氣力輸送技術(shù)在放射性廢液暫存設(shè)施中的應(yīng)用

邵延江，李 維，馬聰聰，馮春曉

(中國原子能科學(xué)研究院 退役治理工程技術(shù)中心，北京 102413)

工業(yè)上常用的液體輸送方式主要分為機(jī)械式(如泵輸送)和非機(jī)械式(如氣力輸送)兩大類。其中，氣力輸送技術(shù)因其具有良好的物料適應(yīng)性、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、自動化控制程度高、安全度高等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1-2]。在核行業(yè)中，氣力輸送技術(shù)也有所應(yīng)用，如在高溫氣冷堆(HTR-10)吸收球停堆系統(tǒng)、燃料球裝卸系統(tǒng)、核燃料后處理前端固體料液輸送中的應(yīng)用等[3-4]，但在液體料液輸送中的應(yīng)用公開報(bào)道相對較少。

中國原子能科學(xué)研究院(簡稱原子能院)放射性廢液暫存設(shè)施(簡稱暫存設(shè)施)采用氣力輸送技術(shù)設(shè)計(jì)，即將投入使用。為驗(yàn)證設(shè)施氣力輸送技術(shù)及裝置設(shè)計(jì)是否滿足原子能院放射性廢液輸送需求，投入使用前需進(jìn)行冷調(diào)試試驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)方僅提供了氣力輸送設(shè)備(如空壓機(jī)和真空泵)的性能參數(shù)，而未提供設(shè)計(jì)工藝計(jì)算書、推薦的工藝操作參數(shù)等。若直接進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，存在工藝參數(shù)不確定、調(diào)試工作量大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，故本文在冷調(diào)試前，先利用理論計(jì)算方法得到工藝操作參數(shù)，進(jìn)而通過冷試驗(yàn)驗(yàn)證氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，并結(jié)合冷試驗(yàn)和理論計(jì)算進(jìn)一步優(yōu)化并確定最佳工藝操作參數(shù)。在此基礎(chǔ)上提出技術(shù)改進(jìn)方法及建議，旨為今后同類設(shè)施的設(shè)計(jì)提供參考。

1 氣力輸送原理及操作參數(shù)理論計(jì)算

1.1 氣力輸送原理

氣力輸送是根據(jù)固-氣或液-氣兩相流原理，利用壓縮空氣靜壓和動壓高效率地沿管道輸送物料[5]。壓縮機(jī)與管道等組成氣力輸送系統(tǒng)，在管道內(nèi)，利用氣體作為承載介質(zhì)，將物料從一處輸送至另一處[6]。氣力輸送環(huán)節(jié)由進(jìn)料、流化、輸送、吹掃4個(gè)階段組成[7]。

氣力輸送系統(tǒng)按氣流在管道中的壓力狀態(tài)，可分為正壓壓送式和負(fù)壓吸送式兩大類[8]。正壓壓送式氣力輸送系統(tǒng)主要用于從1個(gè)物料源取樣，并將其輸送至1個(gè)或若干個(gè)收集點(diǎn)，此種輸送方式風(fēng)機(jī)設(shè)置在系統(tǒng)前端，故物料無法自由進(jìn)入管道，需借助風(fēng)機(jī)的作用進(jìn)行輸送。負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)是將若干個(gè)物料源中的1個(gè)或多個(gè)與物料一起輸送至1個(gè)收集點(diǎn)，此種輸送方式引風(fēng)機(jī)械裝置設(shè)置在系統(tǒng)末端，啟動引風(fēng)機(jī)械裝置，整個(gè)系統(tǒng)形成負(fù)壓，在負(fù)壓的帶動下進(jìn)行物料輸送[9-11]。

1.2 操作參數(shù)理論計(jì)算

放射性廢液氣力輸送系統(tǒng)的主要工藝操作參數(shù)包括：輸送廢液的體積流量、輸送壓力、管道流速、貯罐液位、呼排氣量、過濾器壓差等，其中最核心的是輸送定量廢液所需的壓力。因此，基于本工程系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)，采用伯努利方程計(jì)算輸送定量料液所需的壓力，計(jì)算條件為已知輸送廢液黏度、廢液密度、管道直徑、管壁粗糙度、管道長度、輸送的體積流量、通過管道的水頭損失。伯努利方程為：

(1)

∑hf=hf1+hf2=

(2)

式中：u1、u2為截面1-1′和2-2′處流體的平均流速，m/s；p1、p2為截面1-1′和2-2′處流體的壓力，Pa；Z1、Z2為截面1-1′和2-2′中心至基準(zhǔn)水平面的垂直距離，m；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3；We為外功，J/kg；∑hf為機(jī)械能損失，J/kg；hf1為管道沿程阻力；hf2為管件與閥門的局部阻力；λ1為摩擦系數(shù)；L1為輸送管路長度，m；d1為管道內(nèi)徑，m；ξ1為管道進(jìn)出口阻力系數(shù)；∑Le1為管件與閥門等當(dāng)量長度，m。

已知輸送廢液黏度、廢液密度、管道直徑、管壁粗糙度、管道長度、輸送壓力及通過管道的水頭損失，而通過管道的平均流速、雷諾數(shù)均未知的條件下，采用伯努利方程試差法計(jì)算管道輸送的體積流量[12]。具體步驟為：1) 設(shè)定摩擦系數(shù)λ的初始值λ0；2) 將λ0代入λ與平均流速u的關(guān)系式，求解u；3) 由u及管道直徑d等求解雷諾數(shù)Re；4) 由管壁相對粗糙度ε/d和Re查莫迪摩擦系數(shù)圖，求解新的λ1；5) 重復(fù)上述步驟，直至λ0與λ1相近為止，此時(shí)的u即為所求；6) 采用公式qv=0.785d2u計(jì)算通過管道輸送的體積流量。

2 氣力輸送技術(shù)的應(yīng)用

2.1 氣力輸送系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

本工程氣力輸送系統(tǒng)總流程設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由廢液的收集、暫存、輸送3部分組成。流程設(shè)計(jì)為：各設(shè)施廢液經(jīng)輸送管道(設(shè)計(jì)坡度為0.3%)自流至揚(yáng)液器收集；收集后的廢液采用正壓壓送方式輸送至貯罐暫存。

圖1 氣力輸送系統(tǒng)總流程設(shè)計(jì)簡圖Fig.1 Process flow design diagram of pneumatic conveying system

當(dāng)需要將廢液輸送至處理設(shè)施時(shí)，先采用負(fù)壓吸送方式將廢液由貯罐吸送至揚(yáng)液器，再以正壓壓送方式輸送至處理設(shè)施。

其中，揚(yáng)液器作為廢液收集、轉(zhuǎn)運(yùn)的中間設(shè)備，是系統(tǒng)重要的組成之一。其采用中間筒體、兩頭橢圓形封頭連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要材質(zhì)為0Cr18Ni9，板材厚度為8 mm；具有強(qiáng)耐腐蝕性、耐壓等特點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，揚(yáng)液器在廢液暫存或轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，具備承受正壓壓力或負(fù)壓抽吸的力學(xué)特性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 揚(yáng)液器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure design drawing of liquid lifter

1) 正壓壓送式流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的正壓壓送式流程如圖3所示。

圖3 正壓壓送式流程Fig.3 Flow chart of positive pressure and pressure feeding

流程設(shè)計(jì)為：啟動空壓機(jī)，壓縮空氣由頂端進(jìn)入揚(yáng)液器，使揚(yáng)液器頂端壓力高于底端管道進(jìn)口處壓力，廢液由揚(yáng)液器底端管道進(jìn)口進(jìn)入管道，被輸送至貯罐。

在貯罐中，廢液與壓縮空氣分離，廢液在貯罐內(nèi)暫存，壓縮空氣由氣體凈化系統(tǒng)凈化后排入大氣。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸送壓力0.1～0.5 MPa、輸送預(yù)期需求廢液的體積流量18 m3/h。工況設(shè)計(jì)為：輸送管路總長30 m、輸送管φ57 mm×3.5 mm、途經(jīng)截止閥2個(gè)、彎頭14個(gè)、料液輸送與接收截面豎直高度7 m。本設(shè)計(jì)主要設(shè)備及布置列于表1。

表1 正壓壓送式主要設(shè)備規(guī)格型號及布置Table 1 Main equipment specification and layout of positive pressure feeding

2) 負(fù)壓吸送式流程設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的負(fù)壓吸送式流程如圖4所示。

圖4 負(fù)壓吸送式流程Fig.4 Flow chart of negative pressure suction

流程設(shè)計(jì)為：啟動真空泵，氣體由揚(yáng)液器頂端進(jìn)入，整個(gè)系統(tǒng)形成負(fù)壓；由于貯罐進(jìn)液管道口內(nèi)外存在壓差，空氣被吸入管道，與此同時(shí)，廢液被空氣帶入管道，并輸送至揚(yáng)液器。

在揚(yáng)液器中，氣體與廢液分離，廢液在揚(yáng)液器中暫存，氣體由過濾系統(tǒng)凈化后排入大氣。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：真空輸送壓力-0.01～-0.09 MPa、輸送預(yù)期需求廢液的體積流量10 m3/h。工況設(shè)計(jì)為：輸送管路總長25 m、輸送管φ57 mm×3.5 mm、途經(jīng)截止閥2個(gè)、彎頭17個(gè)、料液輸送與接收截面豎直高度1.5 m。本設(shè)計(jì)主要設(shè)備及布置列于表2。

表2 負(fù)壓吸送式主要設(shè)備規(guī)格型號及布置Table 2 Main equipment specification and layout of negative pressure suction

2.2 操作參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)，取揚(yáng)液器上液面為截面1-1′并作為基準(zhǔn)水平面，貯罐管道入口內(nèi)截面為下游截面2-2′，取管道絕對粗糙度e=0.2。

1) 正壓壓送方式

由公式u=4qv,s/πd2(qv,s為體積流量，m3/s；d為管道內(nèi)徑，m)可得u2=2.55 m/s；由雷諾數(shù)Re=duρ/μ可得Re=1.27×105；絕對粗糙度e=0.1時(shí)對應(yīng)的λ=0.025，則∑hf=175.31 J/kg。將u2=2.55 m/s、Re=1.27×105、∑hf=175.31 J/kg代入伯努利方程，求得輸送壓力p=246 kPa。

用伯努利方程試差法求得設(shè)計(jì)壓力分別為150、200、225、250、275、300 kPa時(shí)，相應(yīng)輸送廢液體積流量分別為12.18、15.47、16.88、18.81、19.39、20.53 m3/h?？梢?，輸送體積流量為18 m3/h時(shí)，輸送壓力為250 kPa。這與利用伯努利方程計(jì)算所得輸送壓力246 kPa相符，說明這兩種理論計(jì)算方法均可行。

2) 負(fù)壓吸送方式

由公式u=4qv,s/πd2可得u2=1.42 m/s；由公式Re=duρ/μ可得Re=7.03×104；絕對粗糙度e=0.1時(shí)，負(fù)壓吸送方式下對應(yīng)的λ=0.031，則∑hf=56.02 J/kg。將u2=1.42 m/s、Re=7.03×104、∑hf=56.02 J/kg代入伯努利方程，求得輸送壓力p=-42.2 kPa。

用伯努利方程試差法求解不同輸送壓力下的體積流量，結(jié)果列于表3。由表3可見，體積流量為10.27 m3/h時(shí)的輸送壓力為-45 kPa，與伯努利方程計(jì)算結(jié)果相符。

表3 負(fù)壓吸送方式不同輸送壓力下的體積流量Table 3 Volume flow of negative pressure suction under different pressures

3 結(jié)果與討論

以操作參數(shù)理論計(jì)算為依據(jù)，兩種輸送方式下，不同輸送壓力時(shí)，廢液輸送體積流量理論計(jì)算值與冷試驗(yàn)實(shí)測3次的平均體積流量對比示于圖5。由圖5可知，雖然廢液輸送體積流量的實(shí)測值與理論計(jì)算值之間存在一定的差異，但總體變化趨勢一致，且二者間的偏差較小。正壓輸送方式下，試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，輸送料液預(yù)期需求體積流量為18 m3/h，實(shí)測值與理論計(jì)算值之間的相對偏差為3%～20%；負(fù)壓輸送方式下，試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，輸送料液預(yù)期需求體積流量為10 m3/h，實(shí)測值與理論計(jì)算值之間的相對偏差為2%～5%。對于工程裝置的冷試驗(yàn)，該偏差是可接受的，即本文推薦的理論計(jì)算方法可作為冷試驗(yàn)的技術(shù)支持；設(shè)計(jì)的氣力輸送工程裝置基本合理。

圖5 輸送壓力與體積流量的關(guān)系Fig.5 Relationship between conveying pressure and volume flow

現(xiàn)有工程裝置條件下，為滿足輸送預(yù)期需求廢液的體積流量，初步確定工藝操作參數(shù)如下：正壓壓送方式輸送壓力為225～275 kPa；負(fù)壓吸送方式輸送壓力為-40～-50 kPa。

4 優(yōu)化建議

4.1 影響因素

對于已建成的廢液氣力輸送系統(tǒng)，進(jìn)行廢液輸送理論計(jì)算時(shí)，主要影響因素包括：廢液的密度、黏度以及管道絕對粗糙度等，其中密度及黏度等由廢液溫度決定，因此，本文主要考察廢液溫度和管道絕對粗糙度對理論計(jì)算與設(shè)計(jì)的影響。

1) 溫度

根據(jù)北京市房山區(qū)天氣及暫存設(shè)施設(shè)計(jì)，設(shè)定系統(tǒng)工作溫度為18～22 ℃時(shí)，計(jì)算兩種輸送方式、不同輸送壓力下的廢液輸送體積流量，并與實(shí)際測量值進(jìn)行對比，結(jié)果示于圖6。由圖6可知，兩種輸送方式下，輸送壓力相同時(shí)，不同溫度下的理論計(jì)算值基本相同，與實(shí)測值的偏差(正壓壓送式為0～20%，負(fù)壓吸送式為2.5%～6%)及整體變化趨勢一致。因此，理論計(jì)算時(shí)可忽略溫度的影響。

圖6 溫度對體積流量理論計(jì)算的影響Fig.6 Effect of temperature on theoretical calculation value of volume flow

2) 管道絕對粗糙度的影響

工程設(shè)計(jì)中，新無縫鋼管管道的絕對粗糙度e取值為0.1～0.2[13]。本文驗(yàn)證時(shí)e分別取0.1和0.2，對應(yīng)的相對粗糙度為0.002和0.004，計(jì)算兩種輸送方式、不同輸送壓力下的廢液輸送體積流量，并與實(shí)測值對比，結(jié)果示于圖7。由圖7可知，對于正壓壓送式設(shè)計(jì)，當(dāng)管道粗糙度分別取0.1與0.2時(shí)，體積流量的理論計(jì)算值與實(shí)測值整體變化趨勢一致；當(dāng)管道粗糙度取0.1時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)測值偏差較大，約為10%～29%；管道粗糙度取0.2時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)測值偏差較小，約為0～20%，與實(shí)測值更接近，此時(shí)理論計(jì)算值更能真實(shí)反映流體在管道內(nèi)的流態(tài)。

圖7 絕對粗糙度對體積流量理論計(jì)算值的影響Fig.7 Effect of absolute roughness on theoretical calculation value of volume flow

對于負(fù)壓吸送式設(shè)計(jì)，管道粗糙度取值不同時(shí)，呈現(xiàn)出與正壓壓送式設(shè)計(jì)相同的變化趨勢。當(dāng)管道粗糙度取0.1時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)測值偏差較大，為12%～14%；管道粗糙度取0.2時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)際偏差為2%～7%，與實(shí)測值更接近。

因此，進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，管道相對粗糙度是

影響理論推薦參數(shù)的主要因素。在工程設(shè)計(jì)，或?qū)σ呀ㄔO(shè)完成的裝置進(jìn)行氣力輸送參數(shù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮管道絕對粗糙度的影響。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1) 管徑選擇

流體的體積流量一般由生產(chǎn)任務(wù)決定[14]，平均流速需綜合考慮各種因素后再合理選擇[15]。工程設(shè)計(jì)中，輸送正壓在3×105Pa(與實(shí)測輸送壓力相符)時(shí)，管路設(shè)計(jì)參考流速為1～1.5 m/s[13]。本文正壓壓送方式輸送平均流速按最大參考流速設(shè)計(jì)，則有：參考管徑d=(4q/πu)1/2=(4×18÷3 600/(3.14×1.5))1/2=0.065 m=65 mm。

利用伯努利方程求得的參考管徑下輸送實(shí)測體積流量料液所需壓力列于表4。

表4 輸送實(shí)測體積流量料液所需壓力Table 4 Pressure required for conveying measured volume flow material liquid

由表4可知，采用參考管徑，輸送實(shí)測體積流量廢液所需壓力較設(shè)計(jì)輸送壓力小，且輸送廢液體積流量越大節(jié)能越明顯，因此今后的技術(shù)改進(jìn)中，可采用增大管徑的方式進(jìn)行廢液輸送節(jié)能試驗(yàn)。

2) 真空系統(tǒng)設(shè)備安全性

本文負(fù)壓吸送式真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，真空泵為水環(huán)真空泵，其抽吸的氣體為來自揚(yáng)液器的氣水混合物，濕氣大，易使葉輪生銹、腐蝕；泵軸冷卻由水箱自來水提供，增加了放射性廢液產(chǎn)生量，易造成放射性泄漏。

為避免上述問題，建議更換真空泵類型；同時(shí)可在泵前增設(shè)管道過濾器，除去氣水混合物中的水分，以延長真空泵的使用壽命。

5 結(jié)論

1) 在理論計(jì)算支持下，開展了氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文建立的放射性廢液氣力輸送裝置設(shè)計(jì)基本合理，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)滿足原子能院預(yù)期需求體積廢液輸送要求。

2) 通過應(yīng)用驗(yàn)證確定了廢液輸送壓力、廢液輸送體積流量等工藝操作參數(shù)，為系統(tǒng)熱調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

3) 在同類設(shè)施設(shè)計(jì)和工藝計(jì)算中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注管道絕對粗糙度的影響。

4) 今后的技術(shù)改進(jìn)中，可采取增大管徑的方式進(jìn)行輸送節(jié)能試驗(yàn)。

5) 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇相對安全度高的設(shè)備，并在泵前增加一級過濾器。