放射性廢液水泥固化桶外攪拌裝置設計

張海峰

摘 要：桶外攪拌工藝具有裝桶率高、可連續式操作等優點，在放射性廢液水泥固化處理領域中具有很好的應用前景。該文分析了設計桶外攪拌裝置時應考慮的幾個因素，并初步設計了兩種簡易的桶外攪拌裝置，為今后設備國產化設計提供參考。

關鍵詞：放射性廢液 桶外攪拌裝置 攪拌

中圖分類號：TL941 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0026-03

國內核電站放射性廢液水泥固化處理工藝主要有桶內攪拌工藝和桶外攪拌工藝，從發展趨勢看，桶外攪拌工藝將逐漸占主導地位[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式操作的優點。由于過去核電行業發展不景氣，國內目前對桶外攪拌工藝的研究資料非常少，特別是對作為關鍵設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出發，探討桶外攪拌裝置設計時應考慮的幾個因素，并初步設計了兩種簡易的桶外攪拌裝置，為今后設備國產化設計提供參考。

1 桶外攪拌裝置設計應考慮的幾個因素

通常，攪拌裝置的設計應包含如下步驟：（1）確定攪拌條件；（2）選定攪拌槳型式及內構件；（3）確定攪拌槳尺寸及轉速；（4）計算攪拌功率；（5）攪拌裝置機械設計。其中，攪拌條件的確定和攪拌槳型式的選定是設計桶外攪拌裝置的基礎，也是比較難處理的兩個環節。該文主要對攪拌條件的確定和攪拌槳型式的選定進行分析。

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、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。這些都是設計桶外攪拌裝置的基礎，尤其是水泥漿的性質和攪拌目的兩項。

1.1.1 水泥漿的性質

在設計桶外攪拌裝置之前首先須對水泥配方及水泥漿的流變特征仔細研究。水泥漿一般認為是高粘塑性流體（賓漢流體），其粘度在不同的攪拌階段與剪切力有不同的數值關系，而剪切力與攪拌槳的型式和轉速有關。

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，一是對攪拌槳近旁或容器內物料產生的剪切作用，它決定了攪拌槳的分散能力（如對液滴和氣泡的細分化）；另一個是通過攪拌槳泵出的流量所產生的循環作用，它決定了攪拌槳對物料的混合能力。

1.1.3 攪拌裝置的容積

攪拌裝置的容積越大，攪拌低效區問題就越嚴重。攪拌裝置的容積主要由水泥固化體配方和操作方式決定。

1.1.4 攪拌容器的型式

目前，水泥固化處理技術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。從連續式操作的特點來看，桶外攪拌工藝宜優先選用立軸式攪拌裝置。

1.1.5 操作方式

對于連續式操作的桶外攪拌裝置來說，為了使水泥漿在非常短的時間內混合均勻，要求攪拌槳必須高速旋轉，這對攪拌槳的機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算、流場分析和機械設計的基礎。按流變特征分類，水泥漿一般歸為高粘塑性流體一類。大量對高粘塑性流體混合的研究發現，高效的攪拌裝置至少應具備兩個條件：（1）攪拌槳能提供強有力的剪切，促進分子擴散，從而快速達到分子級的混合。（2）由于高效剪切區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進行快速的循環，使高剪切區和低剪切區的液體快速交換，才能使整個攪拌容器快速地達到均勻混合。

以前國內核電站的放射性廢液水泥固化系統經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，分層現象較為嚴重，且裝桶率一般僅為70%左右。后來改用行星式雙螺旋結構的攪拌裝置，不但解決了廢物均勻性的問題，而且最終廢物的裝填率提高到95%。設計立軸行星式攪拌裝置時，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，在攪拌過程中，物料對平面鏟片的運動阻力很大，混合攪拌的功率消耗高。

2 桶外攪拌裝置設計

2.1 立軸單軸式桶外攪拌裝置

由于是連續式操作，干水泥和化學廢液必須在較短時間內達到湍流狀態，這要求攪拌槳轉速必須非常高，且能提供強有力的剪切，使液滴瞬間分散在干水泥中。可以考慮采用槳式攪拌槳來獲得良好的剪切作用，同時為了提高攪拌槳的循環作用，可使槳葉與水平面成一定角度，獲得一定軸向流動的效果。基于上述分析，初步設計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管接口和廢液進管接口，未表示添加劑等其他物料的進管接口。攪拌容器設計為Φ500×450的圓桶，圓桶底部是與包裝桶連接的對接工位。攪拌槳為一對短槳和一對長槳構成的組合槳。短槳直徑與攪拌容器直徑比值為0.5，長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”的連續式操作要求攪拌槳必須高速旋轉，因此槳葉容易受到磨損，須經常檢修。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勢[2]：（1）攪拌更均勻，更充分，槽壁無滯留料，無攪拌低效區。（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。攪拌槳的直徑應隨著攪拌容器的直徑增大而增大，即設計成近壁式攪拌槳，可減少攪拌容器壁附近的攪拌死區產生。

3 結語

桶外攪拌裝置是放射性廢液水泥固化處理技術桶外攪拌工藝的重要設備，其混合效率和攪拌質量直接影響著整個系統的運行和水泥固化體的性能。攪拌條件的確定是設計桶外攪拌裝置的基礎，尤其對水泥槳的流變特征研究是必不可少的。初步設計的兩種桶外攪拌裝置適用的操作方式不同，應根據具體的工藝要求確定混合效果最好的設備型號。如果工藝對混合時間無特別的要求，可考慮采用易于實現工程運用的立軸行星式桶外攪拌裝置。

參考文獻

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

[2] 高波，劉淑玲，王敏，等.危險廢物水泥固化工藝的工程設計與探討[J].環境工程，2010（3）：95-98.