放射性高盐废液干燥成盐技术研究_骆枫.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 3放射性高盐废液干燥成盐技术研究骆 枫,吴光辉,范继珩,范椿欣,李振臣(中国核动力研究设计院 四川省退役治理工程实验室,成都 6 1 0 2 1 3)摘要:放射性废物处理中,放射性废液的体积和所含放射性总量在“三废”中占比较大,为使废物最小化,本研究围绕放射性高盐废液干燥成盐技术开展技术路线论证、工艺设计,研制放射性高盐废液微波干燥成盐工程样机,并完成样机加工制造、安装调试及性能验证。工程样机验证实验结果表明,装置运行过程稳定,干燥速率约68L/h,产物不含游离水,桶内及桶壁温度最高约1 0 0,桶内压力在12k P a之间。本研究结果可为放射性高盐废液干燥成盐技术及专用工装设计提供参考,并为后续工程应用奠定基础。关键词:微波干燥;放射性高盐废液;工程样机;可靠性中图分类号:T L 9 4 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 0 2 9-0 6收稿日期:2 0 2 1-0 9-1 6;修回日期:2 0 2 2-0 3-0 4d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 1.y o u x i a n.0 7 5D r y i n g-i n t o-S a l tT e c h n o l o g yo fH i g hS a l i n i t yR a d i o a c t i v eL i q u i dW a s t eL UOF e n g,WUG u a n g h u i,F ANJ i h e n g,F ANC h u n x i n,L IZ h e n c h e n(N u c l e a rP o w e rI n s t i t u t eo fC h i n a,S i c h u a nP r o v i n c i a lE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yo fN u c l e a rF a c i l i t yD e c o mm i s s i o n i n ga n dR a d w a s t eM a n a g e m e n t,C h e n g d u6 1 0 2 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h er a d i o a c t i v ew a s t e t r e a t m e n th a sb e e nb r o u g h t i n t of o c u sw i t ht h er a p i d l yd e v e l o p i n go f t h en u c l e a r i n d u s t r y.D u e t o t h e l a r g ep r o p o r t i o no f v o l u m e a n d r a d i o a c t i v-i t yo f r a d i o a c t i v ew a t e r i nr a d i o a c t i v ew a s t e,t h et r e a t m e n to fr a d i o a c t i v ew a t e rd r a w sp e o p l esa t t e n t i o n i nt h ep r o c e s so fw a s t em i n i m i z a t i o n.T h i s r e s e a r c hh a s s y s t e m a t i c a l-l yc a r r yo u tm e c h a n i s ms t u d y,e n g i n e e r i n gd e s i g n,d e v i c ed e v e l o p m e n t a n dp e r f o r m a n c ev e r i f i c a t i o ns u r r o u n dt h ed r y i n g-i n t o-s a l tt e c h n o l o g yo fh i g hs a l i n i t yr a d i o a c t i v ew a t e r.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n g i n e e r i n gp r o t o t y p er u n ss t e a d i l y.T h es p e e do fd r y i n gi sa b o u t 6-8L/h,a n d t h ep r o d u c t d o e s nt c o n t a i n f r e ew a t e r.M e a n w h i l e,t h e t e m p e r a t u r eo f i n s i d ea n ds u r f a c eo fd r u mi s1 0 0d e g r e ec e n t i g r a d e.T h ep r e s s u r ei n s i d et h ed r u ml o c a t e sa t1-2k P a.T h i sw o r k w i l lp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dd e v i c ed e v e l o p m e n to fd r y i n g-i n t o-s a l t t e c h n o l o g yo fh i g hs a l i n i t yr a d i o a c t i v ew a t e r.A l s o,i tw i l lb eag r e a th e l pt of o l l o w-u pe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h i sn e wt e c h n o l o g y.K e yw o r d s:m i c r o w a v ed r y i n g;r a d i o a c t i v ew a s t e l i q u i d;p r o t o t y p ed e v i c e;r e l i a b i l i t y 随着我国经济的快速发展和化石能源的不断枯竭,核能的高速发展成为必然选择,其也是助力我国实现碳达峰、碳中和的重要途径。同时,各核设施生产运行过程中所产生的放射性废气、废液和固态废物的数量也越来越多,危害也越来越大。其中放射性废液无论是体积还是所含放射性总量在“三废”中占比均较大,目前针对放射性废液的“液转固”处理普遍采用水泥固化工艺,但水泥固化工艺系统复杂,占地面积较大,形成的固体废物体积增容明显,随之带来的废物处置管理费用较高。与此同时,随着公众环境保护意识的增强,以及放射性废物管理水平和安全文化素养的提高,近年来,相关管理部门先后出台了 核安全法 核设施放射性废物最小化(HA D 4 0 1.0 8),明确要求核设施在设计、建造、运行和退役阶段,从源头减少放射性废物的产生,使放射性废物产生量可合理达到尽量低,水泥固化工艺与放射性废物最小化原则相悖。放射性高盐废液干燥成盐技术作为放射性废物治理领域中的新兴技术,相比传统的水泥固化技术具有减容比大、占地面积小、处理效率高等优势,目前已在国外(德国、法国等)核电及研究所成功应用1-5,成为放射性废物最小化的良好实践。为突破国外技术封锁,实现核环保领域关键技术自主可控,近年来,国内多家科研院所也陆续开展该技术的研发,围绕反应机理、数值模拟、原理验证等方向取得了一系列的成绩6-1 0,但目前多数工作主要限于实验室阶段,面向工程实际需求开展的工艺优化、系统设计和工程验证还较为缺乏,导致该技术至今在国内尚未实现其工程应用。本文针对新建设施产生放射性高盐废液高效处理需求,系统开展技术路线论证、工艺设计,并研制等比例工程样机开展验证优化,为该技术工程化研究提供参考,为后续应用奠定基础。1 工艺设计1.1 源项概况根据设计输入,以我院某放射性废液处理设施蒸发工艺所产生的浓缩液作为干燥成盐技术处理源项,废液的主要成分有N a+、NO-3、S O2-4、C l-、C a2+、F-等,主要化学成分的浓度列于表1,废液基础数据列于表2。表1 废液化学成分T a b l e1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f l i q u i dw a s t e组分N a+N O-3S O2-4C l-C a2+F-F e3+M n2+Z n2+浓度/(m gL-1)1 24 0 07 03 0 018 3 08 8 84 3 59 8.68.4 87.0 76.4 2表2 废液基础数据T a b l e2 B a s i cd a t ao f l i q u i dw a s t e项目p H活度浓度/(B qL-1)N a N O3含量/(gL-1)密度/(k gm-3)参数684.01 085 012 1 01.2 工艺初步设计结合技术调研情况,开展工艺初步设计,形成流程如下:首先将干燥桶送入干燥工位,并压紧密封;放射性蒸残液通过管道输送至桶内干燥系统前端的废液中间槽暂存备用,储槽呼排口连接有高效过滤器;利用系统尾端的真空单元为整个系统提供负压,将中间储槽中的蒸残液间歇抽吸进入干燥桶内进行烘干;干燥单元产生的二次蒸汽,依次经过丝网除沫器以及冷凝冷却器后,进入二次蒸汽冷凝液储槽;惰性气体通过高效过滤器过滤后,进入真空泵,最终尾气排入通风系统进行集中处理;对二次蒸汽冷凝液进行取样分析,放射性比活度达标者可直接稀释排放到受纳水体,未达标者则根据比活度排入相应的废液处理系统,如离子交换系统、蒸发系统等;干燥盐桶配备有取封盖装置,并通过轨道和专业吊具进行转运;盐桶由数控吊车或其他03同 位 素 第3 6卷吊具吊入屏蔽容器后送至暂存库,在暂存库中将盐桶装入标准钢箱内灌浆固定,经暂存后待外运处置,流程图示于图1。1 废液中间槽;2 计量泵;3 干燥装置;4 丝网除沫器;5 冷凝冷却器;6 冷凝液储槽;7 轨道;8 吊具;9 高效过滤器;1 0 真空泵图1 干燥成盐工艺流程简图F i g.1 P r o c e s s f l o wd i a g r a mo fd r y i n g-i n t o-s a l t t e c h n o l o g y1.3 工艺参数计算微波加热干燥成盐的工艺计算分为桶内废液蒸发结晶阶段、结晶物干燥阶段两部分。利用开源建模语言M o d e l i c a,分阶段、分区域模块化建立了灵活、可扩展的动态模型。图2所示为蒸发及干燥阶段蒸发/干燥速率随时间的变化。在蒸发阶段,当有效的微波功率为5kW时,蒸发速率约为7k g/h,蒸发速率随时间缓慢上升,这是由于下层物料主体的温度随时间升高,则将其加热到沸点所需要的能量降低;从蒸发阶段进入干燥阶段,干燥速率大幅下降,到干燥阶段末期的干燥速率只有约0.0 5k g/h,这是由于进入干燥阶段需要大幅调低微波加热功率以保证被加热固体层的温度不超过限值。以水的质量分数低于1%为整个过程结束的标志,则完成一桶固体盐的结晶与干燥需要约5 6d,其中,蒸发阶段约4 3d,干燥阶段约需1 3d。在蒸发阶段,有效微波功率保持5kW不变,蒸发速率保持约7k g/h;从蒸发阶段进入干燥阶段后,需要大幅调低微波功率,干燥速率也随之大幅降低。图2 微波功率和蒸发速率随时间变化F i g.2 M i c