廢樹脂料斗定量法計量驗證試驗

劉宇昊　陳先林　孫圣權(quán)

【摘 要】功能儀表結(jié)合自然溢流的方法進(jìn)行樹脂的計量適用性較差，廢樹脂料斗定量法計量是利用樹脂密度比水略大這一特性，將計量裝置設(shè)置為上下聯(lián)體結(jié)構(gòu)，利用底部的計量槽進(jìn)行廢樹脂的定容計量。采取小試裝置分別進(jìn)行計量槽定容試驗、6組樹脂沉降試驗和2組樹脂下料試驗，試驗數(shù)據(jù)分析表明：在大氣壓和樹脂自重的作用下，樹脂自然沉降是完全可行的，若輔助壓空反吹會有更好的效果；計量好的樹脂通過水力輸送可順利下料。試驗結(jié)果證明該技術(shù)是可行的，并且具有較好的工程實用性。

【關(guān)鍵詞】樹脂；料斗定量；沉降；下料

Hopper Quantitative Method Validation Test of Spent Resin

LIU Yu-hao CHEN Xian-lin SUN Sheng-quan

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】Functional instrument combined with natural overflow method for the measurement of resin is poor. The hopper quantitative method of resin measurement is to use the characteristic that the resin density is slightly larger than the water， and the metering device is arranged on the upper and lower body structure. Take the test device is respectively metering tank constant volume test， six groups of resin settlement test and two groups of resin unloading test， the test data analysis showed that： under the weight of atmospheric pressure and resin， the resin of natural subsidence is completely feasible， if the auxiliary pressure air reverse blowing will have a better effect； the measured resin through the hydraulic conveying smooth feeding. The experimental results show that the technique is feasible and has good engineering practicability.

【Key words】Resin； Hopper quantitative； Settlement； Unloading

0 概述

自上世紀(jì)五、六十年代以來，隨著我國核事業(yè)的發(fā)展，相繼建成、運行了諸多核設(shè)施，這些核設(shè)施運行期間產(chǎn)生了較多的放射性廢物[1]，廢樹脂其中的一類重要廢物[2]，廢樹脂的處理方法有很多[3]，其中水泥固化是當(dāng)前最主要的處理方法[4]，此外國內(nèi)也開放了一些其他的處理技術(shù)[5]。在廢樹脂的處理過程中，其計量是一個重要環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)主要采用樹脂界面計[6]和液位計等功能儀表結(jié)合自然溢流的方法進(jìn)行樹脂的計量，根據(jù)其的調(diào)試和運行經(jīng)驗，這種方法計量樹脂誤差較大，很難做到精確計量，而且在計量槽內(nèi)又不適宜使用機械攪拌，導(dǎo)致樹脂自然下料時容易堵塞管道。料斗定量法計量廢樹脂采用定量料斗的方式進(jìn)行較為精確的樹脂計量，本文通過小試裝置用非放樹脂進(jìn)行試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果探索其影響因素。

1 試驗原理及裝置介紹

1.1 試驗原理

樹脂為顆粒狀（0.4～0.7mm）或者粉末狀（<0.03mm），干燥狀態(tài)下有靜電作用，其密度約為0.6～0.7g/cm3；樹脂經(jīng)水浸泡后會溶脹，浸水溶脹的樹脂密度可達(dá)到約1.08g/cm3，比水略大。廢樹脂為充分浸泡過的樹脂，其含水量一般在50%～60%之間，屬于放射性濕廢物；廢樹脂在有壓輸送時其流動性較好，但在無壓狀態(tài)下極易造成管道等堵塞，會給廢樹脂的輸送和計量造成一定的困難。

根據(jù)廢樹脂的相關(guān)特性，料斗定量法計量廢樹脂的裝置由接收槽、計量槽和補水槽三部分及相應(yīng)管道閥門組成，接收槽與計量槽為上下聯(lián)體結(jié)構(gòu)，接收槽用于接收準(zhǔn)備計量的廢樹脂，計量槽為樹脂計量的定量料斗；補水槽用于蒸殘液計量，同時可以輔助計量好的樹脂順利排出。如果接收槽內(nèi)盛放一定量的含水樹脂，由于樹脂密度略大，在靜態(tài)時二者會自然分層，樹脂在底部，水在上部。當(dāng)開啟接收槽與計量槽之間連通的閥門時，樹脂便會自然沉降并完全充滿計量槽，連通閥門關(guān)閉后，計量槽內(nèi)的廢樹脂即為定量計量過的樹脂。

1.2 試驗?zāi)康募皟?nèi)容

由于本套裝置沒有任何工程實用數(shù)據(jù)參考，需要進(jìn)行驗證試驗，驗證該方案的可行性，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并檢驗該方案是否存在缺陷或不足，為后續(xù)的工程應(yīng)用提供依據(jù)。試驗采用小試裝置，用非放樹脂和自來水進(jìn)行試驗，主要驗證兩個方面的內(nèi)容：

1）檢驗樹脂從接收槽沉降至計量槽時是否順利，沉降后樹脂能否完全充滿整個計量槽；

2）由于樹脂從計量槽內(nèi)下料時要關(guān)閉頂部閥門，需要檢驗其下料過程能否完全排空。

1.3 試驗裝置

本次試驗擬驗證該技術(shù)的可行性，試驗裝置各個容器的容積在原設(shè)備的基礎(chǔ)上按照一定的比例進(jìn)行相應(yīng)縮小，其中接收槽容積定為約80L，計量槽容積定為約15L，補水槽容積定為約60L；將接收槽和補水槽頂部做成敞口式，樹脂或自來水直接從容器頂部注入，下料排除后的樹脂用塑料桶接收，通過去皮稱重的方式得出桶內(nèi)樹脂的質(zhì)量，然后轉(zhuǎn)化為體積。如圖1所示。

圖1 樹脂實驗裝置圖

2 試驗流程

2.1 試驗內(nèi)容

2.1.1 計量槽容積測量

關(guān)閉進(jìn)料槽的所有出口閥門，向槽內(nèi)加入約70L自來水。然后開啟計量閥，使計量槽內(nèi)充滿水后關(guān)閉計量閥。開啟下料閥，使計量槽內(nèi)的水流至塑料桶內(nèi)，測量桶內(nèi)水的體積，測量值即可作計量槽的容積值。

2.1.2 樹脂沉降驗證

為充分驗證樹脂的沉降情況，確保找到最為理想的樹脂沉降方式，試驗過程安排六組方式進(jìn)行樹脂沉降情況的驗證：

a）關(guān)閉排氣閥和壓空閥，開啟計量閥，在計量槽內(nèi)充滿空氣的狀態(tài)下讓樹脂在靜態(tài)時靠自重沉降；

b）保持計量槽聯(lián)通的所有閥門關(guān)閉狀態(tài)下將補水槽內(nèi)注滿水，開啟補水閥使計量槽內(nèi)充滿水后關(guān)閉補水閥，然后開啟計量閥，在計量槽內(nèi)充滿水的狀態(tài)下讓樹脂在靜態(tài)時靠自重沉降；

c）關(guān)閉排氣閥和壓空閥，開啟計量閥，然后用棍棒在進(jìn)料槽內(nèi)攪拌，使接收槽內(nèi)的樹脂處于動態(tài)，再靠其重力自然沉降；

d）關(guān)閉排氣閥和壓空閥，開啟計量閥，然后用棍棒插入接收槽直至計量槽內(nèi)，破壞連通管內(nèi)樹脂的整體性，再靠樹脂重力自然沉降；

e）關(guān)閉壓空閥，開啟排氣閥和計量閥，讓樹脂在靜態(tài)時利用其自重和大氣壓雙重作用沉降；

f）關(guān)閉排氣閥，開啟壓空閥和計量閥，將壓縮空氣自下而上鼓入接收槽，排走計量槽內(nèi)存留的空氣，同時使收槽內(nèi)的樹脂處于動態(tài)，然后使其沉降。

2.1.3 樹脂下料導(dǎo)出驗證

樹脂每次沉降試驗完成后都要對計量槽內(nèi)的樹脂進(jìn)行測量，因此需要將這些樹脂導(dǎo)出至塑料桶內(nèi)，樹脂下料導(dǎo)出方法有兩種：

a）關(guān)閉壓空閥和補水閥，開啟排氣閥和下料閥，使樹脂靠自重下料導(dǎo)出；

b）關(guān)閉壓空閥和排氣閥，開啟下料閥和補水閥（補水槽內(nèi)有水），使樹脂借助水流下料導(dǎo)出。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

2.2.1 計量槽容積測量數(shù)據(jù)

接收槽內(nèi)加入的約70L自來水可測量三次計量槽容積，三次測量數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)實際測量，計量槽容積為17.4L。

表1 計量槽容積測量數(shù)據(jù)表

2.2.2 樹脂沉降與下料試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)實測的計量槽容積，為保證每次向接收槽內(nèi)加入廢樹脂可供進(jìn)行三次沉降和下料導(dǎo)出試驗，試驗設(shè)定在所有閥門關(guān)閉狀態(tài)下向進(jìn)料槽內(nèi)加60L充分浸泡過的樹脂和15L的水，并向補水槽加入40L水，此時接收槽內(nèi)的樹脂和水會自然分層，如圖2所示。

圖2 樹脂和水自然分層示意圖

由于在試驗時，樹脂每次沉降試驗完成后都需要進(jìn)行下料導(dǎo)出驗證，六組沉降試驗結(jié)合兩組下料試驗結(jié)合測量得出12組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 樹脂沉降與下料實驗記錄數(shù)據(jù)表

2.3 試驗總結(jié)分析

2.3.1 試驗結(jié)果總結(jié)

對表2測量出的12組數(shù)據(jù)繪制條形圖，如圖3所示，從圖中可以看出：

1）每一組試驗測到的數(shù)據(jù)都比較穩(wěn)定，樹脂沉降與下料的結(jié)果與補水槽和接收槽內(nèi)的液位幾乎沒有關(guān)系；

2）樹脂采用a種沉降方式效果最差，c種沉降方式也比較差，這兩種方式計量的樹脂體積尚不及計量槽容積的一半；

3）另外四種沉降方式計量的樹脂體積都達(dá)到了計量槽容積的85%以上，其中d種效果稍差，其余b、e、f三種方式計量的樹脂體積都達(dá)到了計量槽容積的90%以上；

4）從下料方式來看，b方式效果略好，但二者差別不大。

圖3 樹脂沉降與下料實驗數(shù)據(jù)柱形圖

2.3.2 試驗結(jié)果分析

1）樹脂沉降試驗結(jié)果分析

a種沉降方式是在進(jìn)料槽內(nèi)濕樹脂和水自然分層后打開計量閥，此時濕樹脂和水便會在重力的作用下向計量槽內(nèi)沉降，而計量槽內(nèi)原本充滿的空氣無法排除，雖然空氣的密度較濕樹脂和水都要小，但在此種條件下樹脂的流動性極差，并且樹脂浸泡溶脹后其間隙并不足以使空氣溢出，反而會導(dǎo)致計量槽內(nèi)的空氣壓縮，因此此種情況下，樹脂沉降效果極為不理想，如圖4所示。

樹脂b中沉降方式作為a中沉降方式的對比驗證，該種方式是在計量槽內(nèi)充滿水的情況下開啟計量閥，此時樹脂上方和下方水的作用力持平，樹脂便會在自重的作用下沉降，沉降結(jié)果如圖5所示。該種方式雖然沉降效果較好，但不具備工程實用性，僅能用作試驗時的對比分析。

c、d沉降方式是為了進(jìn)一步檢驗a種沉降方式的結(jié)果，其中c方式是在a方式的基礎(chǔ)上增加進(jìn)料槽內(nèi)的攪拌，但這種攪拌方式無法破壞連通管內(nèi)的樹脂沉積層結(jié)構(gòu)，因此樹脂沉降效果僅比a方式略好，效果仍然比較差，如圖6所示；d方式將攪拌棒插至計量槽內(nèi)，這樣可以完全破壞連通管內(nèi)的樹脂沉積層，此種沉降方式效果比較理想，沉降的樹脂幾乎可以充滿計量槽，如圖7所示。

e種沉降方式是在a方式的基礎(chǔ)上將排氣閥打開，這樣可以將計量槽內(nèi)的空氣排出，接收槽內(nèi)的樹脂便可以靠重力的作用沉降，該方式沉降效果較為理想，如圖8所示；f沉降方式是在a方式的基礎(chǔ)上打開計量槽底部的壓空閥，鼓入壓縮空氣，增大計量槽內(nèi)部的氣壓，使其內(nèi)部的空氣沖破連通管內(nèi)樹脂層的密封作用，因此，樹脂也可以沉降至計量槽內(nèi)，如圖9所示。

2）樹脂下料試驗結(jié)果分析

樹脂a種下料方式是將計量槽的下料閥和排氣閥打開，除了計量槽內(nèi)表面附著了少量的樹脂，計量好的大部分樹脂會在其自重影響下順利排除，總體來講下料效果比較好，如圖10所示。

樹脂b種下料方式是將計量槽的下料閥和補水槽的補水閥打開，樹脂下料的動力除了其自重外，還有補水槽內(nèi)水流的沖擊作用，該種方式不僅能實現(xiàn)樹脂順利下料，還能依靠水流的作用沖刷掉計量槽內(nèi)表面附著的大多數(shù)樹脂，其下料效果要比a方式好，如圖11所示。

3 結(jié)論

1）總體來講，料斗定量法計量廢樹脂是能夠滿足樹脂計量要求的，計量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，且?guī)缀醪皇苎b置內(nèi)樹脂和水的數(shù)量及比例影響；

2）對比六種樹脂沉降方式的驗證試驗，a方式與c方式效果較差，不宜采用；b方式與d方式都不具備工程實用性；e方式與f方式試驗效果都比較好，且在實際工程都具有可操作性，相比較而言，e方式更適宜作為樹脂沉降的實際應(yīng)用方案，f方式增加了壓空環(huán)節(jié)，操作略微復(fù)雜，但考慮該裝置需要用壓縮空氣進(jìn)行反吹，因此壓空環(huán)節(jié)也不能取消，可作為樹脂沉降的備用方案。

3）兩種樹脂下料導(dǎo)出方案都是可行的，且樹脂的導(dǎo)出效果也都比較好，b方式效果更好一些；從工程實際來看，廢樹脂與蒸殘液是混合固化處理的，樹脂下料b方式所用的輸送水可用蒸殘液代替，實用性較好。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]