焙燒裝置的研制

宋飛飛，劉馬林，牛小平，宋君武，程福林，劉 兵

(1.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)中心，北京 100084)

高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線是國(guó)家重大專項(xiàng)之一，也是世界首條工業(yè)化規(guī)模高溫氣冷堆核燃料元件生產(chǎn)線。高溫氣冷堆核燃料元件實(shí)驗(yàn)線焙燒工藝使用原型設(shè)備焙燒還原一體裝置，可實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆核燃料元件焙燒球和還原球的制備。焙燒還原一體爐采用底裝料結(jié)構(gòu)，最大產(chǎn)量為2 kg/U，操作周期為48 h，直徑50 mm，采用電阻加熱方式加熱。該設(shè)備操作周期長(zhǎng)、產(chǎn)量低、產(chǎn)品合格率低、冷卻速度慢、氣體分配均勻性差，不適合被燒球的工業(yè)化生產(chǎn)。為滿足工業(yè)化高溫氣冷堆核燃料元件生產(chǎn)需求，需要研制一臺(tái)適合于工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的焙燒裝置。

焙燒工藝是高溫氣冷堆核燃料元件UO2核心熱處理的關(guān)鍵工藝之一。陳化洗滌干燥后的干燥球成分為重鈾酸銨，需要在熱空氣氣氛下進(jìn)行焙燒處理轉(zhuǎn)化為UO3，焙燒的目的是將微球中的PVA、少量四氫糠醇和水分除去，焙燒的尾氣送入排風(fēng)系統(tǒng)。焙燒時(shí)微球在料盤內(nèi)采用單層鋪設(shè)，即料厚度不超過(guò)1.5 mm，同時(shí)對(duì)爐內(nèi)空氣氣氛均勻性有很高的要求[1]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

研制一臺(tái)工業(yè)化規(guī)模批次性焙燒裝置，用于高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線球形元件干燥的焙燒熱處理，生產(chǎn)能力為6 kgU/天，空氣氣氛，工作周期24 h。

2 基本原理及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 基本原理

焙燒裝置為底裝式馬弗電阻爐結(jié)構(gòu)[2]，焙燒爐采用螺旋壁掛式電阻絲加熱，位于爐膽外側(cè)，通過(guò)熱輻射加熱爐內(nèi)物料。爐內(nèi)物料的工作介質(zhì)為壓縮空氣，要求每個(gè)料盤氣氛均勻，通過(guò)采用特殊的料盤結(jié)構(gòu)，保證爐內(nèi)氣氛的均勻性。爐內(nèi)溫度采用熱電偶測(cè)量，一組熱電偶固定在爐內(nèi)壁，用于測(cè)量爐內(nèi)各溫區(qū)溫度。一組熱電偶在爐膽外壁，用于檢測(cè)爐內(nèi)溫度。爐頂安裝冷風(fēng)風(fēng)機(jī)用于降溫冷卻。焙燒裝置料盤主要用于盛放干燥球顆粒，干燥球單層布置在20個(gè)料盤內(nèi)，料盤堆疊放置在爐底，由升降機(jī)構(gòu)送入爐內(nèi)，在500 ℃下通過(guò)熱空氣進(jìn)行熱處理，處理完畢后升降機(jī)構(gòu)將料盤送到爐外進(jìn)入下一道工序。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)計(jì)要求及具體結(jié)構(gòu)說(shuō)明

焙燒裝置由爐體、支承架及升降裝置、料具，氣氛管路、溫度(傳動(dòng))和監(jiān)控裝置、冷卻水裝置、尾氣處理裝置等組成；設(shè)備包括、裝料筐、電動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車等(見(jiàn)圖1)。

圖1 焙燒裝置

3.1 爐 體

爐體由爐殼、爐襯、加熱器、爐罐、爐蓋(裝料臺(tái))、爐膛冷卻裝置等組成[3]。爐殼采用06Cr25Ni20不銹鋼板和型鋼成形焊接而成，爐殼安放在槽鋼組成的爐架上，采用M20的螺栓固定。爐襯采用優(yōu)質(zhì)的耐火材料砌筑成的節(jié)能型爐膛,耐火層采用0.6輕質(zhì)扇形耐火隔熱磚,保溫層采用保溫磚和耐火纖維毯,具有良好的保溫性能。加熱元件采用06Cr25Al5高電阻電熱合金絲，繞成螺旋狀安裝在爐襯四周的擱絲磚上并用固定。爐罐厚度為8 mm, 采用06Cr25Ni20不銹鋼板和06Cr25Ni20法蘭，使用同等材料的焊條焊接并經(jīng)嚴(yán)格的檢漏而成。頂部開有排氣管,裝有與尾氣處理裝置的連接法蘭。爐罐安裝在爐膛內(nèi)，并用螺栓固定在爐蓋底部的法蘭上。爐蓋由06Cr25Ni20不銹鋼板制成的絕熱箱(筒)以及高溫耐火材料組成。爐蓋中心上裝有保護(hù)氣進(jìn)氣接口。為了控制工件的冷卻速度, 焙燒爐頂部開有一個(gè)直徑120 mm的排氣口,并裝有可自動(dòng)開啟/關(guān)閉的蓋子,爐體下部裝有環(huán)形的進(jìn)風(fēng)口,風(fēng)機(jī)采用變頻器控制。排氣口蓋子的開啟和風(fēng)機(jī)開啟(轉(zhuǎn)速)均由PLC和溫度儀表控制。

3.2 升降裝置

升降裝置由構(gòu)架、升降臺(tái)、傳動(dòng)裝置、上下位置限位(定位)。構(gòu)架槽鋼和鋼板焊接成框架結(jié)構(gòu)，供安裝爐體之用[4-6]。構(gòu)架采用4根250 mm的槽鋼作為立柱，框架4根立柱下安裝M24的地腳螺栓，并用雙螺母固定。升降臺(tái)由型鋼和鋼板焊接而成,升降臺(tái)上裝有二根導(dǎo)軌,升降臺(tái)的上下移動(dòng)采用電動(dòng)鏈條傳動(dòng)。爐臺(tái)升降設(shè)有4個(gè)行程開關(guān)，每個(gè)方向兩個(gè)開關(guān)，4個(gè)開關(guān)把行程分成3個(gè)區(qū)間，兩端的區(qū)間為低速，中間區(qū)間為全速, 爐臺(tái)可準(zhǔn)確定位。爐臺(tái)升降由一個(gè)帶制動(dòng)器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)采用變頻調(diào)速。

工作氣氛采用熱空氣, 熱空氣從爐罐底部通入上部排氣。氣體管路由流量計(jì)、不銹鋼球閥、管路為不銹鋼管子，采用卡套接頭連接。爐壓為5 kPa微正壓，流量(壓力)可調(diào)。排氣管路由冷卻箱,電磁閥,泄壓閥,壓力傳感器等等組成。在氣源不足時(shí)設(shè)有聲光報(bào)警。

3.3 溫控系統(tǒng)

焙燒爐由溫度控溫儀表、測(cè)溫儀表和測(cè)溫元件組成溫控回路，并采用PLC可編程控制器和觸摸屏對(duì)焙燒爐進(jìn)行操作。溫度控制柜采用立式結(jié)構(gòu)形式，溫度(傳動(dòng))控制和監(jiān)控裝置安裝于控制柜內(nèi)或面板上，爐子溫度主控采用日本島電FP93智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀，儀表最多有40段曲線，可用于爐子按斜率升溫到工作溫度，然后保溫至所需的時(shí)間。溫控儀表還具有六組PID調(diào)節(jié)功能，也可設(shè)定超溫報(bào)警和切斷電加熱器電源的保護(hù)功能。還增加了通信功能，可與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)溫度程序的編制和PID參數(shù)等的設(shè)置，使儀表操作簡(jiǎn)單方便。

爐內(nèi)監(jiān)測(cè)采用日本SR1數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，可設(shè)定超溫報(bào)警和切斷加熱器電源的保護(hù)功能；溫度數(shù)據(jù)采用一體工控機(jī)和無(wú)紙記錄儀(6點(diǎn)記錄)雙重記錄。焙燒爐分6區(qū)控制,主電路采用可控硅調(diào)壓器控制, 控制儀表采用FP93和SR83組成6區(qū)控制的DCS系統(tǒng)；主控儀表采用可編程的FP93,通過(guò)SV值模擬變送,作為SR83的模擬遙控輸入,跟蹤主控儀表曲線。主控FP93數(shù)顯溫控儀表，PID調(diào)節(jié)，4組曲線，每組10步程序控制。溫度數(shù)據(jù)采用一體工控機(jī)和無(wú)紙記錄儀(6點(diǎn)記錄)雙重記錄。

3.4 報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)裝有各種故障報(bào)警功能，如超溫報(bào)警、爐臺(tái)升降故障報(bào)警、冷卻水欠壓和冷卻水溫度超溫等異常情況進(jìn)行聲光報(bào)警，并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施。

3.5 冷卻水裝置

冷卻水采用閉式循環(huán)型式，進(jìn)(出)水總管和分支管采用0Cr18Ni10Ti不銹鋼管。冷卻水系統(tǒng)(包括分支)裝有流量、進(jìn)水壓力、出水溫度監(jiān)測(cè)和顯示。當(dāng)出現(xiàn)水壓低于設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)(或手動(dòng))切換到城市自來(lái)水直接排放的冷卻方式。

3.6 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)由進(jìn)氣裝置和尾氣裝置兩部分組成。進(jìn)氣裝置由進(jìn)氣管、金屬管流量計(jì)、配氣柱等組成。壓空經(jīng)過(guò)流量計(jì)進(jìn)入配氣柱，通過(guò)氣體分配后進(jìn)入料盤[6]。尾氣處理裝置由電加熱燃燒爐、洗氣裝置、溫度控制等組成。尾氣經(jīng)電加熱爐燃燒后進(jìn)入水洗氣裝置,經(jīng)過(guò)處理的尾氣排入車間排氣管道(見(jiàn)圖2)。

圖2 供氣系統(tǒng)

3.7 料 盤

料盤由1個(gè)底座、17層料盤、1個(gè)配氣柱、1個(gè)頂蓋組成。單層料盤尺寸高度32 mm，外徑686 mm ，料盤總高約813 mm,最大裝球量為7.2 kg，料盤采用06Cr25Ni20(310S耐熱鋼)材質(zhì)焊接加工而成，厚度3 mm(見(jiàn)圖3)。

4 運(yùn)行效果

焙燒裝置經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)和功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備2015年8月正式已投入使用，經(jīng)過(guò)兩年的連續(xù)運(yùn)行，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以制備出合格的產(chǎn)品(見(jiàn)表2、圖4)。

圖3 料盤

表2 設(shè)備運(yùn)行實(shí)際參數(shù)

5 小 結(jié)

通過(guò)對(duì)焙燒裝置的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行，該設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)焙燒裝置各項(xiàng)參數(shù)和性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)；

圖4 焙燒裝置

(2)焙燒裝置可以制備出合格的產(chǎn)品；

(3)焙燒裝置操作簡(jiǎn)單，滿足了高溫氣冷堆核電示范工程核燃料元件生產(chǎn)線工業(yè)化生產(chǎn)的要求；

(4)焙燒裝置研制成功后，填補(bǔ)了高溫氣冷堆核燃料元件焙燒工藝工業(yè)化處理設(shè)備的空白。