研磨工藝在廢樹脂熱態超級壓縮技術上的應用

，

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

核電站通常使用樹脂來凈化核島一回路水質，樹脂分為珠狀樹脂和粉末狀樹脂兩種規格，壓水堆核電站通常使用珠狀樹脂，沸水堆核電站通常使用粉末狀樹脂。樹脂一旦失效后必須進行更換，因此核電站每年都要產生一定數量的廢樹脂。廢樹脂是彌散性物質[1]，帶有一定的放射性，屬于中低放固體廢物，因此必須進行妥善的處理或處置。目前我國的核電站絕大多數為壓水堆型核電站，主要采用水泥固化的方式對廢樹脂進行處理，但這種處理方式為增容方式，不符合IAEA提出的核廢物處理和處置的最小化設計原則[2]。

近年來，為了使廢樹脂能夠有效減容，廢樹脂熱態超級壓縮技術憑借成熟的工藝得到了廣泛推廣。但是珠狀樹脂本身的壓縮特性對該工藝存在一定的挑戰，因為珠狀樹脂壓縮后不能形成穩定的固定體，會產生回彈現象。雖然加入專用添加劑可以克服壓縮桶餅的回彈，但無形之中也增加了廢物體積，在一定程度上影響了廢物的減容效果?；诖?，田灣核電站最新引進的廢樹脂熱態超級壓縮技術中采用了研磨工藝，將珠狀樹脂研磨成粉末狀樹脂，徹底解決了廢樹脂壓縮桶餅的回彈問題，且減容效果顯著。本文將介紹研磨工藝的流程、工藝特點及優勢，分析研磨工藝對熱態超壓技術的重要作用和應用前景。

1 廢樹脂熱態超級壓縮技術

在國外，廢樹脂熱態超級壓縮技術已在德國Philippsburg核電站和比利時Tihange核電站成功應用超過20年，并成功生產了超過3 800個壓縮桶餅[3]。在國內，三門核電站和田灣核電站也同樣使用熱態超級壓縮技術處理廢樹脂。相對于傳統的水泥固化、樹脂脫水后裝入高完整性容器等技術方案，廢樹脂熱態超級壓縮具有工藝成熟且先進、減容效果好、處理步驟簡單等優勢。

廢樹脂的熱態超級壓縮技術的核心理念是將廢樹脂烘干，并在廢樹脂處于熱態時裝桶超壓，形成廢樹脂壓縮桶餅，以此實現廢物的減容。沒有引入研磨工藝的熱態超級壓縮技術是在廢樹脂經過接收、計量后，直接送入錐形干燥器中烘干。錐形干燥器加熱前先用氮氣進行吹掃，然后加熱至160℃，烘干過程中產生的水蒸氣通過冷凝器冷凝后，液體集中收集到冷凝液罐中，氣體通過高效過濾器處理后排放。

在樹脂顆粒處于熱態時裝入165 L(或160 L)桶中，經自動封蓋機封蓋后送往超壓機進行超壓處理。超壓機的最大壓力為2000 t，可以設定及調整不同的壓力及壓縮速率，超壓時，裝有廢樹脂的165 L桶需要在設定壓力下保壓20 min，以便獲得穩定的桶餅。

壓縮后的桶餅放置在桶餅優選區域，經優選程序優化組合后選取2至3個桶餅后裝入200L桶，然后送到灌漿站進行灌漿處理。灌漿封蓋后的200L桶放置輥道上養護一段時間，經桶體劑量監測儀測量桶體表面劑量率等參數后，送到廢物暫存庫中暫存。廢樹脂熱態超級壓縮工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 廢樹脂熱態超級壓縮工藝流程Fig.1 The process of hot super-compactionfor the spent resin

2 研磨工藝的應用及特點

2.1 工藝流程

田灣核電站最新引進的熱態超級壓縮技術中引入了廢樹脂研磨工藝，研磨工藝主要由研磨機、緩沖罐和循環泵3部分設備組成。濕樹脂和水的混合物先轉運到廢樹脂接收罐接收存儲，然后送入廢樹脂計量罐，通過計量罐調整廢樹脂和水的比率，當廢樹脂和水的比率達到50%/50%時，將計量罐中的廢樹脂送到研磨系統緩沖罐中。緩沖罐的容積約為500 L，容積錐形干燥器大小一樣，恰好滿足錐形干燥器一次干燥的量。緩沖罐中設有攪拌器，防止樹脂沉淀到緩沖罐底部。啟動循環泵，將濕樹脂和水的混合物送到研磨機中進行研磨，研磨后形成樹脂泥漿(見圖2)，樹脂泥漿通過循環泵返回到緩沖罐中，如此循環往復。經過2 h左右的研磨，當樹脂顆粒泥漿達到d50=30 μm時，研磨過程停止，然后將樹脂泥漿送到錐形干燥器中進行烘干。

圖2 研磨后的樹脂泥漿Fig.2 Resin slurry after grinding

每次研磨后，需對研磨機和緩沖罐進行沖洗，防止樹脂泥漿堵塞管道和設備，沖洗水也將被送入到錐形干燥器中，保證沒有二次廢物的產生。工藝流程簡圖如圖3所示。

圖3 研磨工藝和超壓工藝流程簡圖Fig.3 The process of grinding and hot super-compaction

2.2 工藝特點及優勢

2.2.1 不使用粉末添加劑，經濟性能好

目前已知國內外采用熱態超級壓縮技術的核電站，都沒有使用研磨工藝，而必須在樹脂干燥過程中加入專用的聚丙烯(Polypropylene)添加劑[4]。據了解，這種專用的添加劑價格昂貴且需要從國外購買，造成業主運行成本大幅增加，若采用研磨工藝，雖然前期需要增加一些設備投資，但從長期運行、多機組集中處理方面考慮，研磨工藝的投資成本要遠低于使用添加劑的經濟成本，應用前景廣闊。

2.2.2 有效解決廢物壓縮桶餅回彈

珠狀樹脂的物理特性決定了樹脂本身具有一定的彈性，類似于“彈力球”，因而在壓縮的過程中不可避免地出現回彈現象，壓縮餅不能形成穩定的固定體。雖然將樹脂加熱到一定溫度再超壓后能降低樹脂的回彈，但仍不能徹底解決，一段時間后壓縮餅內的樹脂將在桶餅內部產生應力，破壞桶餅包裝的完整性。沒有引入研磨工藝的廢樹脂熱態超級壓縮技術需要在樹脂烘干末期，在錐形干燥器中添加10%～30%的粉末添加劑，填充到樹脂之間的空隙中，增加廢樹脂之間的粘結性，將樹脂緊密地粘合在一起，以克服珠狀樹脂在壓縮后的回彈，獲得較為穩定的壓縮固定體。但加入添加劑本身是一個增容過程，會造成最終處置廢物的增加。

研磨工藝能夠從根本上解決壓縮桶餅回彈問題，通過研磨機將珠狀樹脂研磨成樹脂粉末，徹底改變了珠狀樹脂的原有結構，相對于珠狀樹脂，粉末狀樹脂的壓縮性能優于珠狀樹脂的壓縮性能，烘干后形成易于壓縮的“石頭”狀顆粒(見圖4)。表1列出了研磨樹脂在熱態超級壓縮后形成的桶餅高度、桶餅直徑，以及經過48 h放置后的桶餅高度值。

圖4 烘干后的研磨樹脂Fig.4 Ground resin after drying

從表1可以看出，超壓后的桶餅經過48 h放置后，高度與剛剛超壓后的桶餅高度一致，桶餅直徑也沒有變化，不存在回彈現象，也沒有桶餅變形的情況發生。

表1 超壓后48 h內桶餅高度

備注：165 L鋼桶直徑為500 cm。

2.2.3 廢物減容效果顯著

廢樹脂熱態超級壓縮技術的減容效果主要體現在研磨階段、烘干階段和超壓階段。在廢樹脂熱態超級壓縮技術沒有引入研磨工藝前，珠狀樹脂經過烘干、超壓，用200 L鋼桶包裝后的減容比可達1.4[5]。在引入研磨工藝后，珠狀樹脂經研磨、超壓后，其減容效果要比純珠狀樹脂壓縮減容效果提高30%，比加入添加劑壓縮減容效果提高40%，減容比可達3，用200 L桶包裝后的減容比可達2.3[6]。因此，在相同廢樹脂處理量情況下，在廢樹脂熱態超壓引入研磨工藝可以獲得更大的減容比，顯著地提高廢物的減容效果。不僅減少了廢物包體積，同時也節省了廢物庫暫存的空間，緩解了廢物最終處置的壓力。

3 結束語

研磨工藝的應用徹底解決了廢樹脂壓縮桶餅回彈問題，減容效果顯著，為廢樹脂熱態超級壓縮技術開辟了新的思路。隨著廢樹脂熱態超級壓縮技術在核電站廢物處理領域中的不斷推廣和應用，研磨工藝必將成為熱態超壓技術中不可或缺的重要環節。