水泥固化線樹脂傳輸管線樹脂比例變化的原因分析及處理

摘 要：針對某水泥固化線樹脂傳輸管線中樹脂與水的比例變化問題進行了原因分析，并提出了處理方案和驗證方案，為類似工藝處理系統的設計提供了參考。

關鍵詞：水泥固化系統;廢樹脂;攪拌;比例

0 引言

水泥固化系統是放射性液體及固體廢物的最終處理系統，其實用性及運行可靠性對于放射性廢物的安全處理及整備起到決定性作用。水泥固化桶外攪拌工藝在國內尚屬先例，具有自動化程度高、測量控制精密、動作邏輯及工藝系統復雜等特點。

本文對某水泥固化線樹脂傳輸管線樹脂與水比例變化的原因分析及處理方案進行了論述，以期能夠為其他工藝系統及廢物處理系統設計提供參考。

1 問題背景

核設施凈化系統中產生的高劑量放射性廢樹脂，經過沖排操作貯存在樹脂罐中，待貯存到一定量后采用水泥固化工藝進行固化處理，生產的水泥固化體性能需滿足國標《低、中水平放射性廢物固化體性能要求—水泥固化體》（GB 14569.1—2011）的相關要求，最終暫存后送至中低放廢物處置場處置。

水泥固化桶外攪拌工藝主要工藝原理：放射性廢樹脂在樹脂罐中進行充分攪拌和打循環，以確保放射性廢樹脂和水是均勻分布的，經過充分攪拌的放射性廢樹脂和水按照一定比例均勻地用計量泵輸送至攪拌器中與干料（水泥、石灰等）充分攪拌混合后輸送至金屬桶中，最終形成水泥固化體。

為了確保最終生產出的水泥固化體性能滿足國標要求，要求進入攪拌器的干料和濕料量滿足配比要求，并能得到充分攪拌，其中對于濕料要求是樹脂與水質量比例恒定。

某水泥固化系統現場調試過程中，發現攪拌器進口管線樹脂與水比例是變化的（樹脂與水的比例在0.35～1.0波動），不滿足設計和配方要求，將導致進入攪拌器的樹脂與水的比例不固定且不滿足配比要求，無法生產出滿足國標要求的水泥固化體。

2 原因分析

根據對現場情況進行分析，導致樹脂傳輸管線樹脂與水比例變化且不均勻的主要原因有如下幾個方面：

（1）取樣方法不合理。經過對取樣數據分析，樹脂與水的比例是變化的且變化范圍較大，說明樹脂與水的比例不是恒定的，不滿足配比要求，取樣結果是可信的。另外，對取樣方法也重新進行了驗證，包括對電子稱、濾布、容器等進行了檢查，并模擬了取樣過程，模擬取樣結果與理論計算結果一致，排除了取樣方法不合理的因素。

（2）樹脂管線設計和安裝布置問題。樹脂和水在樹脂罐中混合均勻后，通過樹脂管線進行輸送，樹脂比水密度大，若樹脂管線較長，樹脂管線彎管較多且弧度較小等都會影響樹脂在管線中的傳輸，導致樹脂與水比例發生變化且不恒定。經過對樹脂管線核查，設計時已經考慮了樹脂管線布置問題，包括設計時盡量減少樹脂輸送管線長度，樹脂管線盡量減少豎直段，盡量布置在一個水平面上，盡量減少彎管部分（彎管長度滿足5D要求）。從設計和安裝方面進行核查分析，樹脂管線設計和安裝布置是合理的，對樹脂管線中樹脂輸送基本沒有影響。為了驗證理論分析的可靠性，現場在樹脂罐出口附近設置取樣點，按照之前的取樣方式進行取樣。取樣結果與之前的結果基本一致，表明本系統出口管線樹脂與水比例變化且不均勻不是由樹脂管線設計和安裝布置造成的。

（3）樹脂罐攪拌槳設計問題。現場對樹脂罐在不同液位下進行了取樣，結果為：液位變化從1.8～1.3 m，樹脂與水的比例在0.35～1.0波動，在高液位時基本能達到配比要求，在低液位時遠達不到配比要求。由此可知，樹脂罐內樹脂攪拌效果不好導致了樹脂罐出口樹脂與水的比例變化。經過核查攪拌槳設計文件，發現設計時未考慮樹脂與水在任何液位下攪拌均勻的明確要求。攪拌槳和樹脂罐設計時沒有做CFD流場分析，完成設計時也沒有做模擬件進行實驗驗證，導致現場安裝完成后，調試試驗時無法滿足系統工藝所需的樹脂與水的比例恒定的需求。

3 解決方案

針對以上情況，分別在高液位和低液位情況下對樹脂罐建立CFD模擬流場進行分析。從分析結果來看，如圖1所示，在攪拌時間達到200 s后，樹脂在罐內大部分區域分布都比較均勻，只有在罐壁區域會有比較多樹脂積聚，高液位時混合效果比低液位混合效果更好，與現場取樣結果基本吻合。高液位時為兩級槳運行，攪拌強度相對大些，攪拌效果相對好些。低液位時為單級槳運行，攪拌強度較低，攪拌效果差些，單級槳把樹脂打到下封頭后，沒有足夠的揚起行程，導致樹脂在封頭底部沉積，從而造成了底部的樹脂比例偏高，而液位高的地方樹脂比例偏低的現象。基本可判斷攪拌器攪拌強度不足導致樹脂罐內樹脂分布不均勻。

為了增強攪拌效果，需采用攪拌強度較大的攪拌槳，考慮到原設計電機功率、攪拌軸強度、碰壁風險等，將原推進式攪拌槳葉更換為軸流型四葉槳葉，如圖2所示，該槳葉為特殊設計的用于固體懸浮混合的軸流型槳葉，正好適用于樹脂罐中樹脂和水的攪拌工況。

為了模擬新型攪拌槳葉的攪拌效果并獲取底層槳葉的最佳攪拌位置，在實驗室進行了樣機實驗，通過調低底層槳葉的位置，獲取了使底層槳葉對于罐底的物料推進作用最強的槳葉位置。

4 試驗結果

根據樣機試驗結果，現場更換了新型攪拌槳葉，按照實際運行工況將樹脂和水按照一定比例配置裝入樹脂罐進行混合攪拌（從低液位逐步往高液位添加），從低液位到高液位進行取樣分析，取樣結果如表1所示。

從表1可以看出，樹脂罐出口管線樹脂與水的質量比和樹脂罐內樹脂與水的真實質量比基本保持一致（在誤差范圍內），攪拌槳在不同工作液位均能將樹脂攪拌均勻，確保樹脂罐出口管線樹脂和水的比例恒定不變。

5 結語

放射性廢物水泥固化線樹脂混合物輸送劑量系統對于固液比例有較高的精度要求，若無法達到配比要求，將導致生產出的水泥固化體無法滿足國標要求。水泥固化系統在設計、安裝和調試時需要重點關注如下幾點：

（1）廢樹脂輸送管線要綜合考慮布置，包括減少樹脂輸送管線長度，減少豎直段，盡量布置在一個水平面上，盡量減少彎管部分等，以減少對樹脂與水比例造成的影響。

（2）樹脂罐攪拌效果需充分考慮系統工藝要求，并進行必要驗證，包括流場分析、工廠模擬試驗和現場調試試驗等。

以上關注點對于其他輸送固液混合物且有計量比例要求的系統設計具有重要的參考意義。

[參考文獻]

[1] 低、中水平放射性廢物固化體性能要求—水泥固化體：GB 14569.1—2011[S].

收稿日期：2020-01-08

作者簡介：李科（1983—），男，四川成都人，工程師，從事放射性固體廢物處理工作。