放射性固體廢物一維應力壓縮的應用研究

呂海雷，初麗麗，張存平

(中國原子能科學研究院 放射性三廢設施治理工程部，北京 102413)

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放射性固體廢物一維應力壓縮的應用研究

呂海雷，初麗麗，張存平

(中國原子能科學研究院 放射性三廢設施治理工程部，北京 102413)

通過對放射性固體廢物桶內壓縮過程的研究，建立了廢物桶內一維應力壓縮模型，并根據模型設計最優壓縮策略對放射性固體廢物裝填進行指導。結果表明，不同的壓縮策略廢物的裝填總量以及壓縮后的桶內裝填效率差別較大，裝填總量相差1倍左右，裝填效率相差20%～30%。采用壓縮策略的裝填方式較無序裝填方式在廢物減容方面提高10%左右，且廢物裝填次數也顯著降低，符合工程應用與廢物最小化要求。

放射性固體廢物；預壓縮；一維應力壓縮；壓縮策略；廢物最小化

壓縮減容是放射性固體廢物重要的處理方式，廣泛應用于廢物產生場所以及廢物處理設施。根據壓縮方式的特點，分為桶內壓縮和超級壓縮，二者的不同在于桶內壓縮主要減小的是桶內廢物間孔隙，超級壓縮主要減小的是廢物內部孔隙。中國原子能科學研究院(簡稱原子能院)放射性固體廢物回取與整備處理示范設施是含桶內壓縮與超級壓縮的完備的放射性固體廢物整備處理生產線。廢物經分揀預壓縮后送去超級壓縮以及水泥固化形成可最終處置的包裝體。

超級壓縮是廢物桶及其內裝的固體廢物在高壓下被壓成穩定的壓餅，廢物可被壓縮至接近其理論密度，但有研究[1]表明固體廢物超級壓縮初期，壓力主要是克服桶壁的強度，桶內廢物間的孔隙并未受到壓縮。如何合理有效地在廢物桶受壓變形前在廢物桶中裝填更多的廢物以提高廢物桶的使用效率，是廢物最小化的一個重要環節。另一方面，桶內壓縮通常需要多次投料、多次壓縮，廢物種類的不同、裝填位置的不同均會對減容效果產生影響，因此合理的裝填方式方可滿足廢物最小化的要求。

本文通過建立模擬放射性廢物桶內壓縮數學模型，分析廢物桶內壓縮的特點，獲得各類廢物桶內壓縮的規律，并選取最合理的廢物裝填策略，以達到廢物的最大裝填量，滿足廢物最小化要求。

1 模擬放射性固體廢物桶內一維應力壓縮數學模型

一維應力壓縮是指僅考慮模擬廢物在垂直方向應力作用下的豎向壓縮，而不考慮側向擠出。采用分層總和法計算模擬廢物的壓縮量，將模擬廢物分成若干層依次進行壓縮，假定模擬廢物層不發生側向擠出(壓縮機在裝填廢物前預先放置套桶，防止側向擠出)，采用側限壓縮指標計算每層的壓縮量，然后求和計算模擬廢物的預壓縮效率。

1.1 基本假定

1) 模擬固體廢物豎向壓縮時不產生側向變形；

2) 假定模擬廢物中，各種廢物的尺寸已滿足裝填要求；

3) 不考慮上層裝填廢物重力對下層廢物的壓縮作用。

1.2 模擬廢物壓縮量的計算

模擬廢物中孔隙的體積與模擬廢物體積之比稱為孔隙比，用e表示，表達式為：

(1)

其示意圖如圖1所示。

圖1 孔隙比示意圖Fig.1 Sketch map of pore-solids ratio

從圖1可知，孔隙率ε與孔隙比e的關系如下：

(2)

1) 裝填1層模擬廢物后壓縮量的計算

(3)

(4)

2) 裝填第2次模擬廢物后第1層廢物壓縮量的計算

(5)

(6)

3) 裝填第n次模擬廢物后第1層廢物壓縮量的計算

(7)

則第1層模擬廢物經n次壓縮后的壓縮量為：

(8)

4) 裝填n次廢物后第1層廢物累計壓縮量的計算

裝填第n次模擬廢物后，在n層模擬廢物自身重量與預壓實設備的共同作用下，第1層廢物累計壓縮量為：

(9)

5) 裝填第n層廢物后第j層廢物壓縮量的計算

(10)

則第j層模擬廢物經n-j次壓縮后的壓縮量為：

(11)

6) 裝填n次廢物后第j層廢物累計壓縮量的計算

裝填第n次模擬廢物后，在n-j層模擬廢物自身重量與預壓實設備的共同作用下，第j層廢物累計壓縮量為：

(12)

7) 廢物桶裝填效率的計算

(13)

2 孔隙率測定

根據原子能院在科研和生產過程中產生的廢物和其他廢物庫中廢物及今后在核設施退設中產生的廢物的組成情況，本實驗選取了棉制品(如布、棉紗等)、紙、木材、磚、金屬管道等模擬廢物。實驗設備采用原子能院放射性固體廢物回取與整備處理示范設施預壓工作箱內20 t預壓機。

各模擬物料的物理密度列于表1。

表1 模擬廢物的物理密度Table 1 Physical density of simulation waste

1) 初始孔隙率的測定

將一定量單一或按比例混合的模擬廢物，分別裝入實驗用標準200 L廢物桶中，通過多次裝填并記錄裝填高度，與理想狀態下模擬廢物體積對比，計算獲得模擬廢物的初始平均孔隙率。

2) 分次壓縮后模擬廢物孔隙率的測定

通過對單一或按比例混合的模擬廢物進行多次裝填，獲得20 t壓力下各類廢物在不同分層上的孔隙比。

對常用的廢物進行反復裝填與壓縮，并通過計算獲得孔隙率，結果列于表2。

由表2可看出，廢物在經過3次壓縮后，孔隙率基本趨于穩定，可壓縮性大幅減弱，在實際工程應用中，采用3次壓縮是相對合理的壓縮方式。

3 壓縮策略研究

由表2可看出，廢物經過3次桶內壓縮后，基本可達到較理想的壓縮狀態。從工程應用角度出發，在實際廢物預壓縮過程中，采用3次填裝壓縮方式，且每次裝填高度不低于桶高的1/3。

表2 孔隙率測定結果Table 2 Measurement results of porosity

注：預壓實后分層廢物高度測量以被壓縮模擬廢物反彈后數據測量為準

假設廢物經過3次裝填，裝填高度分別為x1、x2和x3，根據不同分層上的孔隙率變化量，設計最優化的廢物裝填方式，使廢物裝填的效率達到最高。

根據一維應力壓縮模型設計壓縮方式，圖2為廢物3次裝填壓縮的一般規律，最下層廢物經過3次壓縮達到理想的壓縮狀態，上層廢物也達到一定的壓縮，滿足廢物壓縮減容的目的。

圖2 廢物裝填過程Fig.2 Process of waste filling

針對模擬放射性固體廢物，廢物經過3次裝填，各層的壓縮符合該類固體廢物壓縮特征，僅需考慮廢物每次的裝填高度即可。

按照設計的廢物壓縮思路，利用最優化方法，要使廢物桶裝填量最大，須滿足以下條件：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(14)

將上式整理后，可得：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(15)

通過計算，可獲得廢物裝填的理論高度等參數。

4 試驗數據分析

通過試驗數據可計算得到廢物在壓縮的不同階段的孔隙率變化量，如表3所列。

表3 廢物在不同壓縮階段的孔隙率變化量Table 3 Variety of porosity in variant steps

4.1 單種廢物壓縮試驗結果

根據廢物在不同壓縮階段孔隙率變化量，利用MATLAB對單種廢物的裝填進行仿真，仿真結果列于表4。

從表4數據可看出，經過初次壓縮后孔隙率變化較大的廢物(如木、紙、棉等)，在經過3次裝填壓縮后，會產生較大的空間，影響廢物桶的裝填效率。而壓縮后孔隙率變化不大的廢物(如金屬管、磚等)經過3次裝填后可達到較為理想的裝填效果。因此，在實際生產過程中應將壓縮過程中孔隙率變化相差較大的廢物進行混合裝填，以達到理想的壓縮減容效果。

表4 單種廢物裝填仿真結果Table 4 Simulation results of single waste filling

4.2 2種混合廢物裝填結果

根據單種廢物壓縮實驗結果，選取孔隙率變化量較大的棉與金屬管進行混合裝填，利用MATLAB對兩種廢物混合裝填進行仿真(兩種廢物混合共有6種裝填方式)，仿真結果列于表5。

表5 兩種廢物混合裝填仿真結果Table 5 Simulation results of two types of wastes mixed filling

從表5可看出，將棉與金屬管兩種廢物進行混合后，可有效提高廢物桶的裝填效率，綜合考慮減容效果與廢物桶裝填效率分析，第1種與第3種裝填方式為最優裝填方式，可滿足廢物最小化目的。兩種優化裝填方式的區別在于，對于給定的固體廢物，其中存在孔隙率變化量不同的兩種固體廢物，根據兩種廢物的比例進行選取。給定廢物中孔隙率變化量大的廢物占多數時，選用第1種裝填方式，反之選取第3種裝填方式。

此外，從試驗結果也可看出，在裝填過程中，應將孔隙率變化量較大的廢物(如棉、紙等)裝填在廢物桶的最下層，能達到較理想的減容效果和減小廢物桶的使用。

4.3 3種混合廢物裝填結果

根據單一廢物壓縮試驗結果，選取孔隙率變化量較大的棉、紙與金屬管進行混合裝填，利用MATLAB對3種廢物混合裝填進行仿真(3種廢物混合，共6種裝填方式)，仿真結果列于表6。

從表6可看出，棉、紙與金屬管3種廢物進行混合，從廢物壓縮總量及廢物桶裝填效率綜合分析，第2種與第5種裝填方式廢物減容效果較好，而在這2種裝填方式中，雖廢物桶的裝填效率一致，但廢物裝填量卻不相同，廢物孔隙率變化量最大的裝填在最下層，孔隙率變化量較小的裝填在中間層，孔隙率變化量最小的裝填在最上層，廢物減容效果與廢物桶的裝填效率達到最優。

在實際工程應用中，應根據不同廢物的孔隙率變化量的大小對廢物的裝填次序進行調整，將孔隙率變化量遞增的次序作為廢物的裝填順序，達到廢物最小化的目的。

表6 3種廢物混合裝填仿真結果Table 6 Simulation results of three types of wastes mixed filling

5 算例分析

原子能院放射性固體廢物回取與整備處理示范設施工藝系統調試過程中對預壓系統進行調試，按木、棉、混凝土的質量比為1∶1∶8選取模擬廢物，共計135 kg，經預壓后桶內壓縮密度為0.71 g/cm3。利用本文設計的數學模型對該比例混合廢物進行復核，達到驗證模型有效性的目的。

根據本文3種混合廢物的壓縮策略，按廢物的孔隙率大小進行排序，依次裝填棉、木和磚，并與實際裝填進行對比，結果列于表7。實際裝填過程中未使用壓縮策略對壓縮過程進行優化。由表7可看出，經過優化的裝填方式在廢物減容方面可提高10%左右，且裝填的次數也小于實際的裝填次數(表中棉實際裝填量為2次裝填結果)，滿足工程需要。

表7 模擬裝填與實際裝填結果對比Table 7 Results comparison of reality filling and simulated filling

6 結論

通過建立放射性固體廢物桶內一維應力壓縮模型，分析模擬固體廢物在不同壓縮次數下的壓縮變化規律，并根據廢物在各階段的壓縮規律，設計合理的裝填壓縮策略，實現廢物壓縮減容過程中最優的裝填方式。利用壓縮策略對各種放射性固體廢物混合裝填方式進行仿真計算后可看出，不同的廢物裝填方式對最終廢物桶的裝填效率及裝填量影響較大。因此，在工程應用中選取合理的壓縮策略對廢物的裝填壓縮進行指導，不但可提高廢物處置效率，還可實現廢物最小化的目的。

[1] 杜洪銘. 低、中水平放射性固體廢物的現狀和壓縮減容實驗研究[R]. 北京：中國原子能科學研究院，1998.

[2] 張存平,劉春秀,呂海雷,等. 中國原子能科學研究院放射性固體廢物回取與整備處理示范設施工藝冷調試報告[R]. 北京:中國原子能科學研究院,2010.

[3] 顧忠茂. 核廢物處理技術[M]. 北京:原子能出版社,2009.

[4] 羅上庚. 放射性廢物概論[M]. 北京:原子能出版社,2003.

[5] 張振營,楊云芳,吳長富,等. 城市固體垃圾一維應力壓縮計算研究[J]. 浙江理工大學學報,2009,26(1):132-136.

ZHANG Zhenying, YANG Yunfang, WU Changfu, et al. Study on the calculation of one-dimension stress compression for municipal solid waste[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University, 2009, 26(1): 132-136(in Chinese).

[6] 曹衛華，郭正. 最優化方法及MATLAB的實現[M]. 北京:化學工業出版社,2005.

Research on One-dimension Stress Compression of Radioactive Solid Waste

LV Hai-lei, CHU Li-li, ZHANG Cun-ping

(EngineeringDepartmentofNuclearFacilities’ConstructionandDecommissioning,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The one-dimension stress compression model was built through the research on compression in drum for radioactive solid waste. The compression process was optimized by taking advantage of that model, and filling process of radioactive solid waste was guided. The test results show that big differences exist in total volume of filling and efficiency of filling after pre-compression for different models. Comparing the best model with the worst model, the volume of filling can double and the efficiency of filling increases 20%-30%. The volume reduction ratio increases 10% and times of waste filling obviously decreases guided by compression strategy compared with random filling. It can well meet the requirements of waste minimization and future operation.

radioactive solid waste; precompression; one-dimension stress compression; compression strategy; waste minimization

2014-01-24;

2014-05-21

呂海雷(1979—)，男，陜西咸陽人，工程師，碩士研究生，控制理論與控制工程專業

TL941.31

A

1000-6931(2015)06-1137-06

10.7538/yzk.2015.49.06.1137