桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

范繼珩，賈占舉，嚴(yán)佳兵，朱 鑫，楊靜潔

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610213)

引 言

為在實際應(yīng)用中最大化實現(xiàn)放射性廢物最小化處理原則，學(xué)者們著重于優(yōu)化或開發(fā)新的蒸發(fā)濃縮的工藝流程，以期獲得體積更小的放射性廢物，并節(jié)省處理費用[1～3]。孫壽華等[2]指出桶內(nèi)干燥處理放射性廢物的工藝流程具有高效的減容比，成為了放射性廢物處理技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。經(jīng)過調(diào)研可知國外早于20世紀(jì)80年代便開始了桶內(nèi)干燥技術(shù)的研究，并指出該技術(shù)具備放射性蒸殘液、廢樹脂、淤泥的能力，并在模擬性試驗中取得了良好效果[4]。干燥桶內(nèi)可設(shè)置多種加熱裝置[5]，如電加熱干燥器、熱風(fēng)干燥器、微波干燥器等。不同學(xué)者通過搭建實驗臺架進(jìn)行桶內(nèi)干燥加熱方式相關(guān)研究，指出利用微波加熱物料具有傳熱速率快、溫度易控、加熱均勻以及微波加熱裝置與干燥桶易于結(jié)合等優(yōu)點；經(jīng)過德國Kraftanlogen，Heidelberg公司、Linn High Therm公司[6]、美國能源部[7]和橡樹嶺國家實驗室[8～10]等單位的長期探索，形成了較為固定的工藝流程，圖1為Linn High Therm公司產(chǎn)品處理放射性廢液的流程：

圖1 Linn High Therm公司微波桶內(nèi)干燥工藝流程圖Fig.1 Linn High Therm company microwave drum process flow chart

從圖1可知，桶內(nèi)微波干燥處理放射性放射性廢物的工藝流程為放射性廢液經(jīng)緩沖罐進(jìn)入微波干燥桶后進(jìn)行加熱，未被蒸發(fā)的放射性廢物直接運(yùn)出，而水蒸氣冷凝后經(jīng)過放射性活度檢測后進(jìn)行排放或再處理，總體較為簡單，對場地與費用的要求明顯低于傳統(tǒng)的水泥固化處理方法，極具應(yīng)用前景。目前，桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物技術(shù)處于示范階段。我國僅在三門核電站引進(jìn)了該項技術(shù)，但未見相關(guān)應(yīng)用報告[11]，國內(nèi)外各單位均在摸索工藝流程參數(shù)，使經(jīng)其處理的放射性廢物能實現(xiàn)最小化。本文將介紹主要研究單位相關(guān)的研究進(jìn)展，關(guān)注不同的工藝過程參數(shù)對放射性廢物處理的影響并歸納總結(jié)，以期為后續(xù)研究提供借鑒。

1 國外進(jìn)展

1988年，美國橡樹嶺國家實驗室的White等人搭建1/3規(guī)模試驗臺架，利用由SiC替代U2O3的模擬非放試液進(jìn)行桶內(nèi)微波加熱試驗并獲得了滿足放射性廢物處理廠前置要求的前處理產(chǎn)物[8]；1994年申請了處理放射性淤泥的微波桶內(nèi)干燥容器的專利，并在權(quán)利中表明此項技術(shù)同樣可以針對含鈾及超鈾元素的放射性廢物液體及固體[10]；1995年利用1/3規(guī)模試驗臺架(6 kW,2.4 GHz,5L)進(jìn)行了樹脂及淤泥并結(jié)合調(diào)節(jié)微波加熱攻率與進(jìn)料速率的試驗，最終得到了干燥、無多余顆粒的加熱后產(chǎn)物[9]。2007年，德國Linn High Therm公司建立了試驗工廠，并調(diào)整進(jìn)料量、微波能量、容器壓力、溫度及液位，成功完成了整個工藝流程的循環(huán)試驗，根據(jù)其試驗結(jié)果可知微波桶內(nèi)干燥的蒸發(fā)速率為7.0～7.5 kg/h，廢物預(yù)期處理能力為8.8～10.4kg/h，并提出干燥后產(chǎn)物質(zhì)量強(qiáng)烈依賴精確的過程參數(shù)控制的觀點[6]；Dejan等人提出桶內(nèi)干燥技術(shù)可圖處理放射性蒸殘液、廢樹脂和淤泥[4]；M?LLER等人利用試驗工廠開展了多項模擬液的干燥預(yù)實驗。從以上內(nèi)容可知，國外至上世紀(jì)80年代起就搭建了微波桶內(nèi)干燥的試驗平臺，并針對非放模擬液進(jìn)行了大量過程工藝試驗，初步摸索出合理的工藝過程參數(shù)；然而，未曾有關(guān)于該處理技術(shù)處理實際放射性廢物的研究報告，亦未將該項工藝技術(shù)投入實際工程的廢物前處理環(huán)節(jié)中。

2 國內(nèi)進(jìn)展

自2010年起，中國輻射防護(hù)研究院(以下簡稱為中輻院)的學(xué)者最早于2010年在全國核化工學(xué)術(shù)交流年會上基于桶內(nèi)干燥的技術(shù)特點以及我國國情建議利用桶內(nèi)干燥技術(shù)處理放射性廢物[5]后，進(jìn)行了大量系統(tǒng)工作。梁棟[12]及賈梅蘭[11]等人系統(tǒng)調(diào)研了電加熱、熱風(fēng)和微波加熱3種桶內(nèi)干燥裝置的應(yīng)用實例，總結(jié)出微波桶內(nèi)加熱技術(shù)具有干燥速度快、加熱均勻、熱能利用率高、產(chǎn)物不沾壁、靠壁處含水率偏高、成本高、微波易泄露等特點，高超等利用民用微波爐加熱含水廢樹脂驗證了微波干燥廢樹脂的可行性[13]試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 微波爐干燥廢樹脂實驗[13]Fig.2 Microwave oven drying waste resin experiment [13]

隨后，中輻院研究人員利用微波爐加熱非放模擬液驗證微波加熱可以實現(xiàn)濃縮液干燥的功能后，搭建了容量12L的微波干燥試驗臺架分6次加入含水率70.6%的濃縮液26 542g, 用1kW微波加熱2 710min, 濃縮液呈膠狀, 干燥產(chǎn)物未見膨脹與不見可流動液體,無刺鼻氣味。干燥初期濃縮液清亮, 干燥至含水率為 10 時, 濃縮液呈灰狀膠體, 停止加熱, 放置、冷卻后干燥產(chǎn)物為白色固體, 且質(zhì)地堅硬，試驗臺架及結(jié)果見圖3[14]。

圖3 微波桶內(nèi)干燥模擬液實驗[14]Fig.3 Drying simulation liquid experiment in the microwave drum[14]

在對廢樹脂處理技術(shù)進(jìn)行調(diào)研、考察后[15],中輻院研究人員分別利用12L與200L試驗臺架進(jìn)行了非放樹脂的干燥控制方式研究：分別利用脈沖式與旋轉(zhuǎn)式控制方式，調(diào)整工藝過程參數(shù)加熱樹脂，最終除個別干燥參數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重碳化及結(jié)焦現(xiàn)象外，均取得了滿意的結(jié)果(表面平均含水率小于10%)，并指出了脈沖式加熱控制方式具有對設(shè)備要求低、旋轉(zhuǎn)式加熱控制方式則在總干燥時間占有以及需要專門設(shè)計設(shè)備以防止微波泄露等特點[16]。

針對微波桶內(nèi)加熱技術(shù)進(jìn)行了一系列原理驗證試驗、臺架預(yù)試驗以及控制方式預(yù)試驗后，中輻院研究人員開始著手應(yīng)用于實際工程的微波桶內(nèi)干燥裝置的設(shè)計研究中。開展工藝流程的主要部分——干燥系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計工作前，梁棟等人對放射性廢物桶內(nèi)干燥接收輸送裝置進(jìn)行了研究設(shè)計及試驗驗證[17]:針對廢樹脂處理的接收輸送系統(tǒng)的主要功能是接收暫存物料并按照要求將其運(yùn)送至干燥主單元，大體上，整個系統(tǒng)由接收緩沖單元、輸送單元和廢樹脂瀝水單元三部分組成，如圖4(a)所示，主體材料為304不銹鋼；若針對放射性廢液處理則無樹脂瀝水單元；緩沖單元設(shè)計如圖4(b)所示，其中加熱方案采用外熱源夾浴水套，通過控制循環(huán)水溫度來調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)溫度；輸送單元由管路及氣動隔膜泵組成，輸送管道由電加熱帶加熱；廢樹脂溺水單元由容器壓力實現(xiàn)，如圖4(c)所示；最終實現(xiàn)了輸送廢樹脂的保溫及水分離(瀝水后含水率為50%～60%，物料殘留率最大為5.58%)，較好解決了物料粘壁的問題，如圖4(d)所示[21]。

圖4 微波桶內(nèi)干燥接收輸送裝置[17]Fig.4 Receiving and conveying device in the microwave dying drum[17]

之后，相關(guān)人員繼續(xù)進(jìn)行了該工藝流程的開發(fā)工作：干燥系統(tǒng)方面，可實現(xiàn)干燥筒按預(yù)定軌道滑動、密封蓋上下移動、加熱器側(cè)壁與底部布置、設(shè)置進(jìn)料計量罐以控制進(jìn)料量等，如圖5(a)所示；而在尾氣處理系統(tǒng)方面則產(chǎn)生吸力以抽出干燥系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣與對冷凝液進(jìn)行計量等，設(shè)計圖如圖5(b)所示；另外還設(shè)置了熱水管及對應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)(如圖5(c)所示)、壓縮空氣系統(tǒng)等，通過對該流程進(jìn)行了電加熱驗證試驗表明其可用于核電站濃縮液干燥處理[18]。

圖5 微波桶內(nèi)干燥裝置[18]Fig.5 Device of the microwave drying drum[18]

為了對微波干燥單元進(jìn)行可靠、精確設(shè)計，中輻院研究人員參考Schillman法確定了微波處理處理裝置有效輸出攻率的測定方法[19]，并依據(jù)之前的設(shè)計方案及策略方法進(jìn)行了含硼模擬液的可行性驗證試驗，結(jié)果表明除桶底及筒壁含水率偏高外，其余部分符合要求，減容系數(shù)可至5[20]。為實現(xiàn)均勻加熱，中輻院研究人員利用HFSS軟件模擬與12L桶內(nèi)微波干燥裝置實際電場分布結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6(a)所示，結(jié)果證明模擬結(jié)果與實際擬合度較高，并探究了不同填料高度下物料表面電場長度與物料吸收微波能量的變化趨勢，如圖6(b)所示，還提出來了微波入口在桶蓋上布置長邊沿徑向布置相比短邊而言具有更好的均勻性[21]；對微波穿透樹脂厚度進(jìn)行計算后，便進(jìn)行了200L桶內(nèi)微波干燥裝置的設(shè)計及驗證試驗[22-23]：采用了8個潰能口結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用HFSS軟件證明此種結(jié)構(gòu)電場分布相對均勻，如圖6(c)所示，并利用不同攻率的微波加熱樹脂，如圖6(d)所示，結(jié)果如下表所示。

圖6 桶內(nèi)微波干燥樹脂模擬與試驗[21,23]Fig.6 Simulation and experiment of microwave drying resin in barrel

表 模擬廢樹脂開展微波干燥試驗結(jié)果[23] Tab. Microwave drying test results of simulated waste resin

隨后在該裝置進(jìn)行了濃縮液的全流程試驗研究試驗，試驗結(jié)果顯示減容比可到4～6，含水率≯15%，水分平均蒸發(fā)速率可至6.0kg/h，但也存在去污能力較差，冷凝水不能直接排放的問題[25]。在研究過程中，亦出現(xiàn)了干燥筒出現(xiàn)晶間腐蝕泄露等情況[24]。針對前期試驗存在的如：水分蒸發(fā)速率低、干燥物完整性差、冷凝水無法直接排放、蒸汽冷凝回收率偏低的問題，試驗人員采取了增加微波加熱攻率、采用PID控制方法進(jìn)行加熱控溫、增大排氣管直徑、改進(jìn)裝置保溫效果、設(shè)置尾氣預(yù)處理裝置及增加冷凝能力等措施，改進(jìn)后除冷凝水依然無法達(dá)標(biāo)排放外，其余性能指標(biāo)有了大幅提升[26]。

2018年，四川固力鐵環(huán)保工程有限公司研發(fā)出一套適用于面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的200L智能微波干燥裝置，并針對密封門、屏蔽結(jié)構(gòu)、桶頂結(jié)構(gòu)等申請了相關(guān)專利，裝置如圖7所示。

圖7 200L智能微波干燥裝置Fig.7 200L microwave drying device diagram

該裝置采用微波低溫固化手段，對廢液進(jìn)行液轉(zhuǎn)固穩(wěn)定化減容處理。目前，已在該裝置上完成了多批含Co模擬硝酸鹽廢液的微波干燥處理，廢液含鹽率約300g/L，通過試驗研究得到200L工程樣機(jī)的平均干燥速率≥6L/h，峰值干燥速率達(dá)10L/h；干燥產(chǎn)物鹽表面平整，濕含率小于1wt%，堆積密度大于2 000kg/m3；最終鹽桶裝桶率大于90%，平均能量利用率大于90%。廢液微波干燥效果如圖8所示。

圖8 廢液微波干燥效果圖Fig.8 Diagram of microwave drying of waste liquid

3 總結(jié)與展望

桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物技術(shù)具有流程減容比高、傳熱速率快、溫度易控、加熱均勻等優(yōu)勢，對處理放射性廢液、廢樹脂等具有很高的應(yīng)用前景。根據(jù)調(diào)研可知，國內(nèi)外各研究單位經(jīng)過進(jìn)行原理驗證、臺架試驗等，已經(jīng)形成較為統(tǒng)一的工藝流程。

目前，國外已對廢液、廢液及淤泥做了相應(yīng)模擬預(yù)試驗，國內(nèi)在模擬預(yù)試驗方面則借鑒了國外基本預(yù)試驗路線，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。然而由于國外在該技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試試驗相關(guān)文獻(xiàn)報道較為稀少，且年份較為久遠(yuǎn)，尚不知國外有關(guān)該項技術(shù)工藝系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試過程以及實際應(yīng)用的文獻(xiàn)報道，因此無法得知國外對此項技術(shù)研究過程及細(xì)節(jié)，亦無法與國內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行橫向比較。

國內(nèi)中輻院針對該項技術(shù)進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究，并取得了較為滿意的結(jié)果；固力鐵公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套面向工程應(yīng)用的桶內(nèi)微波干燥裝置。在預(yù)研試驗方面，依然存在對于微波潰能口布置方式、干燥產(chǎn)物完整性、尾氣及冷凝液排放不達(dá)標(biāo)等未進(jìn)行充分研究的問題，對于該項處理技術(shù)的全流程試驗研究亦略顯單??；實際應(yīng)用方面，暫無該項干燥技術(shù)處理帶放射性廢水或樹脂的報道，缺乏長期穩(wěn)定運(yùn)行的試驗支撐，相關(guān)設(shè)計、運(yùn)行、維修的規(guī)范體系也尚未建立?？傊?，桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物在國內(nèi)仍處于產(chǎn)品預(yù)研階段，需要開展更多預(yù)研及實際應(yīng)用相關(guān)研究及試驗，如：涉及放射性廢液的模擬臺架及過程參數(shù)試驗、工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建立研究等。此外，若條件允許，可搭設(shè)微波-電加熱干燥桶試驗平臺進(jìn)行相關(guān)試驗以期獲得更佳處理效果。本文主要介紹了桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物目前取得的研究進(jìn)展，提出了目前存在的問題及不足，以期為后續(xù)研究、試驗、設(shè)計提供參考。