熱解灰水泥固化處理工藝的揚塵抑制優化

張志勇

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

中核集團某廠建有一條放射性熱解灰水泥固化線，接收TBP/OK 熱解焚燒后產生的桶裝熱解灰進行水泥固化處理。固化線原設計為200L 開放式雙螺旋桶內攪拌固化線，由上游設施卸灰裝桶封蓋后，運輸到水泥固化線，還需要再開蓋，插入攪拌槳進行攪拌固化。由于TBP 熱解灰粒徑細，卸灰、攪拌過程中極易彌散，結合上、下游工藝，將200L 雙蓋密封固化桶改為400L 棄槳式固化桶，整桶為密閉結構，只保留熱解灰、水泥和水的進入孔道。為適配該工藝，該固化線進行了相應改造，將原工藝改為400L 棄槳式桶內攪拌工藝。

通過改造后的系統冷調試，發現固化桶在加水、加水泥和攪拌過程中存在熱解灰和水泥粉塵彌散出固化桶，造成工作箱污染的問題。同時，現有紅區排風過濾裝置無法完全過濾熱解灰。由于熱解灰粒徑很細，具有較高的彌散性，且α 活度濃度較高，因此存在通過排風系統進入環境的風險。為此需要對上述問題進行分析，提出優化改進措施，以消除潛在風險。

1 固化線布置及工藝流程

熱解灰固化線工作箱為密封式工作箱，分為加水、固化攪拌和劑量監測等工位。在攪拌工位安裝有一套視頻對位攪拌裝置，裝置上集成了水泥下料管和固化桶排氣管，將固化桶排氣引入攪拌工位紅區排風管；在加水工位設置有加水軟管和機械手；在工作項頂部設置有水泥、水的計量和加入系統；在工作箱3 個工位分別設有排風管，3 根排風管出工作箱后并聯，經一道就地初效過濾器后排入廠房紅區排風系統，最后經過廠房排風過濾系統二次過濾后高架排放。固化線布置如圖1 所示。熱解灰固化線初始設計為200L 開放式桶內攪拌固化工藝。其工作箱為密封式工作箱，分為加水泥、劑量檢測和攪拌3 個工位。初始設計主要工藝流程如下：裝好熱解灰的200L 固化桶進入固化工作箱，將規定的水泥、料液和添加劑加入廢物桶，插入螺旋攪拌槳進行攪拌混合，攪拌均勻后進行固化桶封蓋、表面污染檢測和去污，再移出工作箱至養護工位[1]。

圖1 固化線布置圖

結合上游設施TBP/OK 熱解灰下灰工作箱內同樣存在粉塵彌散問題和在熱解灰水泥固化線還涉及再次開蓋攪拌問題，該文對固化桶桶型進行了改進。將原200L 開放式桶內攪拌工藝改為400L 棄槳式桶內攪拌工藝。棄用了原設計水泥下料裝置，在原攪拌工位新增了一套視頻對位攪拌裝置，將水泥下料口集成在攪拌裝置上。同時在裝置上設計了固化桶排氣管，將固化桶排氣引入原攪拌工位紅區排風管。將原劑量監測工位改為加水工位，增加一套輥道裝置用于固化桶的輸送。改造后的系統布置如圖1 所示。

固化線采用的400L棄槳式固化桶外形與國標標準廢物桶一致。頂部為雙層密封蓋，外層為密封大蓋，里層依次排列排氣口、攪拌軸花鍵槽和加料口，桶內部為螺旋狀的攪拌槳和傳動軸。固化桶內部結構和頂部結構如圖2 所示。

圖2 400L 棄槳式固化桶內部結構和頂部結構圖

固化工藝流程如下：固化桶通過輥道進入工作箱，在加水工位利用機械手取下內蓋，并將水管塞入固化桶加料口進行加水。加水完畢后固化桶轉移至攪拌工位。對位攪拌裝置通過機械視覺原理識別固化桶的頂部口蓋位置，然后裝置主體下降與固化桶進行對接（其中水泥下料管與加料口對接，排氣管與排氣口對接），再進行下水泥攪拌。攪拌完成后，回到加水工位并封上內蓋，最后退出工作箱并封上外蓋。

2 存在的問題

在固化線冷調試過程中發現系統存在嚴重的揚塵問題。一是在加水過程中，熱解灰從加料口和排氣口逸散出固化桶，進入工作箱，造成工作箱的污染。同時逸散的熱解灰和攪拌工位固化桶排氣中的熱解灰經工作箱排風管進入廠房紅區排風系統，存在通過排風系統排入環境的潛在風險。二是在加水泥過程中，水泥灰從加料口和排氣口對接處冒出，造成攪拌工位局部粉塵彌漫，嚴重遮擋觀察視線。經檢測，工作箱內粉塵濃度最高達到了15.9mg/m3，超過了國家規定的一般工作場所粉塵濃度不得超過10mg/m3的限值要求。

3 原因分析

一是在加水工位無固化桶排氣裝置，在加水過程中固化桶加料口和排氣口為敞開狀態。水箱安裝在工作箱頂部較高位置，水流流速和壓力較大，加水過程中的水流沖擊會對桶中的熱解灰造成擾動。由于熱解灰粒徑很細（約0.1μm～0.3μm），受到擾動的熱解灰從加料口和排氣口逸出，污染工作箱并進入工作箱的排風系統。工作箱排風系統的過濾效率為99.9%（0.5μm），雖能有效過濾水泥灰（水泥粒徑約為7μm～200μm），但不能完全過濾熱解灰，因此存在熱解灰排入環境的潛在風險。

二是固化桶由不同廠家供貨，其高度尺寸存在一定誤差（最高誤差可達5mm～8mm）。由于視頻對位攪拌裝置的安裝位置和下降位置已固定（根據標準固化桶高度1135mm 設計），對位攪拌裝置主體下降到位后，與固化桶之間的密封主要依靠設立在加料口和排氣口的密封圈進行密封，由密封圈上部的彈簧施加壓力，將密封圈緊扣在固化桶口蓋上實現密封。當固化桶高度低于1135mm 較多時，對位攪拌裝置就無法與固化桶緊密對接，導致加料口和排氣口密封不嚴。對位攪拌裝置與固化桶對接及密封示意圖如圖3 所示。

4 優化改進

通過分析，造成上述問題的主要原因是固化桶中的粉塵在加水、加水泥和攪拌過程中的粉塵彌散。要解決該問題就必須采取措施降低和抑制在加水、加水泥和攪拌過程中的揚塵，同時實現固化桶與工作箱之間的隔離，防止粉塵直接逸散至工作箱。

4.1 增設固化桶排氣過濾裝置

為實現固化桶與工作箱之間的隔離，需要設立固化桶排氣過濾裝置，在加水工位和排氣工位實現對固化桶的獨立排氣，使固化桶中的粉塵不會逸散至工作箱中，以徹底消除熱解灰經廠房紅區排風系統進入環境的風險。上文提到在加水工位無固化桶排氣裝置，在加水過程中固化桶加料口和排氣口為敞開狀態。因此在加水工位增設一套取封蓋裝置，在裝置上集成加水和排氣功能。該裝置結構和運行原理與對位攪拌裝置基本相同。裝置與固化桶對接后，排氣管與固化桶排口對接，加水管與固化桶加料口對接，通過管口的密封裝置進行密封。

該固化桶排氣過濾裝置安裝在工作箱頂部，在攪拌工位和加水工位設2 路排氣管，分別與對位攪拌裝置和取封蓋裝置的排氣管對接，2 路排氣管并聯后經過新增2 級過濾后進入廠房紅區排風系統。固化桶排氣裝置建立示意圖如圖4 所示。

圖4 固化桶排氣過濾裝置示意圖

固化桶排氣過濾裝置設2 級過濾器。其中一級采用布袋式粉塵過濾器，二級采用燒結金屬過濾器。布袋式過濾器主要依靠含塵氣流通過過濾介質來達到截留粉塵的目的。該工程采用的布袋過濾器過濾精度為5μm，主要用于過濾水泥灰。燒結金屬過濾器主要是利用金屬粉末之間的間隙形成的微小孔隙進行過濾[2]，該工程采用的金屬燒結粉塵過濾器過濾效率≥0.1μm/99.9%，主要過濾熱解灰，防止熱解灰進入后端排風系統。

固化桶在2 個工位與取封蓋裝置和對位攪拌裝置對接后，啟動固化桶排氣過濾裝置進行排氣，使固化桶內形成負壓。在建立固化桶與工作箱之間的負壓梯度后，再進行加水、加水泥和攪拌操作，即可有效防止粉塵逸出固化桶。同時系統具有負壓調節功能，可以根據設定的負壓值自動調節負壓。

4.2 加水管的改進

鑒于熱解灰的易彌散特性，在加水過程中容易因水力沖擊造成熱解灰擾動，因此采用目前在揚塵抑制領域大量應用的水流霧化技術，將水流從柱狀水流轉化為霧化水流，降低對熱解灰粉塵的擾動[3]。改進方式為在加水管口上增設一個帶若干細孔的霧化裝置。

根據該工程工藝要求，固化單次加水量為180L，需要在15min 內全部加注完畢，計算加水流量Q=0.72m3/h。加水管直徑為32mm，加水管口直徑為60mm。為保證出水形成有效霧化水流，在加水口霧化裝置上加工若干小孔，小孔孔徑為2mm，共計37 個小孔，通流截面積為1.16cm2。

根據水噴霧水力計算通用算式和該工程實際，選取流量系數為K=0.25，則所需水流壓力計算為P=Q/10K=0.72/10×0.25=0.288MPa。該工程水箱和加水口的高度差約為4m，靠重力自流時，出水口水壓約為P1=ρgh=103×9.8×4=39.2kPa=0.0392MPa。

從計算數據可知P1

4.3 加料管、排氣管密封改進

為提高對位攪拌裝置和取封蓋裝置上的加料管和排氣管口密封裝置的密封性能，對相應密封圈進行優化改進。將密封圈厚度由5mm 增大為10mm，增加一倍變形量。并將原硅膠密封圈改為彈性更好的橡膠密封圈，使密封面貼合更緊密。

重新選取長度更長的彈簧，將原排氣管的Y2×30×130 彈簧改為Y2×30×160 彈簧，將原加料口的Y1.6×16×130 彈簧改為Y1.6×16×160 彈簧。在彈簧安裝長度不變的情況下，增大彈簧預壓量，并增加密封圈與固化桶口蓋之間的壓力，實現裝置與固化桶口蓋之間的有效密封。密封圈的改進對比圖如圖5 所示。

圖5 密封圈的改進對比圖

4.4 輥道高度調整

根據固化桶尺寸誤差最大范圍對輥道高度進行調整，將輥道高度提高10cm。對位攪拌裝置、取封蓋裝置主體下降極限位與輥道之間的高度由1135mm 變為1125mm，超出固化桶高度5mm～8mm 的誤差范圍，以滿足對不同固化桶的尺寸適應性，消除固化桶高度尺寸誤差引起的固化桶與裝置之間的對接不到位導致的漏灰問題。

5 改進后的工程驗證

5.1 排氣過濾裝置功能試驗

為驗證固化桶排氣過濾裝置的有效性，該文進行了裝置的功能性試驗，測試裝置的負壓保持功能。在加水工位和攪拌工位分別放置一個固化桶，并操作取封蓋裝置和對位攪拌裝置與固化桶進行對接。為建立固化桶與工作箱之間的負壓梯度，根據工作箱的-100Pa 左右的負壓，分別測試-300Pa、-400Pa、-500Pa 和-600Pa 條件下的排風負壓值。固化桶排氣裝置功能試驗參數見表1。

表1 固化桶排氣裝置空載試驗參數

通過測試，裝置運行功能良好，能夠根據設定負壓值自動調節固化桶排氣負壓，2 個工位的負壓均能有效保持穩定。

5.2 模擬工況驗證

固化桶排氣過濾裝置功能性試驗完成后，利用2 個不同高度尺寸的400L 棄槳式固化桶（高度分別為1135mm 和1130mm），在桶中裝入適量模擬灰，分別放在加水工位和攪拌工位進行加水和加水泥測試。裝置與固化桶對接完成后，觀察裝置與固化桶之間連接處無縫隙，并且密封圈有較大變形量，顯示對接緊密。

通過現場試驗，在固化桶加水和加水泥過程中，2 個工位均沒有粉塵逸出。利用粉塵濃度檢測儀進行粉塵濃度檢測，檢測結果顯示粉塵濃度最高為0.262mg/m3，與試驗前的0.259mg/m3相比基本無變化，和改進前粉塵濃度15.9mg/m3相比已極大降低。同時在真空泵后端的排氣管道進行粉塵取樣，粉塵濃度為0.03mg/m3。試驗過程中的粉塵濃度監測數據見表2。

表2 粉塵濃度試驗結果

通過帶載試驗結果可以證明固化桶排氣過濾裝置使用效果十分明顯，可有效建立固化桶的負壓環境，實現與工作箱之間的負壓梯度，并有效防止固化桶中的粉塵逸出。并且新增的2 級過濾器能夠有效攔截粉塵和熱解灰，過濾效率良好。

5.3 霧化裝置效果驗證

為驗證改進后加水管霧化裝置的效果，在固化桶中裝入適量的模擬灰繼續霧化裝置效果測試。通過觀察，加水管采用霧化裝置后能夠有效形成較細的水霧，對固化桶中的模擬灰無明顯擾動，也無明顯的粉塵逸出固化桶。證明增加的霧化裝置能夠有效減輕對固化桶中模擬灰的沖擊，并能有效抑制揚塵。

6 結論

該文通過對熱解灰固化線揚塵問題的原因分析，提出了增設固化桶排氣過濾裝置、改進排氣和加料管密封結構、增加加水管霧化裝置等改進措施，并進行了工程驗證，證明采取的揚塵抑制措施是有效的。解決了熱解灰從固化桶中逸散至工作箱的相關問題，也消除了熱解灰通過排風系統排至環境的風險。該措施的有效應用將為該水泥固化線后續的熱試提供有效的安全保障。