桶內干燥技術在放射性廢液處理中的應用

萬嘉瑜 ， 張明輝

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

核電站在運行和維修過程中會產生放射性液體廢物，其處理工藝主要有過濾、離子交換和蒸發等方式。其中，蒸發技術因去污因子高、減容效果好等優勢，已在國內秦山、田灣和大亞灣等核電站廣泛應用[1-3]。為滿足廢物處置的要求，蒸發后的蒸殘液需進行穩定化處理，目前國內主要采用傳統的水泥固化工藝，但這一過程屬于增容處理[1-4]，不利于廢物最小化[5]，并會增加處置成本。

桶內干燥工藝作為有效的廢液處理技術，適用于鹽分較高的放射性廢液的處理，已在德國Obrigheim核電站、Grohnde核電站等有成熟工程應用。我國在三代核電AP1000浙江三門核電項目中首次引進了放射性廢液桶內干燥技術。相比較水泥固化技術，桶內干燥技術減容優勢明顯。本文將結合廢液桶內干燥的技術特點，就需關注的技術問題進行分析。

1 工藝流程及特點

1.1 工藝流程

在三門廠址廢物處理設施中，桶內干燥裝置直接以160L鋼桶作為干燥容器分批次接收蒸發后的蒸殘液，并采用熱空氣加熱的形式對蒸殘液進行干燥。桶內干燥可基本去除蒸殘液中的水份，實現減容處理。干燥完成后，裝有鹽塊的160L鋼桶經加蓋、超級壓實后裝入200L廢物桶灌漿固定，并送廠內廢物暫存庫暫存。蒸殘液桶內干燥及后續超壓工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 化學廢液桶內干燥及超壓工藝流程簡圖

Fig.1 Flow chat of in-drum dryer and super-compaction process

1.2 干燥過程

在三門廠址廢物處理設施中，桶內干燥裝置采用160L鋼桶接收廢液并直接進行干燥，廢液以批次進料的形式維持桶內液位高度和實現持續干燥。循環空氣經電加熱后對鋼桶外壁加熱，鋼桶壁面進一步將熱量傳遞給桶內廢液，使液體達到飽和溫度后蒸發。160L鋼桶經反復多次進料、干燥、再進料、再干燥后，最終在桶內形成穩定的化學鹽塊。干燥產生的蒸汽首先通過除沫器以去除可能夾帶的液滴或固體顆粒，經冷卻器冷凝后，形成的冷凝液在冷凝液箱中儲存。干燥過程主要包括3部分的換熱：干燥裝置與160L鋼桶外壁的對流輻射換熱，160L鋼桶內外壁間的傳導換熱，以及桶內壁與廢液間的對流換熱。相應的傳熱示意見圖2。

圖2 桶內干燥裝置傳熱示意Fig.2 Heat transfer model of in-drum dryer

1.3 工藝特點

1.3.1 廢液有效減容

如前所述，目前國內對于蒸殘液主要采用傳統的水泥固化工藝，會造成2～5倍的廢物增容[4]。桶內干燥技術的減容比取決于蒸殘液的含固率，若蒸殘液的含固率為10%，則當蒸殘液烘干至鹽餅狀態后，減容比可達到10。蒸殘液干燥后形成的鹽餅經超壓后裝入200L鋼桶進行灌漿處理，考慮200L鋼桶的體積，蒸殘液經桶內干燥后裝入200L鋼桶的減容比可達到7.5。表1以化學廢液蒸殘液年處理量12m3為例，列出分別采用水泥固化和桶內干燥工藝處理后的廢物桶(200L鋼桶)的產生量。可見，與水泥固化工藝相比，桶內干燥工藝將少產生96%的廢物桶，具有顯著的廢物減容效果。

表1 水泥固化和桶內干燥廢物桶產生量Table 1 Quantity of waste drums produced by cementation and in-drum drying processes

1.3.2 廢液穩定化處理

桶內干燥基本去除了蒸殘液中的水份，形成的鹽餅不含有游離態液體，滿足放射性廢物處置過程中對于含水率的要求[6]。烘干后的鹽餅主要由無機鹽類組成，有利于處置穩定性，將鹽餅裝入200L鋼桶進行水泥灌漿的方式，使鹽餅外增加了一道可靠的屏障，起到進一步隔離放射性廢物與環境的作用，不僅可防止放射性廢物泄露到環境，也可在暫存和處置過程中防止環境中的水份滲入到廢物體。同時，灌漿后的200L鋼桶水泥固定體具有良好的抗沖擊性能。因此，采用桶內干燥工藝流程形成的廢物體理化性能良好，滿足廢物處置對于廢物性能的要求。

1.3.3 適用廢液對象廣

桶內干燥工藝適用于處理化學廢液等含鹽量較高的廢液，拓寬了放射性廢液的處理方式。由于化學廢液含鹽量較高，如果采用離子交換工藝，容易使離子交換樹脂達到飽和，導致樹脂的交換容量下降，縮短樹脂的使用周期。因此，對化學廢液的處理不推薦采用離子交換工藝，主要以蒸發工藝為主。根據廢物處置的要求，蒸發后的蒸殘液需要進一步穩定化處理，目前國內的核電站多采用水泥固化的增容工藝。桶內干燥工藝能夠實現蒸殘液的減容、穩定化處理，對于化學廢液等含鹽量較高廢液的減容處理具有重要意義。

2 需關注的技術問題

2.1 干燥速率的選取

蒸殘液桶內干燥工藝的蒸發干燥工況可參考大容器沸騰模型，典型的沸騰曲線可見圖3[7]。在加熱過程中，生成的氣泡上升至上液面破裂后會產生霧沫，導致蒸汽的霧沫夾帶量提高。霧沫夾帶率與蒸發速率的大小直接相關，隨著蒸發速率的提高，氣化率增大，蒸汽流速加快，霧沫夾帶率會隨之增大[8]。霧沫夾帶率的升高會對除沫器的設計制造及霧沫去除工藝提出更高要求，還可能造成傳熱惡化。

圖3 飽和水在加熱平面上沸騰的典型曲線Fig.3 Typical curve of saturated water boiling on heated plane

因此，在蒸殘液桶內干燥過程中，應保證去污效果，防止霧沫夾帶率過高而造成冷凝液放射性比活度升高。桶內干燥的蒸發速率不應設置過高，需綜合考慮廢液去污效果、裝置處理能力和工藝穩定性等因素。在三門核電項目中，蒸發速率設定在4～6L/h，可控制廢液蒸發干燥過程不產生劇烈沸騰，且保證裝置的處理能力能夠滿足蒸殘液的處理量需求。

2.2 干燥終點的選取

蒸殘液的干燥過程一般可分為預熱階段、恒速干燥階段和降速干燥階段(圖4)[7]。在恒速干燥階段(BC段)，物料表面附著非結合水份，該段的水份干燥去除機理與純水干燥相同，干燥速率取決于物料表面水份的汽化速率。在降速干燥階段(CDE段)，隨著物料表面"干區"的出現，汽化面逐漸向物料內部移動，汽化所需的熱量必須通過已被干燥的固體層才能傳遞到汽化面，干燥速率因傳熱和傳質路徑加長而下降。在干燥后期，干燥速率越來越低，特別是在干燥末期，鹽餅中的水份已基本去除，干燥速率接近于0。

但在鹽塊干燥結晶后期，隨著鹽塊溫度持續上升，會形成局部過熱。廢液鹽分濃縮使廢液粘度增加，容易生成較大的氣泡。如不加以控制，不僅會造成霧沫夾帶惡化，同時還可能引起鹽塊膨脹，影響干燥的減容效果，甚至可能出現鹽塊溢出廢物桶的現象[9]。因此，在桶內干燥過程中應選取合適的干燥終點，一般可通過選擇干燥速率作為干燥終點判斷的依據。

圖4 典型干燥速率曲線Fig.4 Typical drying rate curve

3 結語

蒸殘液桶內干燥工藝能夠實現廢物的減容處理，其處理后的廢物體理化性能良好，拓寬了放射性廢液的處理方式。通過選取合適的蒸發干燥速率和干燥終點，可降低干燥過程中的霧沫夾帶、提升去污效果，還可以實現蒸殘液有效減容和提高經濟性能。三門核電項目實現了桶內干燥工藝處理蒸殘液在國內的首次工程應用，對我國放射性廢物管理水平和廢物最小化技術水平的提升具有重要的推進作用。

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