核電廠放射性廢液移動式處理裝置工藝及布置優化

李虹羽　廖能斌　任力　張思銳　耿忠林

摘 要：本文主要介紹了一套以離子交換工藝處理為主工藝放射性廢液移動式處理裝置的工藝設計及不同的布置方式，分析了不同處理工藝及布置情況下設備處理廢液的優缺點。以期為放射性廢液移動式處理裝置的工藝研究和布置優化提供參考和借鑒。

關鍵詞：放射性廢液;移動式;工藝設計;布置優化

根據國標《核電廠放射性液態流出物排放技術要求》（GB14587-2011）和《核動力廠環境輻射防護規定》（GB 6249-2011）要求，濱海核電廠排放的放射性廢液，除H-3、C-14外的其他放射性核素的排放濃度上限值為1000Bq/L;而內陸核電排放的相應濃度上限值則為100Bq/L。因此核電廠設置了相應的放射性廢液的凈化處理系統，以解決廢液的處理和達標排放問題。

在目前我國新建和在建核電廠中，移動式處理裝置作為放射性廢液固定式處理方式的補充，已經獲得較為廣泛的應用。移動式處理系統不僅可靈活解決核設施運行、退役、科研過程中產生的放射性廢水處理問題，減少固定裝置的重復建設，同時還可以用于核事故過程中的放射性廢水的應急處理。

與固定式廢液處理設備相類似，移動式處理裝置需要根據待處理的放射性廢液的物理和化學特性和處理指標要求，對其處理工藝流程進行設計。目前移動處理裝置所采用的主要工藝組合可以分為三大類，分別以離子交換處理技術、蒸發處理工藝、膜處理工藝為主。相對于膜處理工藝和蒸發處理工藝，采用離子交換處理工藝為主的移動式處理裝置具有工藝簡單，操作靈活，安全性高，適應性強，能耗低效率高且系統設備便于車載集成等優點。核電站應用離子交換處理工藝的移動處理設備也相對較為廣泛，其工藝流程如下圖1所示：

1 設備工藝設計及布置優化

移動式處理裝置需利用運輸車輛實現運移，并整體設置于標準集裝箱內，由于安裝空間有限，不可避免帶來維護檢修空間小的問題。為了克服以上缺點，可針對設備工藝和整體布置進行一定程度的優化設計。

1.1 工藝方面

離子交換處理工藝組合主要包含過濾+離子交換，過濾主要為活性炭深床過濾，必要時可使用沸石填料。通過前端的過濾/吸附作用去除廢液中大量雜質及顆粒物以及部分離子，凈化前端來水水質，并部分提高后端離子交換容量。離子交換主要為陰、陽離子交換樹脂，通過離子交換的作用去廢液中的大部分放射性核素。放射性廢液通過1級或多級活性炭柱、沸石柱，之后進入2～4級離子交換柱。根據需要處理的放射性廢液的物理、化學參數及放射性活度濃度，結合處理效率等確定過濾柱、離子交換柱數量和選型特征。確保放射性廢液通過多級過濾和離子交換后可以達到排放標準。

某濱海核電站的移動式處理裝置要求通過“活性炭過濾+沸石過濾+H/OH型兩級混床樹脂離子交換”的處理工藝處理二回路放射性廢水，處理速率達到4～6m3/h。并且根據輻射屏蔽要求，集裝箱屏蔽后表面劑量率要求不超過2mSv/h，1m處表面劑量率不超過0.1mSv/h。

通過必要的設計計算，設計制作了一套冷試裝置，利用模擬廢液對原理樣機試驗臺架的性能、移動式處理裝置的工藝流程和介質對核素的去污能力進行試驗驗證。冷試裝置工藝流程為移動式處理裝置工藝流程的簡化流程，冷試裝置詳細工藝流程如圖2所示：

本套冷試裝置按照交換床負荷比同比放大，即保持小設備與大設備的設備負荷SV（空間速度）值相等，即兩者具有相同的接觸時間，在維持大設備與小設備具有相同的幾何形狀，相同的高徑比（H/D）的條件下，對裝置進行幾何縮小。根據計算，冷試裝置的處理能力約為256L/h。在原水箱中配置模擬的廢水試劑，進行冷試試驗。經過試驗，驗證了該套設備工藝流程合理。并且通過實驗得出，樹脂對碘、銫、鈷幾種核素的去污能力較高，整套冷式裝置的對模擬廢液的綜合去污性能較好。

1.2 整體布置

根據該移動式處理裝置的性能指標要求，針對該套放射性移動式處理裝置進行了工藝流程優化設計。該移動式處理裝置布置于標準集裝箱并固定于配套掛車上。集裝箱內包含介質床、相應的管道閥門等工藝設備以及儀表，取樣箱，照明，控制柜等配套設備。為保證凈化效率和處理能力，通過計算介質床尺寸較大，但可確保待處理廢液的流速和流量。為優先考慮在有限空間中介質床的合理布置，在綜合考慮設備檢修、操作的可達性、方便性、以及設備重心等因素，對工藝管道、閥門以及配套設備的布置進行優化設計，同時考慮提升自動化程度高和簡化操作。運行時除取樣和更換介質外，其余操作均實現遠距離操作。

介質床體的布置可以按照集裝箱兩端布置或者中間一字型排列布置等兩種方式。但兩種不同的布置方式，都會影響到管道，閥門以及配套設備的布置，同時對屏蔽方案的設計帶來影響。以下是兩種不同布置方式的三維示意圖：

以上兩種布置放射都包含了放射性廢液處理所需的介質床、管件、屏蔽設施、儀表以及電控設備、照明設備、取樣設備和介質添加設備。在外部有水電氣供給情況下，可以獨立的完成對放射性廢液的處理。兩種布置方式各有優缺點。

1.2.1 介質床兩端布置方式（如圖3所示）

活性炭床、沸石床布置在集裝箱尾端，兩臺樹脂床靠車頭布置，管道、儀表等布置在集裝箱中部，并且集裝箱中部留有檢修空間。所有工藝接口都在集裝箱一側，方便運行操作。中部開兩扇檢修門，方便檢修及日常維護。根據輻射屏蔽要求，輻射屏蔽設施分別設置在活性炭床/沸石床外部和兩臺樹脂床外側。集裝箱內設備整體重心位置受四臺介質床的分布位置影響較大。這種布置方式的優點是集裝箱內部操作空間比較充足，方便日常檢修，維護，缺點是設備內管道布置較為復雜，管線較長，彎頭較多，介質進出時堵管的概率增加。

1.2.2 中間一字型排列布置方式（如圖4所示）

從車尾到車頭一字型分別布置活性炭床、沸石床、兩臺樹脂交換床。四臺介質床采取整體屏蔽的方式。介質管道和廢液進、出管道等布置在屏蔽設施兩側，儀表基本靠集裝箱尾端布置，所有工藝接口以及取樣箱布置在集裝箱尾端，方便運行操作。電儀控制柜主要布置在集裝箱前端。管道與閥門執行器較多的一側需在集裝箱側面開門。這種布置方式的優點是集裝箱內的介質輸送管線布置簡單，彎頭少，裝卸介質時堵管概率低。不足之處是日常檢修、維護時，集裝箱內部操作空間比較狹小，必要時需要通過開集裝箱側面門進行檢修操作。

需要注意的是集裝箱側面開門后對集裝箱結構強度有一定影響，需要對集裝箱進行結構加強等處理。

2 結語

根據評估，這兩種布置方式都具有布置緊湊、功能完善的特點，同時又各有優缺點，可以根據需求進行選擇。當床體的數量有變化時，工藝流程有變化時，可以根據具體的情況再進行優化和調整，使整個布置達到一個較為優化的狀態，這樣可以讓設備操作、維護都更加方便。同時，冷試試驗驗證了整套設備工藝流程的合理性以及對廢液中主要放射性核素的去污性能，為后期設備加工制造及熱試提供了相應的參考條件和參數。

參考文獻：

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