廢樹脂自沉降體積計量工藝研究

陳先林　劉宇昊　陳莉

摘 要：基于簡約、可靠、檢修少原則，設計了一種放射性廢樹脂水泥固化處理前的體積計量工藝，利用樹脂與水的密度差，靠樹脂自重在計量料槽內實現準確計量。建立試驗裝置，通過改變操作工藝條件，如沉降攪拌方式、連通管徑、補水和排氣環境等，試驗了樹脂計量效果，滿足放射性廢物樹脂計量工程應用要求。

關鍵詞：放射性廢樹脂 體積計量 驗證試驗 工藝

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0052-04

Abstract：Based on principle of simplicity、reliable and less maintenance，a kind of volume measurement process was designed before cement solidification.Using density difference between the resin and water，the resin completed accurate measurement in the tank.Establishing test device，changing the operating process conditions，such as settlement way，Unicom pipe diameter，hydrating and exhaust environment and so on，the effect of resin measurement was tested，that meet the requirement of radioactive waste resin engineering application.

Key Words：Radioactive waste resin；Volume measurement；Validation test；Technology

核設施運行過程中一般會產生放射性廢樹脂，需要處理包裝后送處置場最終處置[1-2]。計量是廢樹脂水泥固化處理[1，3]過程中的一個重要環節，目前國內主要有重量和體積計量兩種方法，但計量環節都較多，過程較為復雜，或者計量不準確，樹脂堵塞問題嚴重。該文介紹一種廢樹脂自沉降體積計量工藝，利用樹脂和水的密度差完成樹脂分離，通過定量計量槽完成樹脂計量，整個計量系統結構簡單，維護量少，計量精度滿足工程使用要求，適合在放射性場所的推廣應用。

1 工藝原理

國內核設施運行使用的樹脂一般為顆粒狀（0.4～0.7 mm），干燥狀態下有靜電作用，其密度約為0.6～0.7 g/cm3，經水浸泡后會溶脹，溶脹密度約1.08 g/cm3，比水略大。水泥固化需計量的放射性廢樹脂基本都經水充分浸泡，含水量在50%～60%之間，屬于放射性濕廢物。廢樹脂一般同水混合，管線輸送進入計量工藝系統，輸送過程如果管徑大小、管道高差、管道彎度控制不好，極容易造成樹脂堵管。

廢樹脂自沉降體積計量工藝系統包括接收槽、補水槽、計量槽和相應的閥門管路，如圖1所示。接收槽與計量槽為上下聯體結構，接收槽用于接收準備計量的廢樹脂，計量槽為樹脂計量的定量容器，補水槽可以輔助計量好的樹脂順利排出。進入接收槽的顆粒廢樹脂和水由于密度差可迅速分層，下層樹脂通過重力進入計量容器完成計量，上層水可溢流排出。計量容器旁通補水槽，可實現順利補水或補氣下料。整個計量工藝不需要輔助動力設備，僅設置保證容量安全和粗量度的測量儀表，要求通過樹脂和水自然分層，定量容器計量完成傳統復雜計量系統的全部功能。

2 工藝試驗驗證

由于該計量工藝沒有任何工程實用數據參考，需要開展工藝可行性驗證試驗，檢驗工藝缺陷和不足，為后續的工程應用提供依據。試驗采用比例可放大的小試驗裝置，用非放樹脂和自來水進行試驗。

2.1 工藝試驗裝置

工藝試驗裝置進料槽和補水槽為敞口槽，試驗過程操作全部為手動操作，槽體材料為鐵皮，管道和閥門材質為塑料，進料、補水和計量槽容積分別為80 L、60 L和15 L，整個系統架設在地面。裝置架設情況及相關尺寸如圖2所示。

2.2 試驗驗證項目

檢驗樹脂從接收槽至計量槽的重力自沉降工藝和樹脂從計量槽下料工藝，以及不同沉降和下料方式的組合試驗效果；摸索工藝操作條件。

2.3 試驗內容

2.3.1 試驗準備

（1）連通管管徑大小驗證。

連通管管徑大小關系廢樹脂是否下料順暢，管徑過小，廢樹脂會在進料口形成堆積效應，無法順利下料，管徑過大，計量閥選取困難，上下連接不方便。從50～100 mm之間，選擇不同管徑進行試驗，確定最優管徑。

（2）計量槽容積標定。

通過自來水的自沉降完成計量槽真實容積（計量閥和下料閥之間容積）的標定。標定計量槽實際容積為17.4 L。

2.3.2 自沉降計量試驗

（1）試驗操作過程。

計量槽空槽，所有連接閥門關閉；樹脂和自來水混合加入計量槽，混合比約為1∶3，補水槽加注自來水；開啟計量閥，完成樹脂自沉降，采取攪拌沉降和不攪拌沉降兩種方法，沉降完成關計量閥；開啟補水閥或排氣閥，開啟下料閥，完成下料，通過下料樹脂量，評價自沉降效果。

（2）不同沉降和下料方式組合試驗。

為充分驗證樹脂的自沉降計量效果，找到最為理想的樹脂自沉降和下料方式，試驗安排6種自沉降方式和兩種下料方式進行分別組合試驗，共試驗12組，每組試驗3次，從下料口收集樹脂，根據收集樹脂量比較分析沉降計量效果。不同沉降和下料方式的試驗過程如表1所示。

2.4 自沉降計量試驗數據

如前所述，不同自沉降和下料方式分別組合試驗，共獲得12組試驗的36個試驗數據，如表2所示。12組試驗多次測量數據統計對比見柱狀圖3。

2.5 工藝試驗結果分析

從統計數據圖表可知，沉降方式a、c效果較差，表明：隔斷連通閥門，保持計量槽空槽，開啟計量閥，在樹脂不松動前提下，樹脂依靠重力從接收槽自然沉降至計量槽比較困難；沉降方式b、d、e、f效果較好，表明在接收槽下料口松動樹脂，會使樹脂下料順暢。

樹脂從接收槽沉降至計量槽，沉降通道是由寬至窄的椎形路徑，上層水和樹脂對下層沉降樹脂在豎直方向擠壓的同時，也會對其產生橫向擠壓力。顆粒樹脂浸水后粘度大幅提高，接收槽連通管附近的樹脂在豎向和橫向擠壓下會粘合在一起，形成架橋，阻止計量槽內氣體排出，不再沉降，連通管徑越小，架橋越嚴重，如圖4所示。

從安裝、操作、連通閥門選擇以及計量誤差各方面考慮，連通管也不能太大，連通管管徑驗證試驗表明，選擇80 mm內徑的連通管較為合適。對于80 mm的連通管徑，樹脂沉降效果的關鍵在于接收槽下料口處積壓架橋的破壞。沉降方式b預先在計量槽內充滿水，樹脂接觸水后會迅速沉降，沒有架橋條件，但該做法同工程工藝環節不匹配；沉降方式上d、e、f都能充分破壞樹脂架橋，但實際操作時很難在錐形下料口的底部實現機械攪拌，計量槽旁通空氣容器容易造成樹脂串管和計量不準確。綜上，沉降方式f最佳，通過壓空鼓泡工藝簡單，且能充分破壞樹脂架橋，確保自沉降順暢。

從試驗結果可以看出，補水下料比補氣下料更完全，殘留更少。樹脂沉降完成后，計量槽內除了少量水外，基本為樹脂，補氣下料會在計量槽壁面附著殘留一定量的樹脂，導致下料不完全，如圖5所示。補水下料會一直保持樹脂浸潤在水中，樹脂流動性好，基本不會附著，可以將樹脂完全排出。

2.6 工藝試驗總結

采用如圖2所示的試驗裝置，手動操作，在合適的工藝操作條件下，能夠實現樹脂的樹脂自沉降體積計量，裝置要求和操作條件如下所述。

（1）綜合考慮安裝、實際操作及下料效果，樹脂自沉降連通管內徑為80 mm左右較為合適。

（2）樹脂在從大到小的錐形通道內沉降，容易形成架橋堵塞，自沉降下料需要采取破壞架橋的措施，以壓空鼓泡為宜。

（3）采用補水下料能消除補氣下料帶來的樹脂在槽壁附著問題。

3 結語

由接收槽、補水槽、計量槽及相關管道閥門構成的簡單廢樹脂自沉降體積計量工藝（如圖1所示），能夠完成廢樹脂計量。整個工藝系統結構簡單，無動力設備，操作便利，維護較少，解決了樹脂殘留和堵塞問題，適合在放射性場所推廣應用。

工藝驗證試驗表明，計量過程需要壓空鼓泡和補水沖泡提高沉降和計量效果。所以，該計量工藝不適用于后續處理對樹脂有低含水率要求的場合，特別適合放射性廢樹脂和蒸發濃縮液混合固化處理的前端廢樹脂計量，補水槽可以作為蒸發濃縮液計量槽使用。

采用該工藝宜選擇合適的沉降連通管內徑，建議75～85 mm之間。廢樹脂補水下料完成之前，建議保持計量槽內都充滿水（或濃縮液），這樣可以保持殘留樹脂完全浸泡在水中，減少在槽壁的附著殘留，提高計量精度。

參考文獻

[1] 羅上庚.廢離子交換樹脂的優化處理[J].核科學與工程，2003，23（2）：165-172.

[2] GB9132-88，中華人民共和國國家標準低、中水平放射性廢物的近