某核電廠放射性廢物環(huán)保處理探析

上海維納控制系統(tǒng)有限公司 邱海峰

一、前言

廢樹脂、廢濾芯、濃縮液、干廢物和廢通風濾芯等通常是核電廠生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的主要廢物。由于核電廠的特殊性，核電廠產(chǎn)生的廢物中往往具有放射性，其中最為突出的就是放射性廢樹脂。核電廠廢樹脂通常產(chǎn)生于反應堆回路的冷卻系統(tǒng)、凝結水凈化系統(tǒng)以及其他的凈化系統(tǒng)，由于以上系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中都需要用到離子交換樹脂，作廢后的離子交換樹脂則稱為放射性廢樹脂，其主要成分為苯乙烯及二乙烯苯交聯(lián)聚合物，結構較為穩(wěn)定以至于其很難被改變物理化學形態(tài)。核電廠中的放射性廢樹脂產(chǎn)生量大、比活度高，一直是行業(yè)內(nèi)專家學者中重點關注的問題，做到對該放射性廢物的管理也是行業(yè)內(nèi)一個難點，包括但不限于預處理、處理、貯存、運輸以及末端處置等方面的管理也是亟須改進的方面。本文結合筆者項目經(jīng)歷，重點針對某核電廠中的放射性廢樹脂的輸送和后端處理工藝進行探討，以期為放射性固廢的處理提供一定的參考價值。

某核電廠布置兩臺600MW的發(fā)電機組，機組正常運行情況下產(chǎn)生的各類廢物統(tǒng)一在核廢物廠房進行處理，處理段包括廢物接收和處理區(qū)、固體廢物暫存庫、特種洗衣房等功能區(qū)，還包括衛(wèi)生出入口和進排風機房等配套設施。根據(jù)企業(yè)運行過程中的廢物臺賬，每年需要處理的廢樹脂量約為23m3。

二、放射性廢樹脂環(huán)保輸送工藝

項目廢樹脂負壓輸送工藝中包括接收工藝和卸載工藝，本文通過模擬試驗來驗證廢樹脂負壓輸送工藝中的可行性。

試驗主要使用材料為1噸核級離子樹脂GRAVER GR 3-9和2噸自來水。主要設備為廢樹脂中轉罐真空泵、循環(huán)泵等。如試驗結果能夠滿足負壓輸送性能要求，不出現(xiàn)管路堵塞，不出現(xiàn)跑冒滴漏。

（一）廢樹脂負壓輸送工藝

1.接收部分

模擬核島廢樹脂中轉罐（1.5m3）→模擬核島廢樹脂運輸設備槽車。采用IBC桶來模擬廢樹脂的接收槽，通過管道連接至廢樹脂中轉罐。IBC桶內(nèi)部按照試驗要求配置固定比例的樹脂混合物（比例分別為：100%樹脂，80%樹脂，60%樹脂）。將廢樹脂中轉罐內(nèi)壓力抽至-0.08MPa，打開進液閥門，將IBC罐中的樹脂在負壓的作用下輸送至中轉罐中，打開攪拌槳，實現(xiàn)中轉罐內(nèi)的廢樹脂和水的混合。通過軟管，將中轉罐底部出口與模擬槽車進口的快速接口相連；通過模擬槽車的控制面板，將槽車內(nèi)的壓力抽至-0.08MPa。分別打開中轉罐（罐1）和槽車罐（罐2）的出口閥和進口閥，將罐1內(nèi)的樹脂輸送至罐2，此時觀察到罐2的壓力升高，升高至常壓時，重復步驟上述步驟。并記錄輸送停止壓力以及輸送次數(shù)。觀察罐1內(nèi)的液面變化情況，待罐1內(nèi)的樹脂輸送完畢時，通過罐1 的控制面板，關閉罐1的攪拌機和出口閥；通過罐2的控制面板關閉罐2的進口閥。

2.卸載部分

模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂運輸設備槽車→模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂中轉罐（1.5m3）→模擬放射性廢物處理廠房廢樹脂接收槽。將模擬槽車罐（罐2）底部出口與中轉罐（罐3）的上部進口相連接，并固定牢固；啟動真空泵將中轉罐內(nèi)壓力抽至-0.08MPa左右；通過負壓作用將槽車（罐2）內(nèi)的樹脂輸送至中轉罐（罐3）內(nèi)，觀察管道內(nèi)樹脂輸送情況，直至樹脂完成輸送，并記錄輸送次數(shù)以及泄壓情況；樹脂完全輸送至中轉罐（罐3）內(nèi)后，循環(huán)攪拌中轉罐（罐3），當純樹脂（樹脂含量100%）時，通過打開進清洗水閥門，抽取一定量的清水（按照樹脂和水的比例為6：4的量吸入清水）；將中轉罐（罐3）內(nèi)的樹脂輸送至IBC桶，至罐內(nèi)樹脂輸送完成，并記錄管道樹脂輸送情況。

接收和卸載流程具體如圖1所示。

圖1 廢樹脂環(huán)保接收與卸載工藝

（二）試驗結果

IBC桶到廢樹脂中轉罐輸送，第一次抽取樹脂大概抽取量在20cmIBC桶的高度，且泄壓到-30kpa，后續(xù)繼續(xù)抽取-80kpa的真空，由于進空氣嚴重，經(jīng)過多次的抽取，完成IBC桶到罐1的樹脂輸送。廢樹脂中轉罐（罐1 ）到模擬槽車（罐2）可單次完成輸送，模擬槽車（罐2）到廢樹脂卸載中轉罐（罐3）也單次完成輸送。上述試驗中若采用0.7t的樹脂約（0.627立方）和0.42立方的水同時輸送，完成輸送后，罐1進清洗水清洗，通過抽取真空、打開罐1進清水閥，抽取一定量的清水后，經(jīng)過攪拌后，從罐1輸送至罐2，輸送過程中觀察管道，未見明顯的樹脂；罐1的清洗水進入罐2后，開啟攪拌后，從罐2輸送至罐3，輸送過程中未見明顯樹脂，各個工序均較好地完成接收卸載工序。若采用純樹脂輸送，也可完成輸送，但是最終清洗罐子和攪拌器時會發(fā)現(xiàn)罐子內(nèi)部和攪拌器槳葉上會留有樹脂的殘渣，需用清洗水清洗后才能排往下游。實驗記錄過程如圖2。

圖2 試驗記錄過程

（三）分析討論

由以上結果可知，負壓輸送流暢，管道不會堵塞，說明了負壓輸送的可行性，純樹脂（100%樹脂）輸送時，罐子內(nèi)壁會存在樹脂的留存（罐子沾附），清洗水清洗后可達到完全輸送。當80%和60%樹脂輸送時，可做到清洗水沖洗罐體時，未明顯發(fā)現(xiàn)樹脂的留存，IBC桶的樹脂進入中轉罐時，混有大量的空氣進入罐子，故會需要多次地真空輸送，當中轉罐的樹脂輸送至模擬槽車罐時，可順利地在-0.08MPa的真空壓力下完成樹脂的輸送。

三、放射性廢樹脂環(huán)保處理

（一）不同處理工藝對比

調研國內(nèi)外針對放射性廢樹脂的處理工藝較多，各個工藝也具有不同的優(yōu)缺點，常用的處理技術主要為水泥固化、玻璃固化、熱態(tài)壓實、桶內(nèi)干燥、焚燒以及蒸汽重整等，不同的工藝具有不同的優(yōu)缺點，本文主要對比熱態(tài)壓實、瀝青固化以及焚燒技術等處理工藝。

1.熱態(tài)壓實

熱態(tài)壓實技術是從德國引進的一種放射性廢樹脂處理技術。該技術處理前需要使用到錐形干燥器對廢樹脂進行預處理，主要是干燥脫水，然后再熱態(tài)超壓，后期采用水泥固定。此技術最大的優(yōu)點就是能夠很好地對放射性廢物起到減容的作用。缺點在于樹脂干燥前需先經(jīng)過研磨處理，干燥過程中要添加添加劑，處理成本較高、設備工藝復雜。

2.瀝青固化技術

瀝青固化技術是使用最早、最為成熟的一種放射性廢物處理技術。該技術由最早的直接處理放射性濃縮液發(fā)展成為將廢樹脂研磨后與融化瀝青混合，從而起到固化的作用，具有較好的減容效果，可將廢物減少至原來的0.75倍，該技術應用廣泛，其最大的確定就是具備火災風險。由于此技術在處理過程中含有大量的氧化劑，因此容易發(fā)生火災，現(xiàn)階段已較少采用。

3.焚燒技術

放射性廢樹脂具有一定的可燃性，可以通過焚燒來進行處理，但由于廢樹脂中熱值不高，因此，針對放射性廢樹脂的焚燒應該與其他可燃物一并處理。將焚燒技術應用到放射性廢樹脂中最大的亮點就是能夠很好地起到減容效果，但由于焚燒會產(chǎn)生一定的焚燒灰，并不能完全去除放射性，因此，后續(xù)還需結合固化技術來進行處理。此技術最大的優(yōu)點就是能夠實現(xiàn)減容化、無機化，針對放射性較低的物質應用效果較好，但整體比較下具有較高的建設成本，一般不推薦使用。

（二）項目放射性廢樹脂處理工藝

本項目放射性廢樹脂處理工藝重點結合前端的輸送工藝，根據(jù)前端的負壓輸送工藝驗證，可最大限度地減少管道堵塞的風險，也可減少設備管道間的泄漏點，同時可大大降低輸送過程中水的占比，減少后端錐形干燥器需要烘干的游離水。后端工藝直接采用錐形干燥器烘干裝桶的工藝，樹脂輸送至錐形干燥器后直接烘干，沒有烘干前的研磨要求，也沒有烘干過程中添加劑的添加要求。烘干完成后直接裝200L鋼桶封蓋，再將200L鋼桶裝入混凝土HIC容器內(nèi)進行水泥固定后長期貯存。核心設備錐形干燥器設有樹脂入口、排氣口等，內(nèi)部設置懸臂螺旋式攪拌器。設備外表面設置導熱油管路，通過外部熱油單元加熱導熱油，導熱油將熱量傳遞給錐形干燥器表面，最終使錐形干燥器內(nèi)部的樹脂蒸發(fā)烘干。同時，導熱油管道和錐形干燥器外表面均設置一定厚度的巖棉保溫層，防止熱量的損失。

將需要處理的放射性廢樹脂計量和用錐形干燥器烘干后裝入200L鋼桶并封蓋，封蓋后的200L鋼桶送到核廢物廠房固體廢物暫存庫，在暫存庫的廢物桶劑量檢測間進行檢測后，用吊車運往暫存庫灌漿區(qū)裝入HIC后暫存，具體處理工藝如圖3所示。

圖3 核電廠廢樹脂處理工藝及處理效果

由圖3可知，最終烘干后樹脂內(nèi)部含水量小于4%（質量比），該錐形干燥器對樹脂的平均處理能力大于40L/h，烘干后的廢樹脂裝HIC容器后可滿足處置場長期貯存和接收的要求。

四、結束語

核電廠廢樹脂作為放射性廢物管理的一個難點，一直得到行業(yè)內(nèi)專家學者的重點關注。廢樹脂的輸送和處理工藝對實現(xiàn)放射性廢物無害化處理將至關重要，本文通過對某核電廠放射性廢物進行模擬試驗來驗證廢樹脂負壓輸送工藝中的可行性，并且設計了錐形干燥器烘干裝桶的處理工藝，試驗效果較好，具有可實踐性。