放射性廢液水泥固化桶外攪拌裝置設(shè)計(jì)

張海峰

摘 要：桶外攪拌工藝具有裝桶率高、可連續(xù)式操作等優(yōu)點(diǎn)，在放射性廢液水泥固化處理領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。該文分析了設(shè)計(jì)桶外攪拌裝置時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素，并初步設(shè)計(jì)了兩種簡(jiǎn)易的桶外攪拌裝置，為今后設(shè)備國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：放射性廢液 桶外攪拌裝置 攪拌

中圖分類號(hào)：TL941 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（a）-0026-03

國(guó)內(nèi)核電站放射性廢液水泥固化處理工藝主要有桶內(nèi)攪拌工藝和桶外攪拌工藝，從發(fā)展趨勢(shì)看，桶外攪拌工藝將逐漸占主導(dǎo)地位[1]。桶外攪拌工藝采用將放射性廢液、添加劑和干水泥先送入特制的攪拌裝置中攪拌均勻，然后裝入包裝容器的方式，該工藝具有裝填率高、處理能力大和可連續(xù)式操作的優(yōu)點(diǎn)。由于過(guò)去核電行業(yè)發(fā)展不景氣，國(guó)內(nèi)目前對(duì)桶外攪拌工藝的研究資料非常少，特別是對(duì)作為關(guān)鍵設(shè)備的攪拌裝置的研究更是缺乏。該文從桶外攪拌工藝的特點(diǎn)出發(fā)，探討桶外攪拌裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素，并初步設(shè)計(jì)了兩種簡(jiǎn)易的桶外攪拌裝置，為今后設(shè)備國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 桶外攪拌裝置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素

通常，攪拌裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)包含如下步驟：（1）確定攪拌條件；（2）選定攪拌槳型式及內(nèi)構(gòu)件；（3）確定攪拌槳尺寸及轉(zhuǎn)速；（4）計(jì)算攪拌功率；（5）攪拌裝置機(jī)械設(shè)計(jì)。其中，攪拌條件的確定和攪拌槳型式的選定是設(shè)計(jì)桶外攪拌裝置的基礎(chǔ)，也是比較難處理的兩個(gè)環(huán)節(jié)。該文主要對(duì)攪拌條件的確定和攪拌槳型式的選定進(jìn)行分析。

1.1 攪拌條件的確定

要確定的攪拌條件包括水泥漿的性質(zhì)、攪拌的目的、攪拌裝置的容積、攪拌裝置的型式、操作方式等等。這些都是設(shè)計(jì)桶外攪拌裝置的基礎(chǔ)，尤其是水泥漿的性質(zhì)和攪拌目的兩項(xiàng)。

1.1.1 水泥漿的性質(zhì)

在設(shè)計(jì)桶外攪拌裝置之前首先須對(duì)水泥配方及水泥漿的流變特征仔細(xì)研究。水泥漿一般認(rèn)為是高粘塑性流體（賓漢流體），其粘度在不同的攪拌階段與剪切力有不同的數(shù)值關(guān)系，而剪切力與攪拌槳的型式和轉(zhuǎn)速有關(guān)。

1.1.2 攪拌的目的

攪拌的目的不同，選定的攪拌槳型式也不同。攪拌槳的作用可粗分為兩大類，一是對(duì)攪拌槳近旁或容器內(nèi)物料產(chǎn)生的剪切作用，它決定了攪拌槳的分散能力（如對(duì)液滴和氣泡的細(xì)分化）；另一個(gè)是通過(guò)攪拌槳泵出的流量所產(chǎn)生的循環(huán)作用，它決定了攪拌槳對(duì)物料的混合能力。

1.1.3 攪拌裝置的容積

攪拌裝置的容積越大，攪拌低效區(qū)問(wèn)題就越嚴(yán)重。攪拌裝置的容積主要由水泥固化體配方和操作方式?jīng)Q定。

1.1.4 攪拌容器的型式

目前，水泥固化處理技術(shù)使用的攪拌裝置有兩類，即臥軸式攪拌裝置和立軸式攪拌裝置。從連續(xù)式操作的特點(diǎn)來(lái)看，桶外攪拌工藝宜優(yōu)先選用立軸式攪拌裝置。

1.1.5 操作方式

對(duì)于連續(xù)式操作的桶外攪拌裝置來(lái)說(shuō)，為了使水泥漿在非常短的時(shí)間內(nèi)混合均勻，要求攪拌槳必須高速旋轉(zhuǎn)，這對(duì)攪拌槳的機(jī)械性能提出了很高的要求。

1.2 攪拌槳型式的選定

攪拌條件確定后，攪拌漿的選定是非常重要的一步，它是攪拌裝置功率計(jì)算、流場(chǎng)分析和機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。按流變特征分類，水泥漿一般歸為高粘塑性流體一類。大量對(duì)高粘塑性流體混合的研究發(fā)現(xiàn)，高效的攪拌裝置至少應(yīng)具備兩個(gè)條件：（1）攪拌槳能提供強(qiáng)有力的剪切，促進(jìn)分子擴(kuò)散，從而快速達(dá)到分子級(jí)的混合。（2）由于高效剪切區(qū)總是只占有容器體積的一部分，因此只有攪拌槳能使流體在攪拌容器內(nèi)進(jìn)行快速的循環(huán)，使高剪切區(qū)和低剪切區(qū)的液體快速交換，才能使整個(gè)攪拌容器快速地達(dá)到均勻混合。

以前國(guó)內(nèi)核電站的放射性廢液水泥固化系統(tǒng)經(jīng)常采用平面型攪拌槳，用這種攪拌槳混合的固化體均勻性差，分層現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且裝桶率一般僅為70%左右。后來(lái)改用行星式雙螺旋結(jié)構(gòu)的攪拌裝置，不但解決了廢物均勻性的問(wèn)題，而且最終廢物的裝填率提高到95%。設(shè)計(jì)立軸行星式攪拌裝置時(shí)，可以考慮采用其他攪拌槳型式（比如鏟片式攪拌槳）代替低轉(zhuǎn)速的螺帶式攪拌槳。鏟片式攪拌槳的表面形狀一般為平面，在攪拌過(guò)程中，物料對(duì)平面鏟片的運(yùn)動(dòng)阻力很大，混合攪拌的功率消耗高。

2 桶外攪拌裝置設(shè)計(jì)

2.1 立軸單軸式桶外攪拌裝置

由于是連續(xù)式操作，干水泥和化學(xué)廢液必須在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到湍流狀態(tài)，這要求攪拌槳轉(zhuǎn)速必須非常高，且能提供強(qiáng)有力的剪切，使液滴瞬間分散在干水泥中?？梢钥紤]采用槳式攪拌槳來(lái)獲得良好的剪切作用，同時(shí)為了提高攪拌槳的循環(huán)作用，可使槳葉與水平面成一定角度，獲得一定軸向流動(dòng)的效果?；谏鲜龇治觯醪皆O(shè)計(jì)了立軸單軸式桶外攪拌裝置如圖1所示。圖中只表示了干水泥進(jìn)管接口和廢液進(jìn)管接口，未表示添加劑等其他物料的進(jìn)管接口。攪拌容器設(shè)計(jì)為Φ500×450的圓桶，圓桶底部是與包裝桶連接的對(duì)接工位。攪拌槳為一對(duì)短槳和一對(duì)長(zhǎng)槳構(gòu)成的組合槳。短槳直徑與攪拌容器直徑比值為0.5，長(zhǎng)槳直徑與攪拌容器直徑比值為0.8，漿葉寬度與槳葉直徑比值為0.2。

2.2 立軸行星式桶外攪拌裝置

由于“邊攪拌邊出料”的連續(xù)式操作要求攪拌槳必須高速旋轉(zhuǎn)，因此槳葉容易受到磨損，須經(jīng)常檢修。為了降低槳葉的檢修頻率，桶外攪拌裝置可考慮先將計(jì)量好的物料一次性混合均勻，然后將混合好的水泥漿裝入包裝桶內(nèi)并選擇“先攪拌后出料”的操作方式。選用如圖2所示的立軸行星式攪拌裝置。此種攪拌裝置與其他類型的攪拌裝置相比具有如下明顯優(yōu)勢(shì)[2]：（1）攪拌更均勻，更充分，槽壁無(wú)滯留料，無(wú)攪拌低效區(qū)。（2）可適用于多種裝載量。（3）幾乎可100%完全出料，卸料非常方便。（4）功率消耗低。（5）可提高固化體強(qiáng)度，減少干水泥用量。圖2所示的立軸行星式攪拌裝置采用的是犁式槳葉，每根軸上設(shè)置3～5片槳葉。其中一根軸的槳葉為正排列，另一根軸的槳葉為反排列。攪拌槳的直徑應(yīng)隨著攪拌容器的直徑增大而增大，即設(shè)計(jì)成近壁式攪拌槳，可減少攪拌容器壁附近的攪拌死區(qū)產(chǎn)生。

3 結(jié)語(yǔ)

桶外攪拌裝置是放射性廢液水泥固化處理技術(shù)桶外攪拌工藝的重要設(shè)備，其混合效率和攪拌質(zhì)量直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和水泥固化體的性能。攪拌條件的確定是設(shè)計(jì)桶外攪拌裝置的基礎(chǔ)，尤其對(duì)水泥槳的流變特征研究是必不可少的。初步設(shè)計(jì)的兩種桶外攪拌裝置適用的操作方式不同，應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求確定混合效果最好的設(shè)備型號(hào)。如果工藝對(duì)混合時(shí)間無(wú)特別的要求，可考慮采用易于實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)用的立軸行星式桶外攪拌裝置。

參考文獻(xiàn)

[1] 李洪輝，范智文.核電站放射性廢物水泥固化處理[J].輻射防護(hù)通訊，2010（3）：34-38.

[2] 高波，劉淑玲，王敏，等.危險(xiǎn)廢物水泥固化工藝的工程設(shè)計(jì)與探討[J].環(huán)境工程，2010（3）：95-98.