放射性廢物處理中心超壓工藝技術(shù)應(yīng)用

趙志軍，李 川，韓洪佳，馬援東，宋立斌，呂旭斌

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

近年來，隨著核電廠廢物最小化愈發(fā)受到重視，放射性廢物處理中心在國內(nèi)新建核電廠得到了普及和推廣。田灣核電站放射性廢物處理中心已于2019年成功投用，處理全廠機組運行過程中產(chǎn)生的廢樹脂、蒸殘液和干廢物等中低放廢物，無論廢樹脂還是可壓縮干廢物，在處理過程中都必須通過超壓工藝進行減容。超壓減容是基于提高廢物密度，消除廢物中的空隙而減小體積[1]，其中超壓機是超壓工藝的核心設(shè)備，在廢物減容方面發(fā)揮了重要作用，是實現(xiàn)廢物最小化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，減容后的廢物包體積能夠滿足我國監(jiān)管部門提出的濱海廠址百萬千瓦機組每年放射性廢物產(chǎn)生量不高于50 m3/機組的要求。

1 超壓工藝介紹

1.1 超壓工藝設(shè)備

放射性廢物處理中心超級壓實工藝主要由超壓機系統(tǒng)、鋼桶運輸?shù)踯?、運輸輥道、桶餅運輸?shù)踯?、HEPA高效過濾器、桶餅優(yōu)選臺等組成。其中超壓機是整個超壓工藝的關(guān)鍵設(shè)備，用于壓縮裝載可壓縮廢物的165 L鋼桶(如圖1所示)并形成穩(wěn)定的桶餅，壓縮后的桶餅經(jīng)優(yōu)選后裝入200 L鋼桶[2]進行水泥固定，并在送往最終處置場前外加HIC容器進行整備[3]。

圖1 165 L鋼桶Fig.1 165 L steel drum

超壓機由超壓機本體、液壓單元、鋼桶接收平臺、桶餅接收平臺、鋼桶打孔裝置、桶餅高度測量裝置等組成。液壓單元為超壓機提供液壓動力，最大液壓壓強可達28 MPa，可給超壓機提供最大20 000 kN的壓力。根據(jù)實際工作需要，超壓機運行模式有自動、半自動和手動三種模式。超壓機設(shè)置了就地控制盤，當主控室控制線路出現(xiàn)故障時，可以實現(xiàn)就地手動控制。就地控制盤設(shè)在獨立的房間內(nèi)，避免超壓機運行時對操作人員的輻照，以滿足輻射防護要求。超壓機結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 超壓機簡圖Fig.2 Sketch of super compactor

鋼桶運輸?shù)踯嚱Y(jié)構(gòu)形式為橋式吊車，吊車配有165 L鋼桶專用抓具，能將鋼桶從超壓機前運輸輥道上轉(zhuǎn)運到超壓機鋼桶接收平臺上。HEPA高效過濾器連接超壓機內(nèi)腔，可過濾超壓過程中排出的放射性氣體，高效過濾器可反向沖洗，能減少過濾器芯的使用。桶餅運輸?shù)踯嚍閿?shù)控吊車，可實現(xiàn)精準定位，吊車上帶有桶餅抓具和桶餅稱重裝置，能自動獲取桶餅重量并傳到主控室。桶餅優(yōu)選臺為桶餅暫存平臺，平臺上共有20個工位，能夠同時擺放最多20個桶餅。主要設(shè)備性能如表1所示。

表1 主要設(shè)備一覽表Table 1 Mainequipment

1.2 工藝流程

(1)超壓前的準備

裝載放射性廢物的165 L鋼桶(已封蓋)通過運輸輥道送到超壓機房間，超壓機前設(shè)有鋼桶運輸?shù)踯?，吊車上設(shè)有鋼桶專用抓具，通過吊車及抓具將鋼桶轉(zhuǎn)運到超壓機鋼桶接收平臺上，平臺上設(shè)有鋼桶定位對中裝置，確保鋼桶打孔以及后續(xù)運輸過程的定位準確。打孔目的是為了在超壓過程中盡快排出鋼桶內(nèi)的空氣，避免鋼桶內(nèi)部因壓力過大而破壞原有密封結(jié)構(gòu)。打孔時，超壓機鋼桶接收平臺兩側(cè)各有一個打孔針，可以在靠近鋼桶底部水平方向上打孔，孔徑約為3～6 mm，打孔大小可以通過調(diào)整打孔針的進給位置實現(xiàn)。

(2)超壓機壓縮

165 L鋼桶打孔完成后將進入超壓階段，鋼桶接收平臺向超壓機內(nèi)部方向移動，到達預(yù)定位置后停止，此時鋼桶恰好處于超壓機內(nèi)部套筒正下方，然后超壓機內(nèi)部套筒向下移動，包裹住鋼桶上半部分，隨后鋼桶接收平臺反向移動，鋼桶因有套筒固定不能隨平臺反向移動，因而就留在了超壓機內(nèi)部。套筒內(nèi)徑為φ507 mm，剛好能將165 L桶包裹住，同時在超壓過程中鋼桶也不會因壓力過大造成徑向壓縮變形。在廢物接收平臺完全撤出超壓機內(nèi)部后，套筒繼續(xù)下落直至將鋼桶完全包住，同時超壓機出口和入口側(cè)的門關(guān)閉，將超壓機內(nèi)部與外部完全隔離。

在液壓單元液壓推力作用下，套筒頂部活塞(壓頭)被推動向下運動，將鋼桶壓縮成桶餅，桶餅高度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)或在最大壓力下壓縮直至能達到的最小高度，壓縮后桶餅如圖3所示。為了克服桶餅反彈，壓縮廢樹脂時保壓20 min[4]。在整個壓縮過程中，超壓機套筒內(nèi)始終保持負壓，避免壓縮鋼桶時產(chǎn)生的放射性氣體、氣溶膠散到房間中，套筒內(nèi)抽出的空氣經(jīng)HEPA高效過濾器過濾后排到廠房通風(fēng)系統(tǒng)中。液壓單元可在15 s內(nèi)達到最大壓力28 MPa，壓頭可產(chǎn)生最大2000 t的壓力。超壓機的壓力是可調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)實際需要或廢物種類的不同進行調(diào)節(jié)。

圖3 壓縮后桶餅Fig.3 Drum pellet after super compaction

(3)桶餅送出

桶餅壓縮完成后，超壓機進、出口門同時打開，然后套筒和壓頭向上移動直至預(yù)定位置。超壓機出口側(cè)的桶餅接收平臺向超壓機內(nèi)部方向移動，到達預(yù)定位置后停止，然后超壓機進口側(cè)鋼桶接收平臺再次向超壓機內(nèi)部方向移動，因兩個平臺之間存在高度差，所以在鋼桶接收平臺的推動下，

桶餅被推送到桶餅接收平臺上，然后兩個平臺各自向遠離超壓機的方向移動，桶餅接收平臺帶著桶餅到達預(yù)定位置后，運輸輥道啟動，超壓機出口側(cè)液壓機械推手將桶餅推送到運輸輥道上，由運輸輥道運輸?shù)街付ㄎ恢谩Ｍ帮灥母叨葧诔瑝簷C出口處被高度自動測量裝置記錄并送到主控室。

(4)桶餅暫存

桶餅被送到指定位置后，啟動桶餅運輸?shù)踯?，通過吊鉤尾部抓具將桶餅抓起并升到極限位置，然后吊車水平運輸?shù)酵帮瀮?yōu)先臺上方的某一工位，并將桶餅送到優(yōu)選臺(如圖4所示)上預(yù)定位置。桶餅抓具有機械自鎖功能，能在突然失電情況下確保桶餅不掉落，抓具上還設(shè)有重量測量裝置，可測量桶餅重量并送到主控室中。桶餅優(yōu)選臺每個工位上都有定位裝置，確保桶餅的快速取放，桶餅的位置信息同樣會被收集到主控室中。處理時，優(yōu)選的桶餅會裝入200 L桶中送入其他房間進行水泥固定。

圖4 桶餅優(yōu)選臺Fig.4 Drum pellet optimization selection table

整個超壓工藝流程簡圖如圖5所示。

圖5 超壓工藝流程Fig.5 Process flow of super compaction

2 模擬試驗

核電廠運行維修過程中產(chǎn)生的中、低放廢物主要為廢樹脂、蒸殘液和干廢物。干廢物主要包括塑料、去污擦拭物、個人防護用品、鞋套以及檢修時更換下來的廢棄設(shè)備部件、管道等。超壓工藝可以對廢樹脂和干廢物進行有效減容，特別是超壓機作為超壓工藝的核心設(shè)備，能夠?qū)⒂行p小廢物包體積，獲得較大的減容比。為了驗證超壓機功能能否滿足技術(shù)要求，以及超壓工藝對不同廢物種類的減容效果，在設(shè)備出廠及調(diào)試階段進行了大量的模擬試驗。為了最大程度還原真實超壓情況，填充物選取非放離子交換樹脂和雜項干廢物作為模擬廢物。

2.1 干廢物超壓試驗

在模擬壓縮干廢物前，超壓機進行了液位單元壓力、超壓機空載、鋼桶最大載重量、失電保護、緊急停止等多項功能性試驗，并在不同運行模式下，驗證超壓機的功能性、可用性。試驗結(jié)果表明超壓機能夠完成規(guī)定性動作，超壓機和液壓單元能夠達到額定最大壓力，液壓單元液壓油無泄漏，在鋼桶最大載重量下，鋼桶接收平臺和桶餅接收平臺、桶餅液壓機械推手均能正常運轉(zhuǎn)。超壓機突然斷電后啟動仍能繼續(xù)正常工作，并在不同運行模式下自由切換、平穩(wěn)工作。

在充分驗證超壓機的功能性后，開展了干廢物超壓試驗。填充物選用鋼碎片、塑料、抹布、鋼屑、木板、土塊等雜項干廢物，這些雜項干廢物能在一定程度上真實反映了干廢物的超壓效果。干廢物超壓后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 干廢物超壓后的數(shù)據(jù)表Table 2 Datasheet of dry wastes after super-compaction test

2.2 樹脂超壓試驗

模擬試驗所選用的樹脂與核島廠房實際使用樹脂規(guī)格型號完全相同。樹脂首先經(jīng)過研磨機研磨形成樹脂泥漿，然后通過錐形干燥器對樹脂泥漿進行烘干，制備出符合超壓條件的熱態(tài)樹脂顆粒。因廢樹脂需要在處于熱態(tài)時(溫度約120～140 ℃)進行壓縮，受試驗環(huán)境條件所限，試驗中樹脂的填充率較低。樹脂超壓后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 樹脂超壓試驗后的數(shù)據(jù)表Table3 Datasheet of resin after super-compaction test

從上述兩項超壓數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，超壓工藝可以有效減少廢物體積，廢物減容效果明顯。在超壓階段干廢物的減容比約為4，樹脂的減容比約1.42(上述減容比僅為超壓階段的減容比)。

2.3 超壓機效率

干廢物的試驗過程為連續(xù)試驗過程，中間無停頓，從鋼桶在接收平臺就位后開始計算，壓縮15個鋼桶所用時間約為82 min，每個桶需要大約5.5 min，加上鋼桶及桶餅運輸、高度測量等時間，壓縮一個鋼桶全程大約需要10 min，即超壓機壓縮干廢物的工作效率約為6桶/h。廢樹脂的壓縮過程約為10 min/桶，加上每個桶需要保壓20 min，超壓機壓縮廢樹脂的工作效率約為2桶/h。

3 需關(guān)注的問題

3.1 干廢物桶餅回彈

由于塑料制品的彈性較大，在壓縮時容易產(chǎn)生彈性形變，卸去外力或者放置一段時間后容易造成壓縮回彈，使得原來桶餅高度測量存在偏差，嚴重情況下將直接破壞壓縮桶餅的密封結(jié)構(gòu)，給桶餅后續(xù)處理帶來困難，桶餅回彈如圖6所示。另外，由于超壓壓力較大，在沒有足夠保壓時間的情況下會造成塑料桶餅內(nèi)部受壓不均，桶餅底部易產(chǎn)生形變——即“錐底”現(xiàn)象。錐底桶餅因與運輸輥道接觸面積小，摩擦力也較小，導(dǎo)致輥道不能運輸桶餅，因此必須重視塑料壓縮回彈及桶餅錐底問題。

圖6 桶餅回彈Fig.6 Drum pellet spring back

經(jīng)過試驗驗證，可以通過設(shè)定桶餅壓縮高度、增加保壓時間和與其他非彈性可壓縮廢物混放壓縮來有效解決上述問題。可壓縮干廢物混放可以避免桶餅內(nèi)部彈力過大；增加保壓時間可以使得桶餅被充分壓縮，桶餅受力更均勻，避免錐底現(xiàn)象；設(shè)定桶餅壓縮高度則不會將桶餅壓縮到極限位置，壓縮到某一高度即停止壓縮，避免桶餅內(nèi)部產(chǎn)生過大彈力。因此可以結(jié)合實際情況靈活采用一種或幾種方法控制塑料廢物壓縮桶餅錐底及回彈，也可以探索在塑料制品壓縮前采用加熱軟化的方式(非焚燒)來降低塑料彈性，或者增加一次性桶餅固定裝置等新方法。

3.2 超壓打孔問題

在超壓前需要在鋼桶下方對稱位置打兩個孔，防止超過時鋼桶內(nèi)部壓力過大破壞桶的完整性。但在廢樹脂模擬超壓的過程中，會有少量樹脂顆粒通過打孔位置漏出桶外，造成超壓機壓縮區(qū)域的二次污染，在實際運行過程中，會帶來廢樹脂顆粒收集、處理問題，并增加人員輻射防護的風(fēng)險。試驗證明，減小打孔尺寸可以有效防止樹脂顆粒外泄。超壓機前調(diào)節(jié)打孔針的位置，并通過試驗確保兩個孔徑大小一致，建議設(shè)置孔徑尺寸為3 mm，同時調(diào)節(jié)壓頭的壓速，減少因壓頭速度過大而對鋼桶內(nèi)廢樹脂的沖擊。

3.3 桶餅卡塞

在模擬干廢物時，發(fā)生過桶餅卡在了套筒內(nèi)問題，桶餅隨套筒同步上升、下降，且壓縮區(qū)域是平臺，在套筒懸空、底部無支撐的情況下，無法通過壓頭壓力將桶餅卸載下來。桶餅卡塞的主要原因是套筒內(nèi)壁潤滑油脂不足，造成桶餅與套筒內(nèi)壁摩擦力大，而且在壓縮階段同時進行了超壓機應(yīng)急斷電與啟動試驗，整個過程時間耗時較長，造成桶餅局部變形大。因此，在超壓機運維保養(yǎng)時要關(guān)注潤滑油脂量，避免發(fā)生桶餅卡塞情況。在特殊情況下一旦發(fā)生桶餅卡塞情況，可以采用專用工具來卸載桶餅，超壓機設(shè)有4個獨立的圓形鋼棒作為專用工具(如圖7所示)，鋼棒主要起到支撐套筒底部作用，使桶餅底部有足夠下落空間。使用時將鋼棒放到超壓區(qū)域套筒下方，設(shè)置超壓機為手動模式，并根據(jù)套筒位置調(diào)整相應(yīng)鋼棒位置，然后通過壓頭施加向下壓力將卡塞的桶餅壓下來。

圖7 桶餅卡塞卸載工具Fig.7 Unloading tool of drum pellet stuck

4 結(jié)束語

超壓工藝是一種非常成熟的工藝，有大量的工程應(yīng)用實例，但在國內(nèi)核電廠廢物處理上應(yīng)用是從近幾年才開始的，應(yīng)用時間較短，缺少一定的實際運行經(jīng)驗。超壓機設(shè)備制造、供貨被國外公司壟斷，尚無國內(nèi)公司開展科研工作。隨著放射性廢物處理中心的應(yīng)用及推廣，超壓工藝具有廣闊的應(yīng)用前景，正逐步成為國內(nèi)新建核電廠的“標配”，因此應(yīng)盡快開展相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化研究工作，進一步提高超壓工藝的經(jīng)濟性和適用性。