放射性環境下的有機廢液提取分離裝置研制及工程應用

趙玲君，陳繼釗

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

放射性環境下的有機廢液提取分離裝置研制及工程應用

趙玲君，陳繼釗

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

從放射性有機廢液的特點和工程處理的相關要求，分析了影響有機廢液提取分離的關鍵因素。結合現場實際，通過技術調研，研制了有機廢液提取分離裝置，經冷熱試驗和工程應用，采用該裝置提取分離有機廢液是安全有效的，可為工程實施提供技術支持。

放射性環境；有機廢液；提取分離裝置

某核燃料后處理廠生產期間產生了大量的中放廢液和有機廢液（TBP/OK），由于歷史原因有機廢液與中低放廢液混合貯存在地下貯罐中。兩種廢液各自有明確的后續處理技術路線，中低放廢液采用水泥固化技術處理，有機廢液采用熱解焚燒技術處理[1-2]。目前，中低放廢液提取輸送的工程裝置已經建成。如何將與中低放廢液混合貯存的有機廢液有效分離并盡可能多地提取出來是有機廢液處理處置需要解決的前提條件。因此，結合有機廢液的特點和有機相熱解焚燒的供料要求，研制一種結構簡單、高效穩定、安全可靠且與工藝配套的適用于放射性環境下的油水提取分離裝置（以下簡稱分離裝置），對于有機廢液后續處理具有重要的意義。

1 分離裝置技術要求

鑒于貯罐內混存廢液具有放射性、易燃爆、進入貯罐通道的結構尺寸小以及需到達的油水分離效果（達95%）等因素，分離裝置研制時主要考慮以下幾點技術要求：

1) 對油水界面準確定位；

2) 分離盡量采用物理分離，不在罐內引入其他物質和額外動力，避免可能導致的燃爆；

3) 結構應簡單、安裝方便、維護簡單；

4) 不會產生明顯的渦流或擾動，可以較平穩地吸入有機相，避免對罐內貯存的放射性物質產生擾動；

5) 受安裝條件限制，裝置進入罐內最大直徑≤500 mm；

6) 具備過濾、自排、放空功能；

7) 提取完有機相后殘余有機相高度不大于2 cm。

2 技術調研及分析

根據分離裝置的技術要求，對國內現有油水分離提取技術進行了調研，目前國內未見用于放射性環境下有機廢液與中放廢液分離提取的相關報道。但在石油工業和食品行業有溢油回收設備，這些溢油回收設備的結構及形式多樣，但都是利用密度差原理，使浮球浮于油面中，將油水一起抽入容器后再進行分離。這種方式不適合放射性廠房大體積油水分離，也無法得知殘余有機相厚度。根據調研結果，對分離裝置進行分析設計，確定裝置的原理結構，并進行驗證試驗，改進裝置結構，最終完成裝置定型。

3 分離裝置的研制及結構

為了達到油水分離提取目標及效果[3]，將整套裝置分為油水界面定位設備、吸入提取設備、殘余有機相探測設備三部分考慮。通過界面定位設備將有機相吸入提取設備安裝在界面處，以便盡可能多地吸入有機相并轉移出貯罐，最后利用殘余有機相探測設備測量剩余有機相厚度，可以計算出提取率。

3.1 界面定位設備

界面定位設備需要選擇合適的界面計，為項目實施提供可靠的技術支持，經過對市場上界面計的原理、現場適應性、精度等進行調研，選用磁致伸縮液位計對有機相與水相進行界面測量。該類型液位計可同時測量產品的液位、界面。既可以作液位計使用，又可以作界面計使用，精度高，特別適合易燃易爆液體的測量，并且可以離線標定。根據罐內的兩種介質的實際密度確定磁致伸縮式液位計浮子的密度，密度介于上下兩種介質的密度之間。

3.2 有機相吸入提取設備

有機相吸入提取設備是整套裝置的關鍵設備，利用兩介質密度不同，不互溶的物理特性，采用重力分離的方式實現有機相與水相的隔離。采用結構分解的方法進行吸入提取設備的原型設計，工作分解結構見圖1。

圖1 吸入提取設備研制的工作分解結構Fig.1 The breakdown for the development of the suction extraction equipment

（1）吸入機構

由于兩介質存在分界面，因此在確定界面的情況下，可以直接對有機相和水相進行隔離。過濾部件主要是對介質中的較大顆粒物、污物等進行粗過濾，防止堵塞泵的吸入口，考慮使用平面網狀結構。

（2）過流機構及供料機構

過流機構為有機相從吸入機構中流向供料機構的通道，由于吸入提取設備不要求自身提供動力對介質進行提升，為方便供料機構與提取泵的對接，過流機構與供料機構考慮圓形結構。在有機相液位較低時，流體表面易形成漩渦，導致氣體進入提取泵內造成“氣蝕”。因此，設計時考慮裝置內增設擾流板狀。

（3）排空機構

排空機構主要實現吸入提取設備內殘存有機相或廢液的排出，為便于維修，考慮利用重力自排原理進行排空結構的設計。由于有機相與水相存在密度差，因此排空結構考慮采用浮子閥的形式。

（4）清洗機構

清洗機構主要是在對吸入提取設備進行檢修時，使用水或其他清洗劑完成吸入提取設備的清洗。對于吸入提取設備而言，外表面可以直接沖洗，因此主要考慮內表面的清洗。為覆蓋吸入提取設備內部大部分面積，清洗結構考慮環形清洗結構。綜上所述，對吸入提取設備原型設計見圖2。

圖2 吸入提取設備原型設計示意圖Fig.2 The design schematic of the suction extraction equipment

完成吸入提取設備的原型設計后，需要對吸入提取設備的過流能力、浮子閥密封與排空效果、與選定的液下泵進行總成性能驗證試驗，最后對設備定型。

3.2.1 性能試驗

（1）過流能力試驗

試驗目的：根據吸入提取設備直徑、排放口徑與液位關系觀測漩渦產生狀況，在要求的尺寸范圍內通過試驗確定設備水力學結構尺寸。

試驗原理及過程：在裝置內裝入水，觀測介質流出狀況。根據漩渦產生狀況增設擾流板重復進行試驗，試驗確定了擾流板的尺寸，見圖3。

圖3 吸入提取設備過流能力試驗原理圖Fig.3 The schematic of the overflow capacity test for the suction extraction equipment

（2）浮子閥性能試驗

浮子閥密封結構形式主要有硬密封和軟密封兩種，主要測試其單位時間內的泄漏量（即泄漏率），從而確定采取哪種密封形式。試驗原理見圖4。

圖4 浮子閥性能試驗原理圖Fig.4 The schematic of float-controlled valve performance test

1）密封試驗：將吸入提取設備及其底部浮子閥緩慢放置于儲水容器中，使設備底部恰好沒入水中，浮子閥浮球依靠浮力慢慢升起，最終完全將排放通道關閉；再用針管將設備內部液體全部清除，并開始計時；1小時后用帶刻度的針管將設備內部的液體抽出，讀取數據并記錄。由此，可測算出浮子閥的泄漏率，并由此推算提取輸送系統單位時間內的有效輸送率。

2）排空試驗：將吸入提取設備內灌滿液體，且浮子閥處于關閉狀態，緩慢提起，浮子閥依靠重力作用開啟排空通道，使內部液體排出；試驗重點在于測試浮子閥啟閉的靈活性，及能否排空設備內部液體。

（3）提取泵總成性能試驗

總成性能試驗介質分別為水、水+煤油的總成試驗，檢驗吸入提取設備與泵連接后的總體性能能否滿足要求。煤油密度0.83 g/cm3；黏度0.7 mPa·s。試驗時將煤油倒入容器內，保持煤油高度的穩定，同時將吸入提取設備至于界面上20 mm。啟動泵，調節泵出口閥門，在泵的額定流量范圍，改變泵輸出流量，測量提取后殘留的煤油高度。

3.2.2 試驗結果

（1）過流能力試驗結果

在無擾流板的情況下的試驗數據表明：對于相同的排放閥門通徑，吸入提取設備半徑越大，其排放流量越大，產生漩渦的高度越高。對于相同直徑的吸入提取設備，排放閥門通徑越大，其排放流量越大，產生漩渦的高度越高。

在加設擾流板的情況下的試驗表明，裝置產生的漩渦得到了極大的抑制，均降至50 mm以下才觀察到漩渦的產生。

（2）浮子閥性能試驗結果

試驗進行了硬浮子和軟浮子兩種結構的密封性能試驗，結果見表1、表2。

試驗數據顯示，浮子閥軟、硬密封兩種形式均可達到良好的密封效果，且啟閉靈活，吸入提取設備內液體排空效果良好。考慮檢修頻次，選擇硬密封的方式進行定型。

（3）總成性能試驗結果

1）液下泵對液面處無特殊要求[4]，在啟動運行方面對泵而言無影響，在液面位置在3～4 m之間時，液下泵啟動在3～6 s之內即可達到輸送壓力、輸送流量的穩定。

2）吸入提取設備與液下泵形成了一個總成系統裝置，為了便于整體的調節，在液下泵泵體基座底部設計±5 cm可調的螺栓，可以適應調節。

3）無濾網的測試試驗，發現濾網對吸入提取設備過流能力、過流速度無影響，同時對殘留量也無影響。

通過總成性能試驗，獲取了有機相吸入提取設備的主要功能要求及樣機參數評價見表3。

表1 浮子閥硬密封性能試驗Table 1 Hard seal performance of the float-controlled valve

表2 浮子閥軟密封性能試驗Table 2 Soft seal performance of the float-controlled valve

表3 主要技術要求與吸入提取設備樣機參數評價Table 3 Main technical requirements and parameters of the prototype suction extraction equipment

（4）有機相吸入提取設備制造

根據以上試驗數據和結論，進行了有機相吸入提取設備的制造，見圖5設備結構圖及圖6實物圖。

1) 考慮到現場特性，要求裝置使用時間長，減少維修，浮子閥采用硬密封結構；

2) 吸入提取設備與泵的連接采用焊接形式，以保證吸入提取設備的牢固性；

3) 吸入提取設備與泵的傳動軸的軸線垂直度不大于1 mm，吸入提取設備平面度控制在0.1 mm以內，吸入提取設備濾網及環形入口表面光潔度控制在0.8 mm以下，以保證有機相的平穩過流與匯集。

3.3 殘余有機相測量設備

圖5 有機相吸入提取設備結構圖Fig. 5 The structure of the organic phase suction extraction equipment

在有機相提取結束后，需測定提取后罐內殘余有機相厚度及其界面形態，為下一步殘余有機相的處理提供必要的資料。通過市場調研，市場上沒有直接用于放射性場所測量殘余有機相的設備或儀器，因此殘余有機相的測量考慮直接對其厚度進行觀察和測量。結合現場實際，利用內窺鏡開展殘余有機相厚度測量設備研制，設備由攝像頭，控制系統和標尺構成，有機相厚度測量原理見圖7。工作時，將攝像頭和標尺放置于殘余有機相界面，由攝像頭觀察殘余有機相界面形態，標尺測量殘余有機相厚度，測量數據通過顯示屏顯示。

圖6 有機相吸入提取設備實物圖Fig. 6 The real organic phase suction extraction equipment

圖7 有機相厚度測量原理圖Fig. 7 The schematic of organic wastewater thickness measurement

表4 臺架試驗參數Table 4 The rig test data

4 應用效果

4.1 冷臺架試驗

建立試驗臺架[5]：液下泵型號LAY25-200 C型，流量7 m3/h，揚程20 m，轉速2 900 r/min，界面計選用MBT/T1S1AFA3A2/4150安裝法蘭DN100帶配對法蘭。貯槽模擬料液初始高度為2 560 mm，有機相模擬料液高度為1 757 mm。開展了三輪試驗，試驗結果如表4所示。

通過三輪試驗及試驗參數可知：

1) 整套裝置適用于油水分離提取，運行平穩，表面未觀察到漩渦，沿途管線沒有漏點；

2) 提取率大于95%，殘余有機相小于1 cm；

3) 界面計能夠準確顯示界面位置，測量誤差小于1%；

4) 提取輸送平均流量5.23 m3/h，能夠滿足工藝要求。

4.2 工程熱試驗及應用

熱試驗在S-1205/7貯槽內進行，原有0.5 m有機廢液，將磁致伸縮界面計通過儀表孔安裝于待提取貯罐內，確定有機廢液與中放廢液的界面，吸入提取設備殼體和液下泵通過貯罐內人孔放入貯罐內界面處，液下泵出口管線插入收集貯罐液面下。開啟液下泵，將待提取貯罐中低放有機廢液倒入收集貯罐中。熱試驗共運行8小時10分鐘，提取泵能力滿足要求。通過測量殘余有機相厚度小于20 mm，計算有機相提取率為95.4%。

5 結束語

針對罐內油水界面相對穩定的特點，設計研制的有機廢液分離提取裝置，通過精確定位，確定油水界面，能大大提高油相回收效率，采用直接向提取泵供料，在工程應用過程中運行穩定，利用本裝置首次實現了放射性環境下的有機廢液與中放廢液的分離并提取出來，有機廢液提取率大于95%，且在試驗及工程應用的過程中充分考慮了有機廢液易燃爆的特點，采取了相應的措施，確保了全過程的安全。

[1] 吳明建.含油廢水處理技術淺談[J]. 水工業市場，2012(04).

WU Ming-jian. Brief Probe into Oil-bearing Waste Water Treatment Techniques [J] .Water Industry Market， 2012(04).

[2] 孫莉英. 含油廢水處理技術進展[J]. 華中科技大學報（城市科學版），2002，19(3):88-90.

SUN Li ying. Progress of Oil-bearing Waste Water Treatment Techniques [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Urban Science Edittion), 2002，19(3):88-90.

[3] 李鐵峰.核電廠非放射性含油廢水處理系統調試[J]. 中國核電，2015，(4). 368-370

LI Tie-feng. Commissioning of the Oily Waste water System of Nuclear Power Plant [J]. Nuclear Power Plant 2015，(4). 368-370

[4] 王曉華.化工原理[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

WANG Xiao-hua. Principles of Chemical Industry [M]. Beijing: Chemical Industry press，2009.

[5] 華梅芳.低放有機廢液提取輸送工程裝置設計. 中國核電工程有限公司，2012，6.

HUA Mei-fang. The Design of Engineering Installation for Sucking and Piping Low Level Radioactive Organic Liquid Waste. China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd., 2012，6.

Radioactive Organic Waste Liquid Extraction and Separation Equipment Development and Engineering Application

ZHAO Ling-jun，CHEN Ji-zhao
(Sichuan Environment and Protection Engineering Co., Ltd., CNNC, Guangyuan, Sichuan Prov. 628000, China)

From the characteristic of organic radioactive waste water processing and engineering requirements, the key factors influencing the extraction and separation of organic waste water are analyzed, combined with the actual situation on site. Through technical study, the extraction and separation device for the organic waste water is developed. Through the cold and hot tests and engineering application, it is demonstrated that to adopt this device to extract and separate the organic waste water is safe and effective, which can provide technical support for the project.

radioactive environment; organic waste water; extraction and separation device

TL249 Article Character: A Article ID: 1674-1617（2016）04-0374-07

TL249

A

1674-1617（2016）04-0374-07

2016-10-20

趙玲君（1975—），女，四川南充人，高級工程師，工學碩士，現從事放射性廢物治理工作。