核電廠放射性廢液移動式處理裝置工藝及布置優(yōu)化

李虹羽　廖能斌　任力　張思銳　耿忠林

摘 要：本文主要介紹了一套以離子交換工藝處理為主工藝放射性廢液移動式處理裝置的工藝設(shè)計(jì)及不同的布置方式，分析了不同處理工藝及布置情況下設(shè)備處理廢液的優(yōu)缺點(diǎn)。以期為放射性廢液移動式處理裝置的工藝研究和布置優(yōu)化提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：放射性廢液;移動式;工藝設(shè)計(jì);布置優(yōu)化

根據(jù)國標(biāo)《核電廠放射性液態(tài)流出物排放技術(shù)要求》（GB14587-2011）和《核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》（GB 6249-2011）要求，濱海核電廠排放的放射性廢液，除H-3、C-14外的其他放射性核素的排放濃度上限值為1000Bq/L;而內(nèi)陸核電排放的相應(yīng)濃度上限值則為100Bq/L。因此核電廠設(shè)置了相應(yīng)的放射性廢液的凈化處理系統(tǒng)，以解決廢液的處理和達(dá)標(biāo)排放問題。

在目前我國新建和在建核電廠中，移動式處理裝置作為放射性廢液固定式處理方式的補(bǔ)充，已經(jīng)獲得較為廣泛的應(yīng)用。移動式處理系統(tǒng)不僅可靈活解決核設(shè)施運(yùn)行、退役、科研過程中產(chǎn)生的放射性廢水處理問題，減少固定裝置的重復(fù)建設(shè)，同時還可以用于核事故過程中的放射性廢水的應(yīng)急處理。

與固定式廢液處理設(shè)備相類似，移動式處理裝置需要根據(jù)待處理的放射性廢液的物理和化學(xué)特性和處理指標(biāo)要求，對其處理工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前移動處理裝置所采用的主要工藝組合可以分為三大類，分別以離子交換處理技術(shù)、蒸發(fā)處理工藝、膜處理工藝為主。相對于膜處理工藝和蒸發(fā)處理工藝，采用離子交換處理工藝為主的移動式處理裝置具有工藝簡單，操作靈活，安全性高，適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低效率高且系統(tǒng)設(shè)備便于車載集成等優(yōu)點(diǎn)。核電站應(yīng)用離子交換處理工藝的移動處理設(shè)備也相對較為廣泛，其工藝流程如下圖1所示：

1 設(shè)備工藝設(shè)計(jì)及布置優(yōu)化

移動式處理裝置需利用運(yùn)輸車輛實(shí)現(xiàn)運(yùn)移，并整體設(shè)置于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，由于安裝空間有限，不可避免帶來維護(hù)檢修空間小的問題。為了克服以上缺點(diǎn)，可針對設(shè)備工藝和整體布置進(jìn)行一定程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 工藝方面

離子交換處理工藝組合主要包含過濾+離子交換，過濾主要為活性炭深床過濾，必要時可使用沸石填料。通過前端的過濾/吸附作用去除廢液中大量雜質(zhì)及顆粒物以及部分離子，凈化前端來水水質(zhì)，并部分提高后端離子交換容量。離子交換主要為陰、陽離子交換樹脂，通過離子交換的作用去廢液中的大部分放射性核素。放射性廢液通過1級或多級活性炭柱、沸石柱，之后進(jìn)入2～4級離子交換柱。根據(jù)需要處理的放射性廢液的物理、化學(xué)參數(shù)及放射性活度濃度，結(jié)合處理效率等確定過濾柱、離子交換柱數(shù)量和選型特征。確保放射性廢液通過多級過濾和離子交換后可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

某濱海核電站的移動式處理裝置要求通過“活性炭過濾+沸石過濾+H/OH型兩級混床樹脂離子交換”的處理工藝處理二回路放射性廢水，處理速率達(dá)到4～6m3/h。并且根據(jù)輻射屏蔽要求，集裝箱屏蔽后表面劑量率要求不超過2mSv/h，1m處表面劑量率不超過0.1mSv/h。

通過必要的設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)制作了一套冷試裝置，利用模擬廢液對原理樣機(jī)試驗(yàn)臺架的性能、移動式處理裝置的工藝流程和介質(zhì)對核素的去污能力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。冷試裝置工藝流程為移動式處理裝置工藝流程的簡化流程，冷試裝置詳細(xì)工藝流程如圖2所示：

本套冷試裝置按照交換床負(fù)荷比同比放大，即保持小設(shè)備與大設(shè)備的設(shè)備負(fù)荷SV（空間速度）值相等，即兩者具有相同的接觸時間，在維持大設(shè)備與小設(shè)備具有相同的幾何形狀，相同的高徑比（H/D）的條件下，對裝置進(jìn)行幾何縮小。根據(jù)計(jì)算，冷試裝置的處理能力約為256L/h。在原水箱中配置模擬的廢水試劑，進(jìn)行冷試試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該套設(shè)備工藝流程合理。并且通過實(shí)驗(yàn)得出，樹脂對碘、銫、鈷幾種核素的去污能力較高，整套冷式裝置的對模擬廢液的綜合去污性能較好。

1.2 整體布置

根據(jù)該移動式處理裝置的性能指標(biāo)要求，針對該套放射性移動式處理裝置進(jìn)行了工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)。該移動式處理裝置布置于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱并固定于配套掛車上。集裝箱內(nèi)包含介質(zhì)床、相應(yīng)的管道閥門等工藝設(shè)備以及儀表，取樣箱，照明，控制柜等配套設(shè)備。為保證凈化效率和處理能力，通過計(jì)算介質(zhì)床尺寸較大，但可確保待處理廢液的流速和流量。為優(yōu)先考慮在有限空間中介質(zhì)床的合理布置，在綜合考慮設(shè)備檢修、操作的可達(dá)性、方便性、以及設(shè)備重心等因素，對工藝管道、閥門以及配套設(shè)備的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時考慮提升自動化程度高和簡化操作。運(yùn)行時除取樣和更換介質(zhì)外，其余操作均實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。

介質(zhì)床體的布置可以按照集裝箱兩端布置或者中間一字型排列布置等兩種方式。但兩種不同的布置方式，都會影響到管道，閥門以及配套設(shè)備的布置，同時對屏蔽方案的設(shè)計(jì)帶來影響。以下是兩種不同布置方式的三維示意圖：

以上兩種布置放射都包含了放射性廢液處理所需的介質(zhì)床、管件、屏蔽設(shè)施、儀表以及電控設(shè)備、照明設(shè)備、取樣設(shè)備和介質(zhì)添加設(shè)備。在外部有水電氣供給情況下，可以獨(dú)立的完成對放射性廢液的處理。兩種布置方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2.1 介質(zhì)床兩端布置方式（如圖3所示）

活性炭床、沸石床布置在集裝箱尾端，兩臺樹脂床靠車頭布置，管道、儀表等布置在集裝箱中部，并且集裝箱中部留有檢修空間。所有工藝接口都在集裝箱一側(cè)，方便運(yùn)行操作。中部開兩扇檢修門，方便檢修及日常維護(hù)。根據(jù)輻射屏蔽要求，輻射屏蔽設(shè)施分別設(shè)置在活性炭床/沸石床外部和兩臺樹脂床外側(cè)。集裝箱內(nèi)設(shè)備整體重心位置受四臺介質(zhì)床的分布位置影響較大。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是集裝箱內(nèi)部操作空間比較充足，方便日常檢修，維護(hù)，缺點(diǎn)是設(shè)備內(nèi)管道布置較為復(fù)雜，管線較長，彎頭較多，介質(zhì)進(jìn)出時堵管的概率增加。

1.2.2 中間一字型排列布置方式（如圖4所示）

從車尾到車頭一字型分別布置活性炭床、沸石床、兩臺樹脂交換床。四臺介質(zhì)床采取整體屏蔽的方式。介質(zhì)管道和廢液進(jìn)、出管道等布置在屏蔽設(shè)施兩側(cè)，儀表基本靠集裝箱尾端布置，所有工藝接口以及取樣箱布置在集裝箱尾端，方便運(yùn)行操作。電儀控制柜主要布置在集裝箱前端。管道與閥門執(zhí)行器較多的一側(cè)需在集裝箱側(cè)面開門。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是集裝箱內(nèi)的介質(zhì)輸送管線布置簡單，彎頭少，裝卸介質(zhì)時堵管概率低。不足之處是日常檢修、維護(hù)時，集裝箱內(nèi)部操作空間比較狹小，必要時需要通過開集裝箱側(cè)面門進(jìn)行檢修操作。

需要注意的是集裝箱側(cè)面開門后對集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定影響，需要對集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等處理。

2 結(jié)語

根據(jù)評估，這兩種布置方式都具有布置緊湊、功能完善的特點(diǎn)，同時又各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。當(dāng)床體的數(shù)量有變化時，工藝流程有變化時，可以根據(jù)具體的情況再進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使整個布置達(dá)到一個較為優(yōu)化的狀態(tài)，這樣可以讓設(shè)備操作、維護(hù)都更加方便。同時，冷試試驗(yàn)驗(yàn)證了整套設(shè)備工藝流程的合理性以及對廢液中主要放射性核素的去污性能，為后期設(shè)備加工制造及熱試提供了相應(yīng)的參考條件和參數(shù)。

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