高溫熔融技術處理放射性廢塑料新工藝

詹 靜 榮 云 王成東 沈立鋒 蘭 江

(1. 中廣核工程有限公司, 廣東 深圳, 518116；2. 四川聚能核技術工程有限公司, 四川 江油, 621700)

0 引言

據不完全統計，核電現場產生的各項干雜廢物中，放射性廢塑料在廢物總量占比中超過65%，且種類多，包括篷布、氣面罩、袋類及套管類等混合廢物。廢塑料主要成分為PE、PVC及PP，其中PE在廢塑料中占比≥90%。

廢塑料減容技術包括焚燒和壓縮技術[1]，其中焚燒技術產生有毒有害氣體，污染環境，且投資運行費用高。核電現場產生的廢塑料相對較少，且多采用壓縮方法進行處理[2～4]，其工藝流程為分揀→初壓→超壓→固化。某核電廠每年產生約190.4 m3廢塑料，塑料蓬松狀態下平均密度約為0.0494×103kg/m3，經用該法處理后，最終廢物處置體積為21 m3，減容比約為9。由于塑料的回彈力較強，致使約30%的廢物桶出現爆桶及桶餅反彈現象，增大了廢物處置體積和成本[5]。

塑料熔融技術相對成熟，已廣泛應用于民用[6，7]，但在核工業中僅在低中放廢物的聚合物固化處理中作為固化基體有一定的應用[1]。如何將熔融技術與壓縮技術聯合運用于放射性廢塑料處理，有待研究。

本文采用高溫熔融技術處理放射性廢塑料，熔融塑料凝固后，不再進行超壓，避免了廢物桶爆桶及桶餅反彈的問題。設計了處理工藝和配套設備，調試各工藝參數與減容比之間的關系，優化工藝，達到減少最終處置廢物的體積及成本的目的。

1 工藝過程概述

廢塑料首先進行分揀，然后將包括膜狀在內的軟質塑料破碎再進行熔融處理，熔融狀態下在桶中預壓，自然冷卻后暫存；熔融過程產生的尾氣經凈化排放。

分揀塑料時，根據塑料的材質將其區分為硬質塑料(約占8%)及軟質塑料(約占92%)兩類。熔融處理時，熔融溫度≥200 ℃，塑料熔化產生少量有毒有害氣體，通過廢氣處理裝置抽吸并凈化。塑料熔融狀態下，呈粘稠狀，延展性好，壓縮阻力相對較小，采用桶內壓縮的方式預壓熔融體，預壓力為1～2 t，熔融體自然冷卻至少需要24 h方能完全凝固。

放射性廢塑料處理工藝流程及裝置示于圖1和圖2。裝置由預處理裝置、熔融處理裝置、預壓部件及廢氣處理裝置4部分組成。預處理裝置(工業破碎機及收集裝置)用于破碎塑料；熔融處理裝置(自動上料系統及熔融裝置)完成上料并高溫熔融塑料顆粒；預壓裝置(桶定位裝置及預壓裝置)壓縮塑料熔融體，可持續保壓；廢氣處理裝置通過集氣罩收集廢氣，采用濾筒+等離子+紫外線(UV)光解三級廢氣處理模塊凈化氣體。

圖1 放射性廢塑料熔融處理工藝流程

2 工藝參數分析

放射性廢塑料處理的根本目的在于減容，減容比是衡量該工藝是否更優的重要指標。處理中的破碎、熔融及預壓三個環節的工藝參數均會對最終的減容效果產生直接或間接的影響。因此通過試驗研究其與減容比間的關系及影響規律，進而優化工藝，確定最佳工藝參數。

2.1 破碎工藝分析

廢塑料經分揀后，根據工業破碎機的進料要求預處理塑料：膜狀料及軟質套管長度不宜過長(≤2 m)，硬質塑料輪廓尺寸應小于進料口尺寸，預處理后投喂入缸，動刀隨轉子高速轉動，經動刀和定刀間的間隙切割塑料，待塑料經摩擦升溫，達到半塑化狀態時，加水冷卻，使其急速收縮，最后被切割為細小顆粒[8,9]。破碎后的顆粒度應≤15 mm，滿足熔融進料要求。

2.1.1廢塑料的組成與破碎效果的關系

廢塑料混合破碎時，特別是不同軟硬特性的塑料組成對破碎效果有較大的影響。軟質類塑料破碎及團粒效果良好；硬質類塑料破碎效果較差，碎片呈不規則塊狀，有超過50%的碎片尺寸≥15 mm，不滿足熔融要求，因此需將全部硬質塑料單獨進行破碎處理，不進行熔融處理。

圖3、圖4分別給出了放射性廢塑料原材料示意圖及其破碎顆粒效果圖。

圖2 放射性廢塑料處理裝置總圖

圖3 試驗原料示意圖

圖4 破碎塑料顆粒狀態圖

2.1.2溫度與破碎效果的關系

放射性廢塑料破碎過程中溫度對破碎效果有影響。首先，成功制粒條件是缸內溫度能使塑料顆粒達到半塑化狀態，在動刀高速轉動狀態下，物料與物料間以及物料與缸壁、刀片間產生了大量摩擦熱，使物料溫度迅速上升至半塑化溫度，而低密度塑料經粉碎后，由于碎片自重較輕，相對摩擦少，生熱慢，因此需增加投喂量，提高摩擦熱，更有利于成功制粒。其次，不同塑料混合破碎時，塑料熔點越低，達到半塑化溫度所用時間越短，故而熔點較高的塑料應先進料。

2.2 熔融工藝分析

熔融工藝[10]是廢塑料處理的核心。破碎后的塑料顆粒由自動上料裝置送至下料斗，通過擠出機螺桿輸送塑料顆粒，由加熱器進行分區加熱，熔融后從出料口擠出。熔融處理的要求為：在一定的產量要求下，塑料顆粒均能得到有效熔化，不會因溫度過高而發生的碳化，也不會由于溫度過低造成未完全熔化的現象出現，且煙氣及刺激性氣味氣體相對較少。

2.2.1熔融性能試驗

試驗原料采用破碎試驗留存的塑料顆粒，通過改變螺桿轉速和熔融溫度，觀察熔融狀態，判定熔融效果，轉速為42～60 r/min，可滿足處理量≥30 kg/h，熔融溫度為200 ℃～230 ℃下可使塑料完全融化。判斷標準包括煙氣及刺激性氣味氣體產生量，熔融體流動性及熔化程度，其熔融效果示于圖5。

2.2.2熔融性能試驗結果分析

(1) 熔融溫度由200 ℃增加至230 ℃過程中，塑料均能完全熔化，無碳化現象，熔融體呈粘稠狀。熔融體隨熔融的溫度升高，體積也隨之增大。

(2) 熔融體流動性隨熔融溫度升高而提高；在相同熔融溫度下，擠出機螺桿轉速由42 r/min提高至60 r/min，熔融體的流動性無明顯變化。

(3) 煙氣及刺激性氣味氣體產生量隨熔融溫度和螺桿轉速的升高而增多。轉速應≤80%的最高轉速(擠出機的最高轉速為75 r/min，但設備使用時，螺桿的最高安全使用范圍最好不宜超過最高轉速的80%)。

(4) 由于熔融體呈粘稠狀，由中心向四周流動慢，且不均勻，而上表層熔融體10 min內便可硬化，導致熔融體在桶邊緣及硬化處易形成間隙。熔融溫度升高可增強熔融體流動性，使其向四周延展更均勻，速度更快，可減少熔融體間隙。但溫度越高，熱膨脹現象越顯著，使凝固體體積增大。因此，后續工作還需要進一步確定流動性及熱膨脹哪個對熔融體體積的影響更大。

2.2.3溫度和流動性試驗研究

設計不同熔融溫度，相同試驗原料及同種配比下的對照試驗，各熔融70 kg相同的試驗原料，加熱溫度為205 ℃、230 ℃，用200 L桶進行收集，并對凝固后的熔融體1/2、1/4處進行剖切處理，觀察熔融體內部狀態，結果示于圖6。

由圖6可見，205 ℃、230 ℃熔融體凝固后的高度分別為438 mm、529 mm，熔融溫度越高熔融體體積越大，230 ℃相比205 ℃下體積相對增大20%，凝固體中心截面上分布有大小不一的氣孔，較大氣孔主要分布于截面上部和中心，溫度越高，氣孔尺寸越大且數量越多。

原因主要是熔融體在自然冷卻過程中，外層先硬化，而內部冷卻速度相對較慢，熱量無法充分釋放，從而產生熱膨脹，形成孔洞。因此升高溫度雖然可以使熔融體流動性更好，但熱膨脹現象也越明顯，熔融體體積增大的越多。經試驗，熔融溫度應為200 ℃～205 ℃。

圖5 熔融試驗圖

圖6 凝固體及剖切截面狀態圖

2.3 預壓工藝分析

本文采用桶內壓縮技術預處理塑料熔融體，熔融體收集完成后，移至預壓工位，待其表層硬化后，預壓裝置伸入桶內，進行壓縮處理，并保壓1～2 h以控制其反彈。

2.3.1預壓試驗

在不同的實驗條件下，每次試驗消耗試驗原料70 kg，含49%PE編織袋、49%PE塑料袋、2%PVC軟管，與核電現場產生的廢塑料成分相符，平均密度約為0.0494×103kg/m3，共進行了3組對比試驗，每組分別進行桶內預壓和不預壓處理，預壓力為1～2 t。其中，第一組和第三組的塑料顆粒經熱風干燥(在表中表示為不含水)，第二組則不進行風熱干燥(在表1中表示為含水，因在破碎制粒過程中會加水進行冷卻，因此會使制造的塑料顆粒含有一定的水分)。待熔融體凝固后，分別測量質量及高度，計算平均密度、減容比及提高量，結果列于表1。

表1 預壓試驗記錄表

2.3.2預壓試驗結果分析

(1) 不同試驗條件下，預壓處理均能進一步減小熔融體體積，減容比提高量≥16.5%。由于熔融體流動性較差，使得表面不平整，多為中間高四周低，通過外力壓縮熔融體，可抑制熱膨脹效應并平整熔融體表面。

(2) 不同熔融溫度下，預壓處理能有效抑制熱膨脹效應，但不能完全消除。205 ℃和230 ℃熔融溫度下，未經預壓處理，體積相對增大20%，經預壓處理后體積相對增大6%。對預壓處理后的凝固體進行剖切(示于圖7)，并與未經預壓處理的凝固體進行比較，可以發現，預壓處理只能消除大部分熱膨脹效應，而溫度越高，預壓效果越差，并且會增加預壓時間。

(3) 塑料顆粒越干燥，預壓處理后減容效果越好，減容比由14.8提高至15.4。含有水分的原料，在熔融過程中產生更多的氣泡和間隙，預壓處理只能減少部分氣泡及間隙，導致體積相對較大。因此減少原料的水分，可達到更好的減容效果。

2.4 小結

影響減容比的主要的工藝參數是熔融溫度、水分，其余工藝參數對破碎效果及熔融效果有影響，但對減容比無直接影響，預壓處理可進一步減容；其中熔融溫度是影響減容比的關鍵參數，熔融溫度越高，熱膨脹越劇烈，預壓壓縮與反彈控制效果越差，從而減弱減容效果。因此在保證可熔化及一定產量的前提下，熔融溫度應為200 ℃～205 ℃，螺桿轉速≤80%最高轉速，并干燥塑料顆粒，減少水分。

3 結論

為實現放射性廢塑料減容處理的目的，本文設計了適合核電廠現場環境的廢塑料處理工藝方法和相應的設備。多次試驗驗證結果如下：

(1) 該工藝方法能有效處理放射性廢塑料，達到預期減容目標，減容比(約15.4)比原壓縮工藝(約9)大幅提高，減少了最終處置廢物體積和成本；

(2) 確定了破碎及熔融過程中的可控參數，其中熔融溫度和水分為減容參數；

(3) 驗證了預壓處理熔融塑料工藝方法的正確性，相較于未經預壓處理，可進一步減少熔融體體積≥16.5%。

圖7 預壓后凝固體及剖切截面狀態圖