核電廠用水泥固定配方及設(shè)備研究

鄒利平，周東升，趙 宇，劉夏杰

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518028

放射性固體廢物的處理和處置一直以來都是公眾極為關(guān)注的問題。核工業(yè)和核技術(shù)應(yīng)用設(shè)施的運(yùn)行和退役過程中，會(huì)產(chǎn)生大量不可壓縮固體廢物以及超級(jí)壓縮產(chǎn)生的壓餅等放射性固體廢物。這些放射性廢物具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性，不含易燃、易爆及腐蝕性物質(zhì)。在這些放射性固體廢物中，低放射性固體廢物是主體，約占總體積的90%。

為保證廢物體的整體性能、強(qiáng)度滿足安全運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置的要求，需對(duì)低放固體廢物超壓后產(chǎn)生的壓餅進(jìn)行灌漿固定。現(xiàn)有的水泥固定工藝主要存在以下問題：

(1)灌漿固定配方與設(shè)備的匹配性不好，連續(xù)供料混合器制出的水泥漿不均勻，其中一部分水泥漿的水/水泥比例不足，而另一部分水泥漿的水/水泥比例過大，導(dǎo)致這些水泥漿在桶中難以形成均勻的固化體。

(2)灌漿固定配方本身具有缺陷，流動(dòng)度不夠，水泥漿靜置泌水嚴(yán)重，養(yǎng)護(hù)完成后抗Cl-滲透能力不夠[2-9]。

(3)現(xiàn)有配方使用的水泥為PSB專用礦渣水泥，配方成本很高。本文研發(fā)的設(shè)備和配方解決了上述問題。

1 配方試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)材料及技術(shù)指標(biāo)

為保證最終廢物體的整體性能和整體強(qiáng)度滿足安全運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置的要求，放射性固體廢物水泥砂漿固定配方的28 d抗壓強(qiáng)度需超過60 MPa，并且需要具有較好的抗?jié)B性；為了能適用于現(xiàn)有的工程裝置，保證攪拌后的水泥砂漿很好地在裝置中輸送，需要配方具有良好的流動(dòng)性，流動(dòng)度大于310 mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EJ1186的規(guī)定，確定水泥固定配方的技術(shù)指標(biāo)如表2[1]所示。

表1 試驗(yàn)材料Table 1 Test material table

表2 技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index

1.2 研究不同種類水泥和水膠比對(duì)TEC水泥性能的影響

分別采用華潤PⅡ52.5R、粵秀PO42.5R、粵秀PⅡ42.5R水泥，調(diào)整其水膠比，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同水泥配方性能試驗(yàn)Table 3 Different cement formula performance test

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

(1)不同種類的水泥(P042.5R/PⅡ42.5R/PⅡ52.5R)在水膠比為0.25和0.27時(shí)，抗壓強(qiáng)度和電通量均很高，14 d抗壓強(qiáng)度大于90 MPa，14 d電通量大于7 000 C。

(2)水膠比低，水泥凈漿的保水性好，后置泌水較少，固化體抗壓強(qiáng)度高。

1.3 特種水泥配方試驗(yàn)

根據(jù)1.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，采用粵秀PO42.5R和華潤PⅡ52.5R，與能夠減少電通量和增加水泥漿保水性的添加劑配置特種水泥，水膠比控制在0.25，通過調(diào)整各外加劑摻量，進(jìn)行不同特種水泥的配方試驗(yàn)。為了便于記錄，電通量添加劑用DTLA表示，用于改善水泥凈漿試件電通量特性；流動(dòng)性添加劑用LDXA表示，用于改善水泥凈漿流動(dòng)性；保水性添加劑用BSXA表示，用于改善水泥凈漿保水性，提高凈漿的抗后置泌水性。粵秀PO42.5R水泥用YXC表示；華潤PⅡ52.5R水泥用HRC表示。第一組試驗(yàn)采用粵秀PO42.5R水泥和a1%的DTLA-1和a2%的DTLA-2。第二組在維持總的外加劑配比不變的情況下降低DTLA-1x1%。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電通量值偏大。第三組試驗(yàn)保持a2%的DTL-2不變，減少x1%的DTLA-1同時(shí)增加x1%LDXA-1，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電通量增加明顯，但是水泥漿的泌水減少，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 特種水泥配方試驗(yàn)Table 4 Special cement formula test

通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1)YXC+DTLA-1+DTLA-2的配方體系28 d電通量均小于2000C，對(duì)電通量降低效果的順序依次為：DTLA-1>DTLA-2>LDXA-1。

(2)添加LDXA-1后水泥凈漿后置泌水。

(3)采用BSXA-3添加劑，水泥凈漿的保水性好，靜置無泌水。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果，最終確定特種水泥的配方并進(jìn)行配方試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該配方28天抗壓強(qiáng)度為84.1 MPa，凈漿流動(dòng)度為330 mm，28天抗Cl-離子滲透電通量為947 C滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表5 最終配方及驗(yàn)證試驗(yàn)Table 5 Final formulation and verification test of special cement

2 工程樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備工藝流程

根據(jù)配方要求，設(shè)備需要將一定配比的水泥干料、水和添加劑混合均勻后，通過泵送系統(tǒng)輸送到灌漿固定站對(duì)固體廢物進(jìn)行灌漿固定。根據(jù)設(shè)備的功能要求，確定設(shè)備的工藝流程圖如圖1所示。其具體的流程如下所示。

圖1 設(shè)備工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram for the equipment

(1)首先根據(jù)水泥固定配方要求，設(shè)定好各參數(shù)。干料通過干料存儲(chǔ)倉、按預(yù)定的量輸送到一級(jí)攪拌倉，同時(shí)外加劑和水按照設(shè)定的參數(shù)，先輸送至初混倉，初步混合后進(jìn)入一級(jí)攪拌倉。

(2)在一級(jí)攪拌倉實(shí)現(xiàn)干料、外加劑、水等的初級(jí)攪拌，以上兩個(gè)步驟是同步進(jìn)行的。

(3)完成初級(jí)攪拌以后，進(jìn)入二級(jí)攪拌倉進(jìn)行精細(xì)攪拌。

(4)二級(jí)攪拌完成以后，通過泵送系統(tǒng)輸送至灌漿站。

(5)設(shè)備清洗。切換到清洗模式對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗，除去砂漿管道內(nèi)的泥漿，將清洗物注入TES固化線灌漿固定站位的廢物桶內(nèi)。

(6)拆除清洗。利用各模塊之間的快速拆裝裝置，斷開各單元設(shè)備間的連接管線及電纜，對(duì)設(shè)備進(jìn)行徹底的清洗。

2.2 設(shè)備設(shè)計(jì)

為便于設(shè)備的移動(dòng)及拆分，廢濾芯灌漿固定攪拌裝置采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備功能，將其分為移動(dòng)料斗和攪拌灌漿單元，每個(gè)模塊均可以獨(dú)立移動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)際的工作要求進(jìn)行組合。

2.2.1 攪拌灌漿單元

攪拌灌漿單元集成了添加劑計(jì)量系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)、水計(jì)量系統(tǒng)、水泥干料計(jì)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)(見圖2)。整個(gè)控制系統(tǒng)集成于移動(dòng)灌漿單元的表面，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊，移動(dòng)更加便捷。攪拌灌漿單元主要功能是將水泥料倉里面的水泥以一定的速度輸送，并通過水計(jì)量系統(tǒng)和添加劑計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水和添加劑的精確計(jì)量輸送。最終在攪拌系統(tǒng)將各組分充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笥奢斔捅煤洼斔蜕皾{管連續(xù)的輸送至灌漿站對(duì)固體廢物進(jìn)行灌漿固定。攪拌灌漿單元整體采用移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，方便灌漿作業(yè)，同時(shí)，相比以前的灌漿固定設(shè)備[7]，本設(shè)備采用兩級(jí)攪拌，使得攪拌更加均勻，同時(shí)攪拌灌漿固定單元能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)攪拌連續(xù)出料，保證了灌漿效率。

圖2 攪拌灌漿單元結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of stirring grouting unit

2.2.2 移動(dòng)料斗

移動(dòng)料斗主要用于特種水泥的存放及下料。為了使移動(dòng)料斗能夠通過狹窄的過道門，如圖3所示，料倉整體采用組合分離式結(jié)構(gòu)，分為上下兩部分，上部包括料斗，叉車位、閥門、震動(dòng)電機(jī)、料位傳感器等。下部主要包括四個(gè)滾輪和支架，為上部提供支撐，其中滾輪帶剎車以便灌漿作業(yè)的時(shí)候能夠保證整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)固。料倉與攪拌灌漿單元通過快接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速連接和斷開。

圖3 水泥料斗結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of cement hopper

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 設(shè)備調(diào)試試驗(yàn)

進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)前，先對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，保證各組分出料的精確度滿足現(xiàn)場配方試驗(yàn)的要求。設(shè)備調(diào)試主要包括水泥干料計(jì)量調(diào)試、外加劑計(jì)量調(diào)試、水計(jì)量調(diào)試。

3.1.1 水泥干料計(jì)量調(diào)試

將攪拌灌漿單元的料斗充滿水泥干料后，運(yùn)行5次，每次30 s，稱量每次輸出的水泥干料重量并記錄。求五次計(jì)量的平均值，并將每次測量結(jié)果與平均值進(jìn)行比較，保證出料偏差小于2%。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 水泥出料計(jì)量試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Cement discharge measurement test results

3.1.2 水計(jì)量調(diào)試

接通水源后啟動(dòng)設(shè)備，運(yùn)行5次，每次30 s，稱量每次出重水量并記錄。求五次計(jì)量的平均值，并將每次測量結(jié)果與平均值進(jìn)行比較，保證出料偏差小于1%。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 水出料計(jì)量試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Water discharge measurement test results

3.1.3 添加劑計(jì)量調(diào)試

啟動(dòng)設(shè)備添加劑系統(tǒng)后，運(yùn)行5次，每次30 s，稱量每次輸出的添加劑重量并記錄。求五次計(jì)量的平均值，并將每次測量結(jié)果與平均值進(jìn)行比較，保證出料偏差小于1%。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 添加劑出料計(jì)量試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Additive discharge measurement test results

試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)備的計(jì)量精度較高，滿足配方試驗(yàn)要求。

3.2 現(xiàn)場配方驗(yàn)證試驗(yàn)

完成設(shè)備調(diào)試試驗(yàn)以后，按照以下步驟進(jìn)行配方的現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)：

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備：將水泥料斗裝入干水泥、添加劑罐中加入添加劑，將所有單元設(shè)備移至試驗(yàn)現(xiàn)場，并進(jìn)行定位與連接，鎖定腳輪。

(2)參數(shù)設(shè)定：在就地控制模式下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室取得的水泥配方調(diào)整設(shè)備的工作參數(shù)，待各組分出料均滿足配方要求后固定各工作參數(shù)。

(3)攪拌：啟動(dòng)移動(dòng)灌漿設(shè)備，待出口水泥漿出料穩(wěn)定后，用攪拌完成的水泥漿和試模制作抗壓強(qiáng)度試件和抗Cl-離子滲透試件并同時(shí)進(jìn)行水泥漿的流動(dòng)度試驗(yàn)。

(4)試件養(yǎng)護(hù)：將獲得的抗壓強(qiáng)度試件和抗Cl-離子滲透試件放入恒溫恒濕箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28天完成后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗Cl-離子滲透試驗(yàn)。

(5)對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗Cl-離子滲透試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。配方試驗(yàn)的結(jié)果如表9所示。

表9 現(xiàn)場配方試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Final test of the cement and equipment

4 結(jié)論

(1)配方實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，采用特種水泥配方制作的水泥漿流動(dòng)度為330 mm，粘聚性好，靜置無泌水，用該水泥漿產(chǎn)生的試件養(yǎng)護(hù)28天，抗壓強(qiáng)度為84 MPa，抗Cl-離子滲透為947 C，具有優(yōu)良的物理性能，滿足核電站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的使用要求。

(2)移動(dòng)灌漿設(shè)備的出料精度較高，同時(shí)兩級(jí)攪拌技術(shù)能夠?qū)⑺喙潭ㄅ浞降母鹘M分?jǐn)嚢韪泳鶆颍沟迷O(shè)備具有良好的配方適應(yīng)性。

(3)配方的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用該配方和設(shè)備制作的水泥漿流動(dòng)度平均值大于330 mm，流動(dòng)度良好，粘聚性好，靜置無泌水，用該水泥漿產(chǎn)生的試件養(yǎng)護(hù)28天，抗壓強(qiáng)度為大于75 MPa，抗Cl-離子滲透小于2 000 C，具有優(yōu)良的物理性能。

(4)從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，水泥固定體的強(qiáng)度和抗Cl-離子滲透，試驗(yàn)室結(jié)果要優(yōu)于現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，主要原因在于試驗(yàn)室制備試件時(shí)，攪拌時(shí)間更長，攪拌更加均勻，有利于配方各組分的充分混合。因此設(shè)備研發(fā)時(shí)，要考慮配方物料的充分?jǐn)嚢琛?/p>