某核電廠放射性廢物環(huán)保處理探析

上海維納控制系統(tǒng)有限公司 邱海峰

一、前言

廢樹脂、廢濾芯、濃縮液、干廢物和廢通風(fēng)濾芯等通常是核電廠生產(chǎn)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的主要廢物。由于核電廠的特殊性，核電廠產(chǎn)生的廢物中往往具有放射性，其中最為突出的就是放射性廢樹脂。核電廠廢樹脂通常產(chǎn)生于反應(yīng)堆回路的冷卻系統(tǒng)、凝結(jié)水凈化系統(tǒng)以及其他的凈化系統(tǒng)，由于以上系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中都需要用到離子交換樹脂，作廢后的離子交換樹脂則稱為放射性廢樹脂，其主要成分為苯乙烯及二乙烯苯交聯(lián)聚合物，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定以至于其很難被改變物理化學(xué)形態(tài)。核電廠中的放射性廢樹脂產(chǎn)生量大、比活度高，一直是行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者中重點(diǎn)關(guān)注的問題，做到對該放射性廢物的管理也是行業(yè)內(nèi)一個難點(diǎn)，包括但不限于預(yù)處理、處理、貯存、運(yùn)輸以及末端處置等方面的管理也是亟須改進(jìn)的方面。本文結(jié)合筆者項(xiàng)目經(jīng)歷，重點(diǎn)針對某核電廠中的放射性廢樹脂的輸送和后端處理工藝進(jìn)行探討，以期為放射性固廢的處理提供一定的參考價(jià)值。

某核電廠布置兩臺600MW的發(fā)電機(jī)組，機(jī)組正常運(yùn)行情況下產(chǎn)生的各類廢物統(tǒng)一在核廢物廠房進(jìn)行處理，處理段包括廢物接收和處理區(qū)、固體廢物暫存庫、特種洗衣房等功能區(qū)，還包括衛(wèi)生出入口和進(jìn)排風(fēng)機(jī)房等配套設(shè)施。根據(jù)企業(yè)運(yùn)行過程中的廢物臺賬，每年需要處理的廢樹脂量約為23m3。

二、放射性廢樹脂環(huán)保輸送工藝

項(xiàng)目廢樹脂負(fù)壓輸送工藝中包括接收工藝和卸載工藝，本文通過模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證廢樹脂負(fù)壓輸送工藝中的可行性。

試驗(yàn)主要使用材料為1噸核級離子樹脂GRAVER GR 3-9和2噸自來水。主要設(shè)備為廢樹脂中轉(zhuǎn)罐真空泵、循環(huán)泵等。如試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足負(fù)壓輸送性能要求，不出現(xiàn)管路堵塞，不出現(xiàn)跑冒滴漏。

（一）廢樹脂負(fù)壓輸送工藝

1.接收部分

模擬核島廢樹脂中轉(zhuǎn)罐（1.5m3）→模擬核島廢樹脂運(yùn)輸設(shè)備槽車。采用IBC桶來模擬廢樹脂的接收槽，通過管道連接至廢樹脂中轉(zhuǎn)罐。IBC桶內(nèi)部按照試驗(yàn)要求配置固定比例的樹脂混合物（比例分別為：100%樹脂，80%樹脂，60%樹脂）。將廢樹脂中轉(zhuǎn)罐內(nèi)壓力抽至-0.08MPa，打開進(jìn)液閥門，將IBC罐中的樹脂在負(fù)壓的作用下輸送至中轉(zhuǎn)罐中，打開攪拌槳，實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)罐內(nèi)的廢樹脂和水的混合。通過軟管，將中轉(zhuǎn)罐底部出口與模擬槽車進(jìn)口的快速接口相連；通過模擬槽車的控制面板，將槽車內(nèi)的壓力抽至-0.08MPa。分別打開中轉(zhuǎn)罐（罐1）和槽車罐（罐2）的出口閥和進(jìn)口閥，將罐1內(nèi)的樹脂輸送至罐2，此時(shí)觀察到罐2的壓力升高，升高至常壓時(shí)，重復(fù)步驟上述步驟。并記錄輸送停止壓力以及輸送次數(shù)。觀察罐1內(nèi)的液面變化情況，待罐1內(nèi)的樹脂輸送完畢時(shí)，通過罐1 的控制面板，關(guān)閉罐1的攪拌機(jī)和出口閥；通過罐2的控制面板關(guān)閉罐2的進(jìn)口閥。

2.卸載部分

模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂運(yùn)輸設(shè)備槽車→模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂中轉(zhuǎn)罐（1.5m3）→模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂接收槽。將模擬槽車罐（罐2）底部出口與中轉(zhuǎn)罐（罐3）的上部進(jìn)口相連接，并固定牢固；啟動真空泵將中轉(zhuǎn)罐內(nèi)壓力抽至-0.08MPa左右；通過負(fù)壓作用將槽車（罐2）內(nèi)的樹脂輸送至中轉(zhuǎn)罐（罐3）內(nèi)，觀察管道內(nèi)樹脂輸送情況，直至樹脂完成輸送，并記錄輸送次數(shù)以及泄壓情況；樹脂完全輸送至中轉(zhuǎn)罐（罐3）內(nèi)后，循環(huán)攪拌中轉(zhuǎn)罐（罐3），當(dāng)純樹脂（樹脂含量100%）時(shí)，通過打開進(jìn)清洗水閥門，抽取一定量的清水（按照樹脂和水的比例為6：4的量吸入清水）；將中轉(zhuǎn)罐（罐3）內(nèi)的樹脂輸送至IBC桶，至罐內(nèi)樹脂輸送完成，并記錄管道樹脂輸送情況。

接收和卸載流程具體如圖1所示。

圖1 廢樹脂環(huán)保接收與卸載工藝

（二）試驗(yàn)結(jié)果

IBC桶到廢樹脂中轉(zhuǎn)罐輸送，第一次抽取樹脂大概抽取量在20cmIBC桶的高度，且泄壓到-30kpa，后續(xù)繼續(xù)抽取-80kpa的真空，由于進(jìn)空氣嚴(yán)重，經(jīng)過多次的抽取，完成IBC桶到罐1的樹脂輸送。廢樹脂中轉(zhuǎn)罐（罐1 ）到模擬槽車（罐2）可單次完成輸送，模擬槽車（罐2）到廢樹脂卸載中轉(zhuǎn)罐（罐3）也單次完成輸送。上述試驗(yàn)中若采用0.7t的樹脂約（0.627立方）和0.42立方的水同時(shí)輸送，完成輸送后，罐1進(jìn)清洗水清洗，通過抽取真空、打開罐1進(jìn)清水閥，抽取一定量的清水后，經(jīng)過攪拌后，從罐1輸送至罐2，輸送過程中觀察管道，未見明顯的樹脂；罐1的清洗水進(jìn)入罐2后，開啟攪拌后，從罐2輸送至罐3，輸送過程中未見明顯樹脂，各個工序均較好地完成接收卸載工序。若采用純樹脂輸送，也可完成輸送，但是最終清洗罐子和攪拌器時(shí)會發(fā)現(xiàn)罐子內(nèi)部和攪拌器槳葉上會留有樹脂的殘?jiān)栌们逑此逑春蟛拍芘磐掠?。?shí)驗(yàn)記錄過程如圖2。

圖2 試驗(yàn)記錄過程

（三）分析討論

由以上結(jié)果可知，負(fù)壓輸送流暢，管道不會堵塞，說明了負(fù)壓輸送的可行性，純樹脂（100%樹脂）輸送時(shí)，罐子內(nèi)壁會存在樹脂的留存（罐子沾附），清洗水清洗后可達(dá)到完全輸送。當(dāng)80%和60%樹脂輸送時(shí)，可做到清洗水沖洗罐體時(shí)，未明顯發(fā)現(xiàn)樹脂的留存，IBC桶的樹脂進(jìn)入中轉(zhuǎn)罐時(shí)，混有大量的空氣進(jìn)入罐子，故會需要多次地真空輸送，當(dāng)中轉(zhuǎn)罐的樹脂輸送至模擬槽車罐時(shí)，可順利地在-0.08MPa的真空壓力下完成樹脂的輸送。

三、放射性廢樹脂環(huán)保處理

（一）不同處理工藝對比

調(diào)研國內(nèi)外針對放射性廢樹脂的處理工藝較多，各個工藝也具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，常用的處理技術(shù)主要為水泥固化、玻璃固化、熱態(tài)壓實(shí)、桶內(nèi)干燥、焚燒以及蒸汽重整等，不同的工藝具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本文主要對比熱態(tài)壓實(shí)、瀝青固化以及焚燒技術(shù)等處理工藝。

1.熱態(tài)壓實(shí)

熱態(tài)壓實(shí)技術(shù)是從德國引進(jìn)的一種放射性廢樹脂處理技術(shù)。該技術(shù)處理前需要使用到錐形干燥器對廢樹脂進(jìn)行預(yù)處理，主要是干燥脫水，然后再熱態(tài)超壓，后期采用水泥固定。此技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠很好地對放射性廢物起到減容的作用。缺點(diǎn)在于樹脂干燥前需先經(jīng)過研磨處理，干燥過程中要添加添加劑，處理成本較高、設(shè)備工藝復(fù)雜。

2.瀝青固化技術(shù)

瀝青固化技術(shù)是使用最早、最為成熟的一種放射性廢物處理技術(shù)。該技術(shù)由最早的直接處理放射性濃縮液發(fā)展成為將廢樹脂研磨后與融化瀝青混合，從而起到固化的作用，具有較好的減容效果，可將廢物減少至原來的0.75倍，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，其最大的確定就是具備火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。由于此技術(shù)在處理過程中含有大量的氧化劑，因此容易發(fā)生火災(zāi)，現(xiàn)階段已較少采用。

3.焚燒技術(shù)

放射性廢樹脂具有一定的可燃性，可以通過焚燒來進(jìn)行處理，但由于廢樹脂中熱值不高，因此，針對放射性廢樹脂的焚燒應(yīng)該與其他可燃物一并處理。將焚燒技術(shù)應(yīng)用到放射性廢樹脂中最大的亮點(diǎn)就是能夠很好地起到減容效果，但由于焚燒會產(chǎn)生一定的焚燒灰，并不能完全去除放射性，因此，后續(xù)還需結(jié)合固化技術(shù)來進(jìn)行處理。此技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)減容化、無機(jī)化，針對放射性較低的物質(zhì)應(yīng)用效果較好，但整體比較下具有較高的建設(shè)成本，一般不推薦使用。

（二）項(xiàng)目放射性廢樹脂處理工藝

本項(xiàng)目放射性廢樹脂處理工藝重點(diǎn)結(jié)合前端的輸送工藝，根據(jù)前端的負(fù)壓輸送工藝驗(yàn)證，可最大限度地減少管道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，也可減少設(shè)備管道間的泄漏點(diǎn)，同時(shí)可大大降低輸送過程中水的占比，減少后端錐形干燥器需要烘干的游離水。后端工藝直接采用錐形干燥器烘干裝桶的工藝，樹脂輸送至錐形干燥器后直接烘干，沒有烘干前的研磨要求，也沒有烘干過程中添加劑的添加要求。烘干完成后直接裝200L鋼桶封蓋，再將200L鋼桶裝入混凝土HIC容器內(nèi)進(jìn)行水泥固定后長期貯存。核心設(shè)備錐形干燥器設(shè)有樹脂入口、排氣口等，內(nèi)部設(shè)置懸臂螺旋式攪拌器。設(shè)備外表面設(shè)置導(dǎo)熱油管路，通過外部熱油單元加熱導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油將熱量傳遞給錐形干燥器表面，最終使錐形干燥器內(nèi)部的樹脂蒸發(fā)烘干。同時(shí)，導(dǎo)熱油管道和錐形干燥器外表面均設(shè)置一定厚度的巖棉保溫層，防止熱量的損失。

將需要處理的放射性廢樹脂計(jì)量和用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶并封蓋，封蓋后的200L鋼桶送到核廢物廠房固體廢物暫存庫，在暫存庫的廢物桶劑量檢測間進(jìn)行檢測后，用吊車運(yùn)往暫存庫灌漿區(qū)裝入HIC后暫存，具體處理工藝如圖3所示。

圖3 核電廠廢樹脂處理工藝及處理效果

由圖3可知，最終烘干后樹脂內(nèi)部含水量小于4%（質(zhì)量比），該錐形干燥器對樹脂的平均處理能力大于40L/h，烘干后的廢樹脂裝HIC容器后可滿足處置場長期貯存和接收的要求。

四、結(jié)束語

核電廠廢樹脂作為放射性廢物管理的一個難點(diǎn)，一直得到行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。廢樹脂的輸送和處理工藝對實(shí)現(xiàn)放射性廢物無害化處理將至關(guān)重要，本文通過對某核電廠放射性廢物進(jìn)行模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證廢樹脂負(fù)壓輸送工藝中的可行性，并且設(shè)計(jì)了錐形干燥器烘干裝桶的處理工藝，試驗(yàn)效果較好，具有可實(shí)踐性。