一種針對自脆型涂膜技術專用的移動式去污劑噴灑裝置

劉艷陽，葛　超，閆洪峰，陳　宇，安喜平，溫　琦

（中國農業機械化科學研究院，北京100083）

在過去的幾十年中，核安全越來越受到重視，無論是老化和到壽的反應堆退役、核電站運行安全還是新形勢下引起警惕的可能的涉核暴恐事件，存在需要徹底、較快響應速度清除放射性物質的具體需求[1-2]。放射性污染物的存在，對人員和生態環境形成巨大威脅，放射性污染清除的一般技術要求是將含有放射性核素的物質進行就地濃縮、集中和移除出作業區，而放射性污染物質會隨著人員車輛移動、空氣和水流的流動擴散，從而擴展這種威脅。

國際上很多先進的物理或化學法已經被用于核設施去污，如等離子體、超聲波去污、超臨界流體萃取技術、電化學方法等[3-5]。但這些方法存在不同的限制[6]，如高壓水結合水處理裝置的核污染去除裝置，必須嚴格控制水流的流動擴散和廢水的處置，存在較大的難度。近年來，國內外在傳統化學法利用化學清洗劑溶解放射性核素的污膩物或剝離氧化膜層的基礎上[5，7]，發展了一種可快速噴射成膜膠體去除污染的方法，利用具有高粘性膠體均勻噴射至污染表面，利用粘性吸附污染物，并可快速成膜和產生自脆效應剝落回收，已達到快速去除核污染的目的。該方法的優勢是：可在嚴酷環境中，利用膠體噴灑裝置和自脆膜回收裝置進行污染物的去除和回收包裝，不受污染部件的基體材料、去污對象、污染物種類、作業空間等限制，可連續作業和滿足未來無人操作的自動噴灑改造需求。

本文結合前期掌握的高粘性去污劑霧化成膜技術和含放射性成分膜片的回收包裝技術，重點介紹了一種針對自脆型涂膜技術去除放射性污染物，并且能適應在嚴酷環境中，操作便捷，可實現連續作業的霧化噴灑粘性去污劑的專用裝置。

1　自脆型去污劑特性和噴灑設備工作原理

自脆型放射性污染去污劑[8-10]是一種高分子聚合乳（膠）液，以水作為溶劑，通過乳液聚合而成，具有毒性低、穩定性好、粘度適中、使用性能好等優點。并且自脆型放射性污染去污劑去污效率高，去污時不產生廢水，產生的帶載物質少，特別適用于高輻射場所去污作業。液態膠體均勻噴灑形成薄膜后會均勻覆蓋在污染物表面，一定時間會固化成膜，并自脆開裂剝落，整個去污工藝中與噴灑設備匹配使用的是回收自脆膜的回收設備。所使用的膠體在低溫下具有高粘度，且隨溫度升高粘度不斷降低，膠體的粘度曲線如圖1所示。

圖1　膠體溫度和粘度對應關系曲線

“移動式去污劑噴灑裝置”是利用高壓噴射系統增大膠體輸送壓力，利用專用霧化噴嘴霧化膠體噴射成液膜的專用裝置，輕微污染區域可采用防護措施良好的人員操作，特殊場景下也可利用機械手臂操作霧化噴頭，以達到安全操作的目的。整個系統由小巧靈活的主機和噴灑器組成，其中噴灑器和主機使用輸送管路連接。整個系統尺寸較小，并于狹小空間和特殊場景作業，其配合回收裝置的操作工序簡單，其作業流程如圖2所示。在整個作業流程中，可實現噴灑設備主機與污染源保持一定安全距離，所有工作時序和操作均在主機中控制，噴灑裝置的霧化噴頭可采用防護措施到位的人工（輕度污染區域）和機械手臂操作模式，霧化噴涂可保障一定空間和區域內無論是頂部空間還是夾角區域均勻的膠體噴射。同時在設備工作模式中，增加了管路和泵的清水清洗功能，當外掛料筒裝清水時，啟動清洗模式，設備將開展相關管路的自清洗功能，將管路內部的膠體完全清除，滿足后續作業需求。

圖2　去污裝置作業流程

其中為了提高高分子膠體成膜的連續性，連續供料系統對自脆型放射性污染去污劑輸送到專用工作容器中進行輸送與消泡，最終采用高壓噴灑系統對消泡好的自脆性放射性沾染洗消劑經高壓霧化，使自脆型放射性污染去污劑均勻地噴灑到放射性污染表面，經一段時間固化成膜，自行脫落，實現去污。

2　移動式去污劑噴灑裝置構成

移動式去污劑噴灑裝置采用模塊化設計，將動力系統、工作系統、電控系統均設計成相互獨立的功能模塊；由汽油發電機組、燃油箱、高壓噴灑系統、工作容器以及連續供料系統等部分組成，移動式去污劑噴灑裝置系統組成如圖3所示。對相關主要部件和子系統設計和功能詳細介紹如下：

圖3　移動式去污劑噴灑裝置系統組成圖

2.1　動力系統

移動式去污劑噴灑裝置采用汽油機發電機組和220 V市電兩種模式作為動力系統來提供裝置去污過程所需動力，滿足室內和野外特殊作業場景的污染物去除要求；發動機組橫置于裝置底盤后部，其控制面板以及手啟動手柄朝后；在發電機組上方橫置燃油箱，將加油口通過軟管引出裝置之外；發電機組前方右側為工作容器，前方左側下方為供料泵，上方為噴灑泵。裝置工作溫度為-40~55℃，功率為2 kW，汽油發動機可帶動系統工作4 h以上，滿足連續作業需求。

2.2　供料系統

連續供料系統是移動式去污劑噴灑裝置關鍵部位，是去污清除作業連續工作，保證效率的前提條件，實現設備長時間不間斷工作；連續供料系統由供料泵、運輸桶、工作容器總成、吸料管、液位開關傳感器、輸料管和三通閥組成；在去污清除作業時，系統選擇噴灑模式，供料泵通過吸料管將運輸桶內的去污劑輸送到工作容器，在工作容器內進行消泡，經液位開關傳感器測量，當工作容器液位達到100%時，供料泵自動停止工作；當液位低于設定值30%時，供料泵自動啟動，由此保證工作容器內有足夠的去污劑供高壓噴灑系統持續工作；當液位低于30%，設備持續進行聲光報警，提示更換運輸桶，以此保證連續供料系統具備實時監控，可進行全閉環自動化控制；當系統選擇清洗模式時，供料系統不受工作容器內的液位控制；工作容器與底盤采用鉸鏈機構鉸連接，可對工作容器進行90°翻轉，將容器內殘余去污劑倒出，并用專用清洗槍對容器內進行高壓沖洗，保證容器內干凈整潔。連續供料系統控制原理圖如圖4所示。

圖4　連續供料系統控制原理圖

2.3　高壓噴灑系統

高壓噴灑系統是移動式去污劑噴灑裝置關鍵部位，是去污清除作業保證效率與效果的核心裝置；高壓噴灑系統由高壓噴灑泵、卷管器、噴槍、噴嘴和相應的管路組成；高壓噴灑系統采用高壓無氣噴涂技術，在去污清除作業時，系統選擇噴灑模式，利用電動柱塞式高壓泵對去污劑施加高壓，使去污劑高速從噴槍小孔噴出，與空氣發生激烈沖擊而霧化，并噴射在被污染的表面，高壓噴槍由槍體、針閥、噴嘴、扳機組成，沒有空氣通道，噴槍輕巧、堅固密封；噴嘴設計為扇面形狀，霧化射流。當工作容器中去污劑消耗完畢，液位處于0位時，系統自動關閉高壓噴灑泵，防止空氣進入管路，影響噴灑效果，當工作容器中去污劑液面高于30%，高壓噴灑泵自動啟動，繼續進行噴灑工作，如此不斷往復循環。采用高壓無氣噴涂技術、專用扇面設計噴嘴與自動控制技術，共同保證了此裝置去污清除作業具有良好效率與效果。高壓噴灑系統工作原理圖如圖5所示。

圖5　高壓噴灑系統工作原理圖

3　設備實現的功能參數及試用情況

3.1　設備功能參數

通過上述設計，實現了高粘度去污劑噴灑裝置的研制，實現了自重輕、小巧靈活的裝備設計，同時可以滿足寬幅工作溫度和大流量輸送條件下，100 m2/h最小噴灑工作速率下的工作需求，滿足特殊場景下污染物快速作業去除需求，設備樣機如圖6所示。

圖6　移動式去污劑噴灑裝置樣機

可噴灑去污劑粘度上限：2 000 mPa·s；

噴灑速率：＞100 m2/h（成膜厚度1 mm時）；

最大工作壓力：230 bar；

最大輸送流量：2.6 L/min；

整機尺寸：1 170 mm×750 mm×1 030 mm；

整機重量：160 kg；

工作環境溫度：5～50℃.

3.2　試用情況

在工作溫度下，去污劑粘度為500 mPa·s時，對去污劑霧化效果和在水泥、鋼板等材質表面進行了噴灑驗證，結果如圖7所示，結果表明，去污劑噴灑裝置可以實現高粘度去污劑的均勻霧化和大流量噴灑效果，在水泥和鋼板等基材表面成膜效果良好，自脆效應產生后，可剝離表面粘附物質，快速實現自脆膜的回收，滿足污染物回收要求。

圖7　裝置霧化及試用效果

4　結束語

結合新型的核污染去污劑高粘度等特點，設計了小巧靈活、適應多種特殊場景、噴射端和主機分離等特性的移動式去污劑噴灑裝置，以適應其復雜的工作環境和場景，該裝置結構簡單，利用工作原理和關鍵部件優化，實現了大流量、高壓力均勻噴射霧化適應短時間內大面積作業需求，貼合核輻射環境下快速清理污染物要求；同時該裝置轉運和移動快捷方便，操作簡單，具有很高的實用價值，經過試用實現了連續快速去污劑霧化和自脆膜沉積，該裝置即將開展進一步驗證和應用。