趙志軍，李 川，韓洪佳，馬援東，宋立斌，呂旭斌

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

近年來，隨著核電廠廢物最小化愈發(fā)受到重視，放射性廢物處理中心在國(guó)內(nèi)新建核電廠得到了普及和推廣。田灣核電站放射性廢物處理中心已于2019年成功投用，處理全廠機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的廢樹脂、蒸殘液和干廢物等中低放廢物，無論廢樹脂還是可壓縮干廢物，在處理過程中都必須通過超壓工藝進(jìn)行減容。超壓減容是基于提高廢物密度，消除廢物中的空隙而減小體積[1]，其中超壓機(jī)是超壓工藝的核心設(shè)備，在廢物減容方面發(fā)揮了重要作用，是實(shí)現(xiàn)廢物最小化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，減容后的廢物包體積能夠滿足我國(guó)監(jiān)管部門提出的濱海廠址百萬千瓦機(jī)組每年放射性廢物產(chǎn)生量不高于50 m3/機(jī)組的要求。

1 超壓工藝介紹

1.1 超壓工藝設(shè)備

放射性廢物處理中心超級(jí)壓實(shí)工藝主要由超壓機(jī)系統(tǒng)、鋼桶運(yùn)輸?shù)踯嚒⑦\(yùn)輸輥道、桶餅運(yùn)輸?shù)踯?、HEPA高效過濾器、桶餅優(yōu)選臺(tái)等組成。其中超壓機(jī)是整個(gè)超壓工藝的關(guān)鍵設(shè)備，用于壓縮裝載可壓縮廢物的165 L鋼桶(如圖1所示)并形成穩(wěn)定的桶餅，壓縮后的桶餅經(jīng)優(yōu)選后裝入200 L鋼桶[2]進(jìn)行水泥固定，并在送往最終處置場(chǎng)前外加HIC容器進(jìn)行整備[3]。

圖1 165 L鋼桶Fig.1 165 L steel drum

超壓機(jī)由超壓機(jī)本體、液壓?jiǎn)卧?、鋼桶接收平臺(tái)、桶餅接收平臺(tái)、鋼桶打孔裝置、桶餅高度測(cè)量裝置等組成。液壓?jiǎn)卧獮槌瑝簷C(jī)提供液壓動(dòng)力，最大液壓壓強(qiáng)可達(dá)28 MPa，可給超壓機(jī)提供最大20 000 kN的壓力。根據(jù)實(shí)際工作需要，超壓機(jī)運(yùn)行模式有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)三種模式。超壓機(jī)設(shè)置了就地控制盤，當(dāng)主控室控制線路出現(xiàn)故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。就地控制盤設(shè)在獨(dú)立的房間內(nèi)，避免超壓機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)操作人員的輻照，以滿足輻射防護(hù)要求。超壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 超壓機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of super compactor

鋼桶運(yùn)輸?shù)踯嚱Y(jié)構(gòu)形式為橋式吊車，吊車配有165 L鋼桶專用抓具，能將鋼桶從超壓機(jī)前運(yùn)輸輥道上轉(zhuǎn)運(yùn)到超壓機(jī)鋼桶接收平臺(tái)上。HEPA高效過濾器連接超壓機(jī)內(nèi)腔，可過濾超壓過程中排出的放射性氣體，高效過濾器可反向沖洗，能減少過濾器芯的使用。桶餅運(yùn)輸?shù)踯嚍閿?shù)控吊車，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，吊車上帶有桶餅抓具和桶餅稱重裝置，能自動(dòng)獲取桶餅重量并傳到主控室。桶餅優(yōu)選臺(tái)為桶餅暫存平臺(tái)，平臺(tái)上共有20個(gè)工位，能夠同時(shí)擺放最多20個(gè)桶餅。主要設(shè)備性能如表1所示。

表1 主要設(shè)備一覽表Table 1 Mainequipment

1.2 工藝流程

(1)超壓前的準(zhǔn)備

裝載放射性廢物的165 L鋼桶(已封蓋)通過運(yùn)輸輥道送到超壓機(jī)房間，超壓機(jī)前設(shè)有鋼桶運(yùn)輸?shù)踯?，吊車上設(shè)有鋼桶專用抓具，通過吊車及抓具將鋼桶轉(zhuǎn)運(yùn)到超壓機(jī)鋼桶接收平臺(tái)上，平臺(tái)上設(shè)有鋼桶定位對(duì)中裝置，確保鋼桶打孔以及后續(xù)運(yùn)輸過程的定位準(zhǔn)確。打孔目的是為了在超壓過程中盡快排出鋼桶內(nèi)的空氣，避免鋼桶內(nèi)部因壓力過大而破壞原有密封結(jié)構(gòu)。打孔時(shí)，超壓機(jī)鋼桶接收平臺(tái)兩側(cè)各有一個(gè)打孔針，可以在靠近鋼桶底部水平方向上打孔，孔徑約為3～6 mm，打孔大小可以通過調(diào)整打孔針的進(jìn)給位置實(shí)現(xiàn)。

(2)超壓機(jī)壓縮

165 L鋼桶打孔完成后將進(jìn)入超壓階段，鋼桶接收平臺(tái)向超壓機(jī)內(nèi)部方向移動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后停止，此時(shí)鋼桶恰好處于超壓機(jī)內(nèi)部套筒正下方，然后超壓機(jī)內(nèi)部套筒向下移動(dòng)，包裹住鋼桶上半部分，隨后鋼桶接收平臺(tái)反向移動(dòng)，鋼桶因有套筒固定不能隨平臺(tái)反向移動(dòng)，因而就留在了超壓機(jī)內(nèi)部。套筒內(nèi)徑為φ507 mm，剛好能將165 L桶包裹住，同時(shí)在超壓過程中鋼桶也不會(huì)因壓力過大造成徑向壓縮變形。在廢物接收平臺(tái)完全撤出超壓機(jī)內(nèi)部后，套筒繼續(xù)下落直至將鋼桶完全包住，同時(shí)超壓機(jī)出口和入口側(cè)的門關(guān)閉，將超壓機(jī)內(nèi)部與外部完全隔離。

在液壓?jiǎn)卧簤和屏ψ饔孟拢淄岔敳炕钊?壓頭)被推動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，將鋼桶壓縮成桶餅，桶餅高度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)或在最大壓力下壓縮直至能達(dá)到的最小高度，壓縮后桶餅如圖3所示。為了克服桶餅反彈，壓縮廢樹脂時(shí)保壓20 min[4]。在整個(gè)壓縮過程中，超壓機(jī)套筒內(nèi)始終保持負(fù)壓，避免壓縮鋼桶時(shí)產(chǎn)生的放射性氣體、氣溶膠散到房間中，套筒內(nèi)抽出的空氣經(jīng)HEPA高效過濾器過濾后排到廠房通風(fēng)系統(tǒng)中。液壓?jiǎn)卧稍?5 s內(nèi)達(dá)到最大壓力28 MPa，壓頭可產(chǎn)生最大2000 t的壓力。超壓機(jī)的壓力是可調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)實(shí)際需要或廢物種類的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 壓縮后桶餅Fig.3 Drum pellet after super compaction

(3)桶餅送出

桶餅壓縮完成后，超壓機(jī)進(jìn)、出口門同時(shí)打開，然后套筒和壓頭向上移動(dòng)直至預(yù)定位置。超壓機(jī)出口側(cè)的桶餅接收平臺(tái)向超壓機(jī)內(nèi)部方向移動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后停止，然后超壓機(jī)進(jìn)口側(cè)鋼桶接收平臺(tái)再次向超壓機(jī)內(nèi)部方向移動(dòng)，因兩個(gè)平臺(tái)之間存在高度差，所以在鋼桶接收平臺(tái)的推動(dòng)下，

桶餅被推送到桶餅接收平臺(tái)上，然后兩個(gè)平臺(tái)各自向遠(yuǎn)離超壓機(jī)的方向移動(dòng)，桶餅接收平臺(tái)帶著桶餅到達(dá)預(yù)定位置后，運(yùn)輸輥道啟動(dòng)，超壓機(jī)出口側(cè)液壓機(jī)械推手將桶餅推送到運(yùn)輸輥道上，由運(yùn)輸輥道運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?。桶餅的高度?huì)在超壓機(jī)出口處被高度自動(dòng)測(cè)量裝置記錄并送到主控室。

(4)桶餅暫存

桶餅被送到指定位置后，啟動(dòng)桶餅運(yùn)輸?shù)踯?，通過吊鉤尾部抓具將桶餅抓起并升到極限位置，然后吊車水平運(yùn)輸?shù)酵帮瀮?yōu)先臺(tái)上方的某一工位，并將桶餅送到優(yōu)選臺(tái)(如圖4所示)上預(yù)定位置。桶餅抓具有機(jī)械自鎖功能，能在突然失電情況下確保桶餅不掉落，抓具上還設(shè)有重量測(cè)量裝置，可測(cè)量桶餅重量并送到主控室中。桶餅優(yōu)選臺(tái)每個(gè)工位上都有定位裝置，確保桶餅的快速取放，桶餅的位置信息同樣會(huì)被收集到主控室中。處理時(shí)，優(yōu)選的桶餅會(huì)裝入200 L桶中送入其他房間進(jìn)行水泥固定。

圖4 桶餅優(yōu)選臺(tái)Fig.4 Drum pellet optimization selection table

整個(gè)超壓工藝流程簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 超壓工藝流程Fig.5 Process flow of super compaction

2 模擬試驗(yàn)

核電廠運(yùn)行維修過程中產(chǎn)生的中、低放廢物主要為廢樹脂、蒸殘液和干廢物。干廢物主要包括塑料、去污擦拭物、個(gè)人防護(hù)用品、鞋套以及檢修時(shí)更換下來的廢棄設(shè)備部件、管道等。超壓工藝可以對(duì)廢樹脂和干廢物進(jìn)行有效減容，特別是超壓機(jī)作為超壓工藝的核心設(shè)備，能夠?qū)⒂行p小廢物包體積，獲得較大的減容比。為了驗(yàn)證超壓機(jī)功能能否滿足技術(shù)要求，以及超壓工藝對(duì)不同廢物種類的減容效果，在設(shè)備出廠及調(diào)試階段進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)。為了最大程度還原真實(shí)超壓情況，填充物選取非放離子交換樹脂和雜項(xiàng)干廢物作為模擬廢物。

2.1 干廢物超壓試驗(yàn)

在模擬壓縮干廢物前，超壓機(jī)進(jìn)行了液位單元壓力、超壓機(jī)空載、鋼桶最大載重量、失電保護(hù)、緊急停止等多項(xiàng)功能性試驗(yàn)，并在不同運(yùn)行模式下，驗(yàn)證超壓機(jī)的功能性、可用性。試驗(yàn)結(jié)果表明超壓機(jī)能夠完成規(guī)定性動(dòng)作，超壓機(jī)和液壓?jiǎn)卧軌蜻_(dá)到額定最大壓力，液壓?jiǎn)卧簤河蜔o泄漏，在鋼桶最大載重量下，鋼桶接收平臺(tái)和桶餅接收平臺(tái)、桶餅液壓機(jī)械推手均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。超壓機(jī)突然斷電后啟動(dòng)仍能繼續(xù)正常工作，并在不同運(yùn)行模式下自由切換、平穩(wěn)工作。

在充分驗(yàn)證超壓機(jī)的功能性后，開展了干廢物超壓試驗(yàn)。填充物選用鋼碎片、塑料、抹布、鋼屑、木板、土塊等雜項(xiàng)干廢物，這些雜項(xiàng)干廢物能在一定程度上真實(shí)反映了干廢物的超壓效果。干廢物超壓后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 干廢物超壓后的數(shù)據(jù)表Table 2 Datasheet of dry wastes after super-compaction test

2.2 樹脂超壓試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)所選用的樹脂與核島廠房實(shí)際使用樹脂規(guī)格型號(hào)完全相同。樹脂首先經(jīng)過研磨機(jī)研磨形成樹脂泥漿，然后通過錐形干燥器對(duì)樹脂泥漿進(jìn)行烘干，制備出符合超壓條件的熱態(tài)樹脂顆粒。因廢樹脂需要在處于熱態(tài)時(shí)(溫度約120～140 ℃)進(jìn)行壓縮，受試驗(yàn)環(huán)境條件所限，試驗(yàn)中樹脂的填充率較低。樹脂超壓后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 樹脂超壓試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)表Table3 Datasheet of resin after super-compaction test

從上述兩項(xiàng)超壓數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，超壓工藝可以有效減少廢物體積，廢物減容效果明顯。在超壓階段干廢物的減容比約為4，樹脂的減容比約1.42(上述減容比僅為超壓階段的減容比)。

2.3 超壓機(jī)效率

干廢物的試驗(yàn)過程為連續(xù)試驗(yàn)過程，中間無停頓，從鋼桶在接收平臺(tái)就位后開始計(jì)算，壓縮15個(gè)鋼桶所用時(shí)間約為82 min，每個(gè)桶需要大約5.5 min，加上鋼桶及桶餅運(yùn)輸、高度測(cè)量等時(shí)間，壓縮一個(gè)鋼桶全程大約需要10 min，即超壓機(jī)壓縮干廢物的工作效率約為6桶/h。廢樹脂的壓縮過程約為10 min/桶，加上每個(gè)桶需要保壓20 min，超壓機(jī)壓縮廢樹脂的工作效率約為2桶/h。

3 需關(guān)注的問題

3.1 干廢物桶餅回彈

由于塑料制品的彈性較大，在壓縮時(shí)容易產(chǎn)生彈性形變，卸去外力或者放置一段時(shí)間后容易造成壓縮回彈，使得原來桶餅高度測(cè)量存在偏差，嚴(yán)重情況下將直接破壞壓縮桶餅的密封結(jié)構(gòu)，給桶餅后續(xù)處理帶來困難，桶餅回彈如圖6所示。另外，由于超壓壓力較大，在沒有足夠保壓時(shí)間的情況下會(huì)造成塑料桶餅內(nèi)部受壓不均，桶餅底部易產(chǎn)生形變——即“錐底”現(xiàn)象。錐底桶餅因與運(yùn)輸輥道接觸面積小，摩擦力也較小，導(dǎo)致輥道不能運(yùn)輸桶餅，因此必須重視塑料壓縮回彈及桶餅錐底問題。

圖6 桶餅回彈Fig.6 Drum pellet spring back

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以通過設(shè)定桶餅壓縮高度、增加保壓時(shí)間和與其他非彈性可壓縮廢物混放壓縮來有效解決上述問題?？蓧嚎s干廢物混放可以避免桶餅內(nèi)部彈力過大；增加保壓時(shí)間可以使得桶餅被充分壓縮，桶餅受力更均勻，避免錐底現(xiàn)象；設(shè)定桶餅壓縮高度則不會(huì)將桶餅壓縮到極限位置，壓縮到某一高度即停止壓縮，避免桶餅內(nèi)部產(chǎn)生過大彈力。因此可以結(jié)合實(shí)際情況靈活采用一種或幾種方法控制塑料廢物壓縮桶餅錐底及回彈，也可以探索在塑料制品壓縮前采用加熱軟化的方式(非焚燒)來降低塑料彈性，或者增加一次性桶餅固定裝置等新方法。

3.2 超壓打孔問題

在超壓前需要在鋼桶下方對(duì)稱位置打兩個(gè)孔，防止超過時(shí)鋼桶內(nèi)部壓力過大破壞桶的完整性。但在廢樹脂模擬超壓的過程中，會(huì)有少量樹脂顆粒通過打孔位置漏出桶外，造成超壓機(jī)壓縮區(qū)域的二次污染，在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)帶來廢樹脂顆粒收集、處理問題，并增加人員輻射防護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)證明，減小打孔尺寸可以有效防止樹脂顆粒外泄。超壓機(jī)前調(diào)節(jié)打孔針的位置，并通過試驗(yàn)確保兩個(gè)孔徑大小一致，建議設(shè)置孔徑尺寸為3 mm，同時(shí)調(diào)節(jié)壓頭的壓速，減少因壓頭速度過大而對(duì)鋼桶內(nèi)廢樹脂的沖擊。

3.3 桶餅卡塞

在模擬干廢物時(shí)，發(fā)生過桶餅卡在了套筒內(nèi)問題，桶餅隨套筒同步上升、下降，且壓縮區(qū)域是平臺(tái)，在套筒懸空、底部無支撐的情況下，無法通過壓頭壓力將桶餅卸載下來。桶餅卡塞的主要原因是套筒內(nèi)壁潤(rùn)滑油脂不足，造成桶餅與套筒內(nèi)壁摩擦力大，而且在壓縮階段同時(shí)進(jìn)行了超壓機(jī)應(yīng)急斷電與啟動(dòng)試驗(yàn)，整個(gè)過程時(shí)間耗時(shí)較長(zhǎng)，造成桶餅局部變形大。因此，在超壓機(jī)運(yùn)維保養(yǎng)時(shí)要關(guān)注潤(rùn)滑油脂量，避免發(fā)生桶餅卡塞情況。在特殊情況下一旦發(fā)生桶餅卡塞情況，可以采用專用工具來卸載桶餅，超壓機(jī)設(shè)有4個(gè)獨(dú)立的圓形鋼棒作為專用工具(如圖7所示)，鋼棒主要起到支撐套筒底部作用，使桶餅底部有足夠下落空間。使用時(shí)將鋼棒放到超壓區(qū)域套筒下方，設(shè)置超壓機(jī)為手動(dòng)模式，并根據(jù)套筒位置調(diào)整相應(yīng)鋼棒位置，然后通過壓頭施加向下壓力將卡塞的桶餅壓下來。

圖7 桶餅卡塞卸載工具Fig.7 Unloading tool of drum pellet stuck

4 結(jié)束語

超壓工藝是一種非常成熟的工藝，有大量的工程應(yīng)用實(shí)例，但在國(guó)內(nèi)核電廠廢物處理上應(yīng)用是從近幾年才開始的，應(yīng)用時(shí)間較短，缺少一定的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。超壓機(jī)設(shè)備制造、供貨被國(guó)外公司壟斷，尚無國(guó)內(nèi)公司開展科研工作。隨著放射性廢物處理中心的應(yīng)用及推廣，超壓工藝具有廣闊的應(yīng)用前景，正逐步成為國(guó)內(nèi)新建核電廠的“標(biāo)配”，因此應(yīng)盡快開展相關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研究工作，進(jìn)一步提高超壓工藝的經(jīng)濟(jì)性和適用性。