放射性環(huán)境下的有機(jī)廢液提取分離裝置研制及工程應(yīng)用

趙玲君，陳繼釗

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

放射性環(huán)境下的有機(jī)廢液提取分離裝置研制及工程應(yīng)用

趙玲君，陳繼釗

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

從放射性有機(jī)廢液的特點(diǎn)和工程處理的相關(guān)要求，分析了影響有機(jī)廢液提取分離的關(guān)鍵因素。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過(guò)技術(shù)調(diào)研，研制了有機(jī)廢液提取分離裝置，經(jīng)冷熱試驗(yàn)和工程應(yīng)用，采用該裝置提取分離有機(jī)廢液是安全有效的，可為工程實(shí)施提供技術(shù)支持。

放射性環(huán)境；有機(jī)廢液；提取分離裝置

某核燃料后處理廠生產(chǎn)期間產(chǎn)生了大量的中放廢液和有機(jī)廢液（TBP/OK），由于歷史原因有機(jī)廢液與中低放廢液混合貯存在地下貯罐中。兩種廢液各自有明確的后續(xù)處理技術(shù)路線(xiàn)，中低放廢液采用水泥固化技術(shù)處理，有機(jī)廢液采用熱解焚燒技術(shù)處理[1-2]。目前，中低放廢液提取輸送的工程裝置已經(jīng)建成。如何將與中低放廢液混合貯存的有機(jī)廢液有效分離并盡可能多地提取出來(lái)是有機(jī)廢液處理處置需要解決的前提條件。因此，結(jié)合有機(jī)廢液的特點(diǎn)和有機(jī)相熱解焚燒的供料要求，研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效穩(wěn)定、安全可靠且與工藝配套的適用于放射性環(huán)境下的油水提取分離裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)分離裝置），對(duì)于有機(jī)廢液后續(xù)處理具有重要的意義。

1 分離裝置技術(shù)要求

鑒于貯罐內(nèi)混存廢液具有放射性、易燃爆、進(jìn)入貯罐通道的結(jié)構(gòu)尺寸小以及需到達(dá)的油水分離效果（達(dá)95%）等因素，分離裝置研制時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

1) 對(duì)油水界面準(zhǔn)確定位；

2) 分離盡量采用物理分離，不在罐內(nèi)引入其他物質(zhì)和額外動(dòng)力，避免可能導(dǎo)致的燃爆；

3) 結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單；

4) 不會(huì)產(chǎn)生明顯的渦流或擾動(dòng)，可以較平穩(wěn)地吸入有機(jī)相，避免對(duì)罐內(nèi)貯存的放射性物質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)；

5) 受安裝條件限制，裝置進(jìn)入罐內(nèi)最大直徑≤500 mm；

6) 具備過(guò)濾、自排、放空功能；

7) 提取完有機(jī)相后殘余有機(jī)相高度不大于2 cm。

2 技術(shù)調(diào)研及分析

根據(jù)分離裝置的技術(shù)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有油水分離提取技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)未見(jiàn)用于放射性環(huán)境下有機(jī)廢液與中放廢液分離提取的相關(guān)報(bào)道。但在石油工業(yè)和食品行業(yè)有溢油回收設(shè)備，這些溢油回收設(shè)備的結(jié)構(gòu)及形式多樣，但都是利用密度差原理，使浮球浮于油面中，將油水一起抽入容器后再進(jìn)行分離。這種方式不適合放射性廠房大體積油水分離，也無(wú)法得知?dú)堄嘤袡C(jī)相厚度。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，對(duì)分離裝置進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，確定裝置的原理結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)，最終完成裝置定型。

3 分離裝置的研制及結(jié)構(gòu)

為了達(dá)到油水分離提取目標(biāo)及效果[3]，將整套裝置分為油水界面定位設(shè)備、吸入提取設(shè)備、殘余有機(jī)相探測(cè)設(shè)備三部分考慮。通過(guò)界面定位設(shè)備將有機(jī)相吸入提取設(shè)備安裝在界面處，以便盡可能多地吸入有機(jī)相并轉(zhuǎn)移出貯罐，最后利用殘余有機(jī)相探測(cè)設(shè)備測(cè)量剩余有機(jī)相厚度，可以計(jì)算出提取率。

3.1 界面定位設(shè)備

界面定位設(shè)備需要選擇合適的界面計(jì)，為項(xiàng)目實(shí)施提供可靠的技術(shù)支持，經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上界面計(jì)的原理、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、精度等進(jìn)行調(diào)研，選用磁致伸縮液位計(jì)對(duì)有機(jī)相與水相進(jìn)行界面測(cè)量。該類(lèi)型液位計(jì)可同時(shí)測(cè)量產(chǎn)品的液位、界面。既可以作液位計(jì)使用，又可以作界面計(jì)使用，精度高，特別適合易燃易爆液體的測(cè)量，并且可以離線(xiàn)標(biāo)定。根據(jù)罐內(nèi)的兩種介質(zhì)的實(shí)際密度確定磁致伸縮式液位計(jì)浮子的密度，密度介于上下兩種介質(zhì)的密度之間。

3.2 有機(jī)相吸入提取設(shè)備

有機(jī)相吸入提取設(shè)備是整套裝置的關(guān)鍵設(shè)備，利用兩介質(zhì)密度不同，不互溶的物理特性，采用重力分離的方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)相與水相的隔離。采用結(jié)構(gòu)分解的方法進(jìn)行吸入提取設(shè)備的原型設(shè)計(jì)，工作分解結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 吸入提取設(shè)備研制的工作分解結(jié)構(gòu)Fig.1 The breakdown for the development of the suction extraction equipment

（1）吸入機(jī)構(gòu)

由于兩介質(zhì)存在分界面，因此在確定界面的情況下，可以直接對(duì)有機(jī)相和水相進(jìn)行隔離。過(guò)濾部件主要是對(duì)介質(zhì)中的較大顆粒物、污物等進(jìn)行粗過(guò)濾，防止堵塞泵的吸入口，考慮使用平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

（2）過(guò)流機(jī)構(gòu)及供料機(jī)構(gòu)

過(guò)流機(jī)構(gòu)為有機(jī)相從吸入機(jī)構(gòu)中流向供料機(jī)構(gòu)的通道，由于吸入提取設(shè)備不要求自身提供動(dòng)力對(duì)介質(zhì)進(jìn)行提升，為方便供料機(jī)構(gòu)與提取泵的對(duì)接，過(guò)流機(jī)構(gòu)與供料機(jī)構(gòu)考慮圓形結(jié)構(gòu)。在有機(jī)相液位較低時(shí)，流體表面易形成漩渦，導(dǎo)致氣體進(jìn)入提取泵內(nèi)造成“氣蝕”。因此，設(shè)計(jì)時(shí)考慮裝置內(nèi)增設(shè)擾流板狀。

（3）排空機(jī)構(gòu)

排空機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)吸入提取設(shè)備內(nèi)殘存有機(jī)相或廢液的排出，為便于維修，考慮利用重力自排原理進(jìn)行排空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于有機(jī)相與水相存在密度差，因此排空結(jié)構(gòu)考慮采用浮子閥的形式。

（4）清洗機(jī)構(gòu)

清洗機(jī)構(gòu)主要是在對(duì)吸入提取設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，使用水或其他清洗劑完成吸入提取設(shè)備的清洗。對(duì)于吸入提取設(shè)備而言，外表面可以直接沖洗，因此主要考慮內(nèi)表面的清洗。為覆蓋吸入提取設(shè)備內(nèi)部大部分面積，清洗結(jié)構(gòu)考慮環(huán)形清洗結(jié)構(gòu)。綜上所述，對(duì)吸入提取設(shè)備原型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 吸入提取設(shè)備原型設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 The design schematic of the suction extraction equipment

完成吸入提取設(shè)備的原型設(shè)計(jì)后，需要對(duì)吸入提取設(shè)備的過(guò)流能力、浮子閥密封與排空效果、與選定的液下泵進(jìn)行總成性能驗(yàn)證試驗(yàn)，最后對(duì)設(shè)備定型。

3.2.1 性能試驗(yàn)

（1）過(guò)流能力試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模焊鶕?jù)吸入提取設(shè)備直徑、排放口徑與液位關(guān)系觀測(cè)漩渦產(chǎn)生狀況，在要求的尺寸范圍內(nèi)通過(guò)試驗(yàn)確定設(shè)備水力學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸。

試驗(yàn)原理及過(guò)程：在裝置內(nèi)裝入水，觀測(cè)介質(zhì)流出狀況。根據(jù)漩渦產(chǎn)生狀況增設(shè)擾流板重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)確定了擾流板的尺寸，見(jiàn)圖3。

圖3 吸入提取設(shè)備過(guò)流能力試驗(yàn)原理圖Fig.3 The schematic of the overflow capacity test for the suction extraction equipment

（2）浮子閥性能試驗(yàn)

浮子閥密封結(jié)構(gòu)形式主要有硬密封和軟密封兩種，主要測(cè)試其單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量（即泄漏率），從而確定采取哪種密封形式。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖4。

圖4 浮子閥性能試驗(yàn)原理圖Fig.4 The schematic of float-controlled valve performance test

1）密封試驗(yàn)：將吸入提取設(shè)備及其底部浮子閥緩慢放置于儲(chǔ)水容器中，使設(shè)備底部恰好沒(méi)入水中，浮子閥浮球依靠浮力慢慢升起，最終完全將排放通道關(guān)閉；再用針管將設(shè)備內(nèi)部液體全部清除，并開(kāi)始計(jì)時(shí)；1小時(shí)后用帶刻度的針管將設(shè)備內(nèi)部的液體抽出，讀取數(shù)據(jù)并記錄。由此，可測(cè)算出浮子閥的泄漏率，并由此推算提取輸送系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的有效輸送率。

2）排空試驗(yàn)：將吸入提取設(shè)備內(nèi)灌滿(mǎn)液體，且浮子閥處于關(guān)閉狀態(tài)，緩慢提起，浮子閥依靠重力作用開(kāi)啟排空通道，使內(nèi)部液體排出；試驗(yàn)重點(diǎn)在于測(cè)試浮子閥啟閉的靈活性，及能否排空設(shè)備內(nèi)部液體。

（3）提取泵總成性能試驗(yàn)

總成性能試驗(yàn)介質(zhì)分別為水、水+煤油的總成試驗(yàn)，檢驗(yàn)吸入提取設(shè)備與泵連接后的總體性能能否滿(mǎn)足要求。煤油密度0.83 g/cm3；黏度0.7 mPa·s。試驗(yàn)時(shí)將煤油倒入容器內(nèi)，保持煤油高度的穩(wěn)定，同時(shí)將吸入提取設(shè)備至于界面上20 mm。啟動(dòng)泵，調(diào)節(jié)泵出口閥門(mén)，在泵的額定流量范圍，改變泵輸出流量，測(cè)量提取后殘留的煤油高度。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）過(guò)流能力試驗(yàn)結(jié)果

在無(wú)擾流板的情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：對(duì)于相同的排放閥門(mén)通徑，吸入提取設(shè)備半徑越大，其排放流量越大，產(chǎn)生漩渦的高度越高。對(duì)于相同直徑的吸入提取設(shè)備，排放閥門(mén)通徑越大，其排放流量越大，產(chǎn)生漩渦的高度越高。

在加設(shè)擾流板的情況下的試驗(yàn)表明，裝置產(chǎn)生的漩渦得到了極大的抑制，均降至50 mm以下才觀察到漩渦的產(chǎn)生。

（2）浮子閥性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)進(jìn)行了硬浮子和軟浮子兩種結(jié)構(gòu)的密封性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，浮子閥軟、硬密封兩種形式均可達(dá)到良好的密封效果，且啟閉靈活，吸入提取設(shè)備內(nèi)液體排空效果良好?？紤]檢修頻次，選擇硬密封的方式進(jìn)行定型。

（3）總成性能試驗(yàn)結(jié)果

1）液下泵對(duì)液面處無(wú)特殊要求[4]，在啟動(dòng)運(yùn)行方面對(duì)泵而言無(wú)影響，在液面位置在3～4 m之間時(shí)，液下泵啟動(dòng)在3～6 s之內(nèi)即可達(dá)到輸送壓力、輸送流量的穩(wěn)定。

2）吸入提取設(shè)備與液下泵形成了一個(gè)總成系統(tǒng)裝置，為了便于整體的調(diào)節(jié)，在液下泵泵體基座底部設(shè)計(jì)±5 cm可調(diào)的螺栓，可以適應(yīng)調(diào)節(jié)。

3）無(wú)濾網(wǎng)的測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)對(duì)吸入提取設(shè)備過(guò)流能力、過(guò)流速度無(wú)影響，同時(shí)對(duì)殘留量也無(wú)影響。

通過(guò)總成性能試驗(yàn)，獲取了有機(jī)相吸入提取設(shè)備的主要功能要求及樣機(jī)參數(shù)評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。

表1 浮子閥硬密封性能試驗(yàn)Table 1 Hard seal performance of the float-controlled valve

表2 浮子閥軟密封性能試驗(yàn)Table 2 Soft seal performance of the float-controlled valve

表3 主要技術(shù)要求與吸入提取設(shè)備樣機(jī)參數(shù)評(píng)價(jià)Table 3 Main technical requirements and parameters of the prototype suction extraction equipment

（4）有機(jī)相吸入提取設(shè)備制造

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，進(jìn)行了有機(jī)相吸入提取設(shè)備的制造，見(jiàn)圖5設(shè)備結(jié)構(gòu)圖及圖6實(shí)物圖。

1) 考慮到現(xiàn)場(chǎng)特性，要求裝置使用時(shí)間長(zhǎng)，減少維修，浮子閥采用硬密封結(jié)構(gòu)；

2) 吸入提取設(shè)備與泵的連接采用焊接形式，以保證吸入提取設(shè)備的牢固性；

3) 吸入提取設(shè)備與泵的傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)垂直度不大于1 mm，吸入提取設(shè)備平面度控制在0.1 mm以?xún)?nèi)，吸入提取設(shè)備濾網(wǎng)及環(huán)形入口表面光潔度控制在0.8 mm以下，以保證有機(jī)相的平穩(wěn)過(guò)流與匯集。

3.3 殘余有機(jī)相測(cè)量設(shè)備

圖5 有機(jī)相吸入提取設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 The structure of the organic phase suction extraction equipment

在有機(jī)相提取結(jié)束后，需測(cè)定提取后罐內(nèi)殘余有機(jī)相厚度及其界面形態(tài)，為下一步殘余有機(jī)相的處理提供必要的資料。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，市場(chǎng)上沒(méi)有直接用于放射性場(chǎng)所測(cè)量殘余有機(jī)相的設(shè)備或儀器，因此殘余有機(jī)相的測(cè)量考慮直接對(duì)其厚度進(jìn)行觀察和測(cè)量。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用內(nèi)窺鏡開(kāi)展殘余有機(jī)相厚度測(cè)量設(shè)備研制，設(shè)備由攝像頭，控制系統(tǒng)和標(biāo)尺構(gòu)成，有機(jī)相厚度測(cè)量原理見(jiàn)圖7。工作時(shí)，將攝像頭和標(biāo)尺放置于殘余有機(jī)相界面，由攝像頭觀察殘余有機(jī)相界面形態(tài)，標(biāo)尺測(cè)量殘余有機(jī)相厚度，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)顯示屏顯示。

圖6 有機(jī)相吸入提取設(shè)備實(shí)物圖Fig. 6 The real organic phase suction extraction equipment

圖7 有機(jī)相厚度測(cè)量原理圖Fig. 7 The schematic of organic wastewater thickness measurement

表4 臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)Table 4 The rig test data

4 應(yīng)用效果

4.1 冷臺(tái)架試驗(yàn)

建立試驗(yàn)臺(tái)架[5]：液下泵型號(hào)LAY25-200 C型，流量7 m3/h，揚(yáng)程20 m，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，界面計(jì)選用MBT/T1S1AFA3A2/4150安裝法蘭DN100帶配對(duì)法蘭。貯槽模擬料液初始高度為2 560 mm，有機(jī)相模擬料液高度為1 757 mm。開(kāi)展了三輪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

通過(guò)三輪試驗(yàn)及試驗(yàn)參數(shù)可知：

1) 整套裝置適用于油水分離提取，運(yùn)行平穩(wěn)，表面未觀察到漩渦，沿途管線(xiàn)沒(méi)有漏點(diǎn)；

2) 提取率大于95%，殘余有機(jī)相小于1 cm；

3) 界面計(jì)能夠準(zhǔn)確顯示界面位置，測(cè)量誤差小于1%；

4) 提取輸送平均流量5.23 m3/h，能夠滿(mǎn)足工藝要求。

4.2 工程熱試驗(yàn)及應(yīng)用

熱試驗(yàn)在S-1205/7貯槽內(nèi)進(jìn)行，原有0.5 m有機(jī)廢液，將磁致伸縮界面計(jì)通過(guò)儀表孔安裝于待提取貯罐內(nèi)，確定有機(jī)廢液與中放廢液的界面，吸入提取設(shè)備殼體和液下泵通過(guò)貯罐內(nèi)人孔放入貯罐內(nèi)界面處，液下泵出口管線(xiàn)插入收集貯罐液面下。開(kāi)啟液下泵，將待提取貯罐中低放有機(jī)廢液倒入收集貯罐中。熱試驗(yàn)共運(yùn)行8小時(shí)10分鐘，提取泵能力滿(mǎn)足要求。通過(guò)測(cè)量殘余有機(jī)相厚度小于20 mm，計(jì)算有機(jī)相提取率為95.4%。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)罐內(nèi)油水界面相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制的有機(jī)廢液分離提取裝置，通過(guò)精確定位，確定油水界面，能大大提高油相回收效率，采用直接向提取泵供料，在工程應(yīng)用過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，利用本裝置首次實(shí)現(xiàn)了放射性環(huán)境下的有機(jī)廢液與中放廢液的分離并提取出來(lái)，有機(jī)廢液提取率大于95%，且在試驗(yàn)及工程應(yīng)用的過(guò)程中充分考慮了有機(jī)廢液易燃爆的特點(diǎn)，采取了相應(yīng)的措施，確保了全過(guò)程的安全。

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Radioactive Organic Waste Liquid Extraction and Separation Equipment Development and Engineering Application

ZHAO Ling-jun，CHEN Ji-zhao
(Sichuan Environment and Protection Engineering Co., Ltd., CNNC, Guangyuan, Sichuan Prov. 628000, China)

From the characteristic of organic radioactive waste water processing and engineering requirements, the key factors influencing the extraction and separation of organic waste water are analyzed, combined with the actual situation on site. Through technical study, the extraction and separation device for the organic waste water is developed. Through the cold and hot tests and engineering application, it is demonstrated that to adopt this device to extract and separate the organic waste water is safe and effective, which can provide technical support for the project.

radioactive environment; organic waste water; extraction and separation device

TL249 Article Character: A Article ID: 1674-1617（2016）04-0374-07

TL249

A

1674-1617（2016）04-0374-07

2016-10-20

趙玲君（1975—），女，四川南充人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事放射性廢物治理工作。