放射性廢物測量分揀裝置系統(tǒng)匹配優(yōu)化研究

鄒樹梁，趙 芳1,，王湘江1,

（1.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽 421001；2.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽 421001）

0 引言

針對固體放射性廢物，不同企業(yè)單位對放射性廢物采取分揀的方法措施大都不同，分揀技術(shù)缺乏論證性，沒有形成系統(tǒng)性、全流程的綜合考慮。因此，對放射性廢物分揀技術(shù)開展系統(tǒng)系的研究，科學(xué)合理的進(jìn)行放射性廢物工作，將放射性廢物進(jìn)行合理的貯存、科學(xué)分類和優(yōu)化處理，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

國內(nèi)外把放射性廢物的測量與分揀技術(shù)結(jié)合起來組成一個系統(tǒng)進(jìn)行研究的很少見。白萬春等對高純鍺探測器探測效率方面進(jìn)行了研究[1]。程毅梅對放射性廢物測量的γ掃描算法進(jìn)行了研究[2]。肖文慧等應(yīng)用蒙特卡羅計(jì)算廢物活度方法進(jìn)行了研究[3]。文富平對放射性廢物最小化的分揀技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，證明分揀是廢物最小化的有效措施[4]。

本文針對固體放射性廢物測量與分揀組合成一個系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究。李一鳴對城市客車的動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配與性能仿真[5]。張文超對直流汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究[6]。李靜對卷煙配送中心自動分揀系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究[7]。趙永玲對重型商用車駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化[14]。上述的研究方法都只進(jìn)行系統(tǒng)匹配研究或者優(yōu)化研究，并沒有把兩種研究方法結(jié)合起來應(yīng)用，本文需先對測量系統(tǒng)進(jìn)行線性優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)匹配研究，不僅得到合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且使整個系統(tǒng)相互匹配，發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)簡介

放射性廢物測量分揀系統(tǒng)主要的測量分揀對象為中低放、固體的放射性廢物。將放射性廢物進(jìn)行合理的貯存、科學(xué)分類和優(yōu)化處理，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)放射性廢物的最小化要求。該系統(tǒng)由篩分系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和分揀系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，該總系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 總系統(tǒng)工作流程圖

圖2 一段破碎篩分流程圖

篩分系統(tǒng)主要由破碎機(jī)和篩分機(jī)組成，振動篩與破碎機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)的礫石與土壤處理設(shè)備，且篩分系統(tǒng)技術(shù)成熟。篩分系統(tǒng)采用的是一段式破碎篩分流程，如圖2所示，該流程圖閉路流程，閉路流程比開路流程更具優(yōu)越性，它能保證待篩物料的粒度質(zhì)量，也可以提高篩分機(jī)的利用效率。

測量系統(tǒng)主要是由給料斗，傳送裝置，探測器，屏蔽裝置，機(jī)械擋刀和抑塵裝置組成。該子系統(tǒng)是放射性廢物測量分揀總系統(tǒng)的核心部分。主要對放射性廢物進(jìn)行放射性水平高低的測量，傳送裝置對探測完的放射性廢物進(jìn)行傳送。

分揀系統(tǒng)主要是由輸入料斗，一個電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)傾斜槽和三個固定封閉的輸出斜槽，三個升降傳送帶，三個裝料桶組成。該子系統(tǒng)的主要作用是對探測完的放射性廢物進(jìn)行分揀。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 篩分子系統(tǒng)處理量的數(shù)學(xué)模型

針對某中低放射性廢物的參數(shù)要求，選定振動篩的類型為自定中心振動篩。它的工作原理為充分利用主軸旋轉(zhuǎn)的偏心作用力使篩框作圓周運(yùn)動，該類振動篩篩分效率較高且應(yīng)用范圍較廣，主要可以用在粒度較細(xì)的環(huán)節(jié)，在礦山中，這是屬于中碎或者細(xì)碎之后的物料。再根據(jù)自定中心振動篩的主要技術(shù)參數(shù)初步選定振動篩的型號為SZZ1500SZZ1500×4000。

待探測分揀的放射性廢物的物料特性表如表1所示。

表1 物料特性表

根據(jù)振動篩的主要技術(shù)參數(shù)及物料特性可選定篩孔尺寸為10mm。

振動篩處理量的計(jì)算公式如式(1)所示：

式中：Q為振動篩的處理量，t/h；A為篩面名義面積，m2；為有效篩分面積系數(shù)；單層篩或多層篩的上層篩面，=0.9～0.8；雙層篩作單層篩使用時(shí)，下層篩面=0.7～0.6時(shí)，下層篩面=0.7～0.65；三層篩的第三層篩面，=0.6～0.5；

γ為物料的松散密度，t/m3；q為單位篩分面積容積處理量，m3/（m2h）；K1為給礦中細(xì)粒影響系數(shù)；K2為給礦中粗粒影響系數(shù)；K3為篩分效率系數(shù)；K4為物料種類和顆粒形狀系數(shù)；K5為物料濕度影響系數(shù)；K6為篩分方法影響系數(shù)；K7為篩子運(yùn)動參數(shù)系數(shù)；K8為篩子種類和篩孔形狀系數(shù)。

破碎機(jī)的主要作用是把未能篩分的物料進(jìn)入破碎工序，由于顎式破碎機(jī)的處理物料塊度范圍較大，工序可靠，生產(chǎn)費(fèi)用低等優(yōu)勢，選定破碎機(jī)的類型為復(fù)擺式顎式破碎機(jī)，再根據(jù)其主要技術(shù)參數(shù)和振動篩的篩孔尺寸初步選定破碎機(jī)的型號為PE-150×250。

復(fù)擺式顎式破碎機(jī)生產(chǎn)能力可按式(2)計(jì)算：

式中：q為標(biāo)準(zhǔn)條件下（開路破碎容積密度為1.6t/m3d的中等硬度物料）的單位出料口的寬度的生產(chǎn)能力；e為破碎機(jī)出口寬度，mm；K1為物料易碎性系數(shù)；K2為物料容積密度修正系數(shù)，K2=ρ/1.6；K3為進(jìn)料粒度修正系數(shù)。

2.2 測量子系統(tǒng)的初步計(jì)算模型

當(dāng)物料通過篩分系統(tǒng)的篩分進(jìn)入測量系統(tǒng)后，首先由給料斗容納待探測的放射性廢物，再通過給料斗均勻平穩(wěn)的將物料送至傳送帶上，傳送帶以一定的速度勻速傳送。根據(jù)該子系統(tǒng)工作狀態(tài)的需求，給料斗選擇慣性平旋型振動給料斗，它的的主要功能是破拱與給料，其破拱助流的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于專的其他破拱助流裝置。有主要技術(shù)參數(shù)初步選定慣性平旋型振動給料斗的型號為GD06PA。

振動給料斗的最大給料量的計(jì)算公式如式(3)：

式中：d0為排料口直徑；V為排料口排料速度；ρ為物料堆密度；為充滿系數(shù)，振動充分時(shí)，中心出料（V型）=1.0；邊出料（Y型）：斜槽封閉時(shí)=0.4～0.7，敞開時(shí)=0.7～0.9。

中心出料（V型）振動給料斗的給料速度V(m/s)：

式中：λ給料系數(shù)，對一般干顆粒或粉狀顆粒，取0.55～0.65；對一般干燥大顆粒或塊狀物料，取0.3～0.5；對一般潮濕粒狀、粉狀物料，取0.2～0.25。一般粘度過大等難卸物料，取值要適當(dāng)降低。d0為排料口直徑（m），dk為無聊顆粒直徑（m）。

邊出料（Y型）振動給料斗給料速度V(m/s)：

式中：L為Y型底長（m）；α0為Y型傾角（°）；fo為物料內(nèi)摩擦系數(shù)；fi為物料外摩擦系數(shù)；K為活化系數(shù)，一般K=0.25～0.5，難卸物料取大值。

振動給料斗在均勻送料后，放射性廢物在傳送帶上以一定的速度V（可調(diào)）平穩(wěn)的傳送，同時(shí)通過輻射探測器的探測，判斷該段廢物物料放射性水平的高低。

本文選用的是高純鍺（HPGe）γ輻射探測器，針對的是放射性核素137Cs標(biāo)準(zhǔn)源的放射性水平的測量。137Cs標(biāo)準(zhǔn)源活度為33400Bq，能量范圍：100keV～1000keV。

HPGe探測器的探測效率定義公式如式(6)：

式中：η為探測器效率；Ns為γ射線的全能峰總凈計(jì)數(shù)；A為標(biāo)準(zhǔn)源活度；Iy為分支比；t為測量時(shí)間。

HPGe探測器的探測效率與γ能量、探測器的探頭到放射源的探測距離（探測距離的變化不影響探測器對放射性廢物面源的探測）有關(guān)，根據(jù)曲線參數(shù)擬合得到擬合函數(shù)關(guān)系式如式(7)所示。

式中：η為探測器效率；Er為γ能量（keV）；d為探測距離(mm)。

2.3 模型計(jì)算及結(jié)果分析

分析探測效率的計(jì)算公式(7)可以得到探測效率隨γ能量和探測效率d的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同探測距離對應(yīng)的高純鍺探測效率

由圖1可得出結(jié)論：1）探測效率的函數(shù)曲線隨γ能量的增加接近指數(shù)函數(shù)逐漸減少；2）探測效率值隨探測距離的增大而減少，探測效率的曲線特征不隨探測距離的變化而變化。

整個探測系統(tǒng)過程中的處理量的計(jì)算公式如下列式：

式中：Q為處理量（Kg/s）；m為待探測土壤質(zhì)量（g）；t運(yùn)為土壤在傳送帶上運(yùn)行的時(shí)間（s）；ρ為土壤密度（g/mm3）；L1為探測裝置的長度（mm）；L2為探測裝置的寬度（mm）；T為土壤厚度；L為土壤在傳送帶上運(yùn)行的總長度（mm）；v傳為傳送帶速度；t為探測時(shí)間；公式中的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

由式(6)～式(11)式可得處理量的計(jì)算公式如式(12)所示。

首先在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，不考慮Er的變化影響，設(shè)定Er=662keV。當(dāng)給定待探測土壤的厚度時(shí)，處理量隨探測距離的變化曲線如圖4所示。當(dāng)給定探測距離時(shí)，處理量隨土壤厚度變化曲線如圖5所示。

由圖2可以定性判斷得出處理量隨探測距離的增大而接近對數(shù)函數(shù)減少；探測土壤的厚度的變化不影響處理量曲線變化的特征。圖3可得出處理量隨土壤厚度的增大而增大，曲線呈線性變化；探測距離的變化不影響處理量曲線的變化特征。

3 線性優(yōu)化和系統(tǒng)匹配

3.1 測量系統(tǒng)處理量的線性優(yōu)化

1）目標(biāo)函數(shù)

測量系統(tǒng)的處理量是單位時(shí)間處理放射性土壤的質(zhì)量，分析各參數(shù)之間的關(guān)系，得到測量系統(tǒng)處理量與探測距離、放射性土壤厚度和γ能量之間的關(guān)系呈線性關(guān)系，可簡化為：

圖5 不同探測距離對應(yīng)的處理量

2）約束條件

放射性土壤的厚度的取值范圍。分析放射性土壤的厚度對探測器效率的影響較小，當(dāng)土壤厚度增加時(shí)，提高了測量系統(tǒng)的處理量，但放射性土壤厚度過厚會影響土壤在傳送帶上的傳送，綜合分析得：0＜T≤160（mm）。

探測距離的取值范圍。探測距離的變化直接影響探測器的探測效率，探測距離越大，探測效率就越小，所以探測距離不可過大。當(dāng)探測距離過小時(shí)，盡管會提高探測效率和處理量，但探測器的前端會與土壤表面很接近會影響探測器的表面，所以，5≤d≤50（mm）。

γ能量的取值范圍。根據(jù)高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)，適合探測γ能量的范圍為：100≤Er≤1200（keV）。

3）線性優(yōu)化

測量系統(tǒng)處理量的最大值為線性目標(biāo)，由約束條件應(yīng)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)求出最值。

計(jì)算得出Qmax=24.7637(t/h)，對應(yīng)的T=160mm，d=5mm，Er=100keV。

3.2 系統(tǒng)匹配

根據(jù)選擇振動給料斗的型號GD06PA，各參數(shù)如表3所示，得到給料速度為0.45（m/s），振動給料斗的最大處理量為171.77（t/h）。振動給料斗的處理量遠(yuǎn)大于探測系統(tǒng)的處理量，所以振動給料斗的選型與系統(tǒng)匹配不符，需對振動給料斗的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，相關(guān)參數(shù)如表4所示，計(jì)算出邊出料的給料速度為0.254（m/s），振動給料斗的處理量為30.16（t/h），它與探測系統(tǒng)的處理量相匹配，設(shè)計(jì)合理，滿足要求，最后確定振動給料斗的型號為GD06PBY。

根據(jù)振動篩的型號為SZZ1500×4000，結(jié)合振動篩處理量的計(jì)算公式(1)，相關(guān)參數(shù)如表5所示，計(jì)算得出該處理量為60.22（t/h），振動篩的處理量是振動給料斗處理量的近2倍，所以篩分系統(tǒng)與振動給料斗匹配不合理，需對振動篩相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，經(jīng)分析可知，把振動篩的工作面積改為3.13m2，在不影響參數(shù)K7的取值的條件下，即2nr（r是篩子的振幅，n是篩子軸的轉(zhuǎn)速）乘積值不變的情況下，振動篩的精確選型為自定中心振動篩SZZ212501250×2500，有該型號計(jì)算振動篩的處理量為31.41（t/h），它能夠與振動給料斗的處理量相互匹配。

表3 V型振動給料斗參數(shù)表

表4 Y型振動給料斗參數(shù)表

表5 振動篩處理量的相關(guān)參數(shù)表

根據(jù)顎式破碎機(jī)計(jì)算式(2)得出其處理量為2.953125（t/h），而振動篩處理量只能對原物料的80%進(jìn)行篩分，所以剩余7.8525t/h的處理量需要顎式破碎機(jī)破碎，應(yīng)對破碎機(jī)進(jìn)行再次選型，型號為PE-250×400，該型號的處理能力在3～13（t/h），破碎機(jī)滿足與振動篩處理量的匹配。

4 結(jié)論

通過分析高純鍺探測器的探測效率與γ能量和探測效率的關(guān)系，得出測量系統(tǒng)的處理量與土壤厚度、探測距離和γ能量的準(zhǔn)確關(guān)系式。根據(jù)各子系統(tǒng)處理量之間相互匹配，得到合理化的放射性廢物測量分揀系統(tǒng)。應(yīng)用MATLAB編程對測量系統(tǒng)處理量進(jìn)行線性優(yōu)化，得到測量系統(tǒng)處理量的最值及對應(yīng)參數(shù)的取值，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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