環(huán)罐、循環(huán)泵、研磨機(jī)組成。研磨機(jī)為球磨機(jī)，研磨球有φ6 mm和φ8 mm兩種，裝載量按堆積體積對(duì)半裝載。每批處理廢樹脂0.5 m3(含50%體積的水)，研磨時(shí)間約4 h，研磨后廢樹脂顆粒粒徑d50≤30 μm。

圖3 廢樹脂研磨與烘干流程Fig.3 Spent resin grinding and drying

2.1.4 廢樹脂烘干

廢樹脂烘干工藝如圖3所示。脂烘干單元主要由錐形干燥器、熱油單元和冷凝器組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，錐形干燥器工作保持負(fù)壓(20 kPa左右)、低溫。烘干后，廢樹脂將變成粉末狀，其含水率≤3%。烘干后的樹脂粉末，通過(guò)旋轉(zhuǎn)下料裝置裝165 L鋼桶，扣蓋后轉(zhuǎn)運(yùn)至超壓機(jī)壓縮。

整個(gè)烘干過(guò)程分三個(gè)階段，如圖4所示。

(1)第一階段，圖4 A—B階段，樹脂處于流體狀態(tài)。錐形干燥器在負(fù)壓下工作，60 ℃時(shí)左右時(shí)開始蒸發(fā)。該階段溫度基本保持不變，蒸發(fā)速率達(dá)到最大。

(2)第二階段，圖4 B—C階段，樹脂處于膠狀物狀態(tài)。溫度從60 ℃左右開始緩慢升高，錐形干燥器內(nèi)濕度升高后會(huì)有所下降，錐形干燥器內(nèi)物料水分減少，蒸發(fā)速率不斷下降。錐形干燥器內(nèi)攪拌阻力較第一階段逐漸變大，攪拌槳電機(jī)電流逐漸變大。

(3)第三階段，圖4 C—D階段，樹脂處于粉末狀態(tài)。溫度較前兩階段較快升高，濕度降低并趨于恒定值，樹脂由膠狀變成粉末狀。錐形干燥器內(nèi)攪拌阻力降至最小，攪拌槳電機(jī)電流降低并恒定不變。

圖4 樹脂干燥參數(shù)變化Fig.4 Spent resin drying curve

2.1.5 熱態(tài)超壓

將裝有熱樹脂粉末的165 L鋼桶，運(yùn)輸至超壓機(jī)進(jìn)行超壓。超壓前，165 L鋼桶內(nèi)樹脂粉末溫度≥120 ℃。超壓時(shí)，超壓機(jī)壓力調(diào)至最大，并保壓20 min，以保證最大壓縮比和防止反彈。

2.1.6 優(yōu)選裝桶

超壓產(chǎn)生的壓餅，在優(yōu)選平臺(tái)測(cè)量高度，并根據(jù)壓餅高度，優(yōu)選組合后裝200 L鋼桶，優(yōu)選組合的目的是200 L鋼桶盡可能多的裝廢物。壓餅在優(yōu)選臺(tái)上按4×5排列。

2.1.7 灌漿固定

裝有壓餅的200 L鋼桶，轉(zhuǎn)運(yùn)至灌漿工位，將配置好的水泥漿灌入200 L桶，固定桶內(nèi)壓餅，使其形成獨(dú)石體。灌漿完成后，隨即扣蓋。由于水泥漿密度大于壓餅密度，因此灌漿時(shí)壓餅會(huì)漂浮。為了防止壓餅漂浮，在200 L桶內(nèi)設(shè)有防漂浮擱架，如圖5所示。

水泥漿由PSB42.5水泥、Glenium ACE333塑化劑和水按配方配制，配方按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。[9-11]

圖5 200 L鋼桶及擱架Fig.5 200 L drum and inlay

2.1.8 養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)

經(jīng)灌漿固定并扣蓋的200 L廢物固定桶，在養(yǎng)護(hù)工位養(yǎng)護(hù)24 h之后，轉(zhuǎn)運(yùn)至檢測(cè)工位進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。檢測(cè)的內(nèi)容為表面污染、γ輻射水平和核素分析。

圖6 廢物桶檢測(cè)Fig.6 Drum monitor

2.1.9 暫存

經(jīng)檢測(cè)合格的200 L廢物固定桶，根據(jù)其輻射水平的高低，暫存在暫存庫(kù)不同的區(qū)域。表面輻射水平大于等于2 mSv/h的廢物固定桶，暫存在貯存井；輻射水平低于2 mSv/h的廢物固定桶，暫存在暫存室。

2.2 主要設(shè)備及工藝參數(shù)

主要設(shè)備有槽車、暫存槽、計(jì)量槽、循環(huán)罐、輸送泵、計(jì)量泵、循環(huán)泵、研磨機(jī)、錐形干燥器、熱油單元、冷凝單元、超壓機(jī)等，其參數(shù)詳見表1。

表1 主要設(shè)備工藝參數(shù)Table 1 Mainly equipment

3 系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

系統(tǒng)調(diào)試的目的是驗(yàn)證“硬件”和“軟件”滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求，主要有以下4個(gè)方面：

1)全面驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和工程安裝;

2)發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和工程安裝等缺陷;

3)培訓(xùn)生產(chǎn)運(yùn)行人員;

4)驗(yàn)證生產(chǎn)運(yùn)行規(guī)程。

3.1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用非放核級(jí)樹脂，與核島使用樹脂相似，其基本性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)用樹脂

待試驗(yàn)樹脂在水中充分浸泡24 h后，測(cè)得其視濕密度為0.7 g/cm3，含水率為52%。[12-13]

試驗(yàn)用165 L鋼桶和200 L鋼桶，其規(guī)格如下：

1)165 L桶：φ500 mm×850 mm，壁厚1 mm，空桶重16.7 kg；為廢物處理中間桶;

2)200 L鋼桶：φ560 mm×844 mm，壁厚1.5 mm，空桶重65.5 kg；為廢物最終包裝桶。

4.1.3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目

為了驗(yàn)證廢樹脂處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝等活動(dòng)滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求，設(shè)置了如下試驗(yàn)項(xiàng)目：

1)廢樹脂槽車轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn);

2)廢樹脂調(diào)制與輸送試驗(yàn);

3)廢樹脂研磨試驗(yàn);

4)廢樹脂烘干試驗(yàn);

5)廢樹脂熱態(tài)超壓試驗(yàn);

6)壓餅優(yōu)選與灌漿固定試驗(yàn);

7)固定桶檢測(cè)與暫存試驗(yàn)。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

(1)廢樹脂槽車轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)

槽車接收樹脂前，用0.7 MPa壓縮空氣進(jìn)行密封性試驗(yàn)，保壓10 min。槽車接收、卸載樹脂，通過(guò)泵水力輸送，泵流量10 m3/h，樹脂體積含量50%，接收廢樹脂約15 min，卸載廢樹脂約25 min。樹脂接收和卸載通過(guò)管道窺視鏡觀察。

(2)廢樹脂調(diào)制與輸送試驗(yàn)

廢樹脂輸送時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)樹脂體積含量50%，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬筝斔?，傳輸完樹脂后，管線用除鹽水沖洗。

(3)廢樹脂的研磨試驗(yàn)

0.5 m3試驗(yàn)樹脂經(jīng)4 h研磨后取樣，研磨后樹脂呈乳白色漿液，其流動(dòng)性較好。經(jīng)分析，研磨后樹脂粒度d50=10 μm。

(4)廢樹脂烘干試驗(yàn)

研磨完成的樹脂漿液注入錐形干燥器進(jìn)行烘干。烘干期間，錐形干燥器內(nèi)溫度、壓力(絕對(duì)壓力)隨時(shí)間的變化如圖7所示。烘干過(guò)程持續(xù)時(shí)間10 h。干燥完成后，將烘干后的樹脂卸入165 L鋼桶，裝載量為桶容積的80%，約135 L，74.4 kg。對(duì)烘干后樹脂取樣，目視為粉末狀。經(jīng)分析，烘干后樹脂粉末含水率為1.4%。

圖7 錐形干燥器內(nèi)溫度、壓力(絕對(duì)壓力)曲線Fig.7 Temperature and pressure in conical dryer

(5)廢樹脂熱態(tài)超壓試驗(yàn)

超壓前，測(cè)得165 L桶溫度150 ℃。超壓機(jī)壓力調(diào)至20 000 kN后進(jìn)行超壓，并保壓20 min。

壓餅冷卻至常溫后進(jìn)行高度測(cè)量，餅高356 mm，1天后餅高358 mm，7天后餅高358 mm，30天后餅高358 mm。熱態(tài)超壓后，壓餅一天內(nèi)體積反彈0.56%，之后未觀察到反彈。

(6)壓餅優(yōu)選與灌漿固定試驗(yàn)

將高約358 mm的2個(gè)壓餅裝入200 L鋼桶，并進(jìn)行灌漿固定。200 L桶內(nèi)所設(shè)的擱架，有效防止灌漿時(shí)壓餅漂浮。

根據(jù)處理前后樹脂密度和含水率的變化，計(jì)算了減容比。一個(gè)200 L鋼桶可裝載2個(gè)壓餅，所含樹脂質(zhì)量148.8 kg，相當(dāng)處理前436 L廢樹脂。經(jīng)計(jì)算，減容比為2.2。

(7)固定桶檢測(cè)與暫存試驗(yàn)

200 L廢物固定桶，在養(yǎng)護(hù)工位養(yǎng)護(hù)24 h之后，轉(zhuǎn)運(yùn)至檢測(cè)工位模擬放射性檢測(cè)。

利用數(shù)控起重機(jī)，將200 L廢物固化桶調(diào)運(yùn)至中放廢物暫存井和低放廢物暫存室進(jìn)行堆疊試驗(yàn)。堆疊高度為4個(gè)200 L桶，堆疊穩(wěn)定。

3.1.5 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

利用非放核級(jí)樹脂進(jìn)行模擬工程試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果總體滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行

目前已經(jīng)建立放射性控制區(qū)，并做好了帶放射性運(yùn)行準(zhǔn)備。具體帶放射性運(yùn)行根據(jù)機(jī)組今后廢樹脂處理需求安排。

4 對(duì)田灣核電站廢樹脂超壓技術(shù)評(píng)價(jià)和建議

采用熱態(tài)超壓技術(shù)，田灣核電站單臺(tái)機(jī)組年產(chǎn)生廢樹脂固化桶不超過(guò)6 m3，實(shí)現(xiàn)了減容處理，滿足國(guó)家放射性廢物最小化監(jiān)管要求。

經(jīng)工程調(diào)試和帶放射性運(yùn)行前運(yùn)行準(zhǔn)備，田灣核電廢樹脂處理系統(tǒng)滿足安全運(yùn)行要求，但在某些細(xì)節(jié)方面有待進(jìn)一步完善，主要優(yōu)化建議見表4。

表4 系統(tǒng)優(yōu)化建議

5 結(jié)束語(yǔ)

田灣核電站廢樹脂處理系統(tǒng)采用熱態(tài)超壓工藝處理廢樹脂，減容比可達(dá)2.2，實(shí)現(xiàn)了廢樹脂減容處理。

廢樹脂熱壓技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用較少，關(guān)鍵設(shè)備沒有國(guó)產(chǎn)化，缺少帶放射性運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和最終處置經(jīng)驗(yàn)。因此，尚有一定技術(shù)和管理問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。針對(duì)我國(guó)放射性廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)現(xiàn)狀，建議國(guó)家有關(guān)部門或單位盡快制訂以熱態(tài)超級(jí)壓縮工藝處理廢樹脂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及該類型廢物包處置相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和指導(dǎo)放射性廢樹脂處理和處置相關(guān)的設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程建設(shè)，以及運(yùn)行和監(jiān)管等活動(dòng)；同時(shí)，營(yíng)運(yùn)單位積極開展帶放射性運(yùn)行研究和最終處置研究，積累實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。