鈷-60高放廢液處理裝置研制及應(yīng)用

黃祖程

(中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司創(chuàng)新研發(fā)中心 四川廣元 628000)

某鈷-60 密封源生產(chǎn)線整改過程中，采用化學(xué)去污方法在熱室內(nèi)對不銹鋼包殼、鋯靶件、機(jī)械手等可酸洗的廢物進(jìn)行清洗去污，產(chǎn)生去污液表面劑量率高于1 Gy/h，經(jīng)計算廢液放射性濃度大于1011Bq/L，按照放射性廢物分類標(biāo)準(zhǔn)[1]，該廢液屬于高放廢液。通過對廢液處理方法分析及評價[2]，最終選定沉淀過濾的方法進(jìn)行廢液處理，使廢液中的絕大部分鈷-60 離子與添加劑反應(yīng)形成沉淀[3]，同時加入鈷-59 作為載帶體，進(jìn)一步提高廢液的凈化效率，降低廢液中鈷-60 離子的含量，使處理后的廢液達(dá)到低放水平。然后通過過濾實(shí)現(xiàn)固液分離，分離后的液體為低放廢液達(dá)到配套處理設(shè)施的要求。為了安全可控地進(jìn)行鈷-60高放廢液處理，根據(jù)現(xiàn)場情況與工藝要求，進(jìn)行了鈷-60高放廢液的處理裝置的研制與現(xiàn)場應(yīng)用。

1 處理裝置基本功能及要求

根據(jù)鈷-60 高放廢液沉淀過濾工藝要求，處理裝置應(yīng)設(shè)有沉淀反應(yīng)系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、固液回收系統(tǒng)等，具備廢液發(fā)生沉淀反應(yīng)、固液過濾分離、固液回收的功能。

針對處理的鈷-60 高放廢液具有強(qiáng)輻射性，處理裝置應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、穩(wěn)定性高、可靠性好、易去污等要求。

2 處理裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

每批次清洗產(chǎn)生鈷-60 高放廢液約30 L，為了確保現(xiàn)場廢物清洗產(chǎn)生的廢液能夠及時、順利地處理，滿足下個批次廢物清洗的需要，以及處理裝置的去污、拆除的需要，處理裝置應(yīng)滿足每個清洗批次廢液的接收和處理；處理能力達(dá)到3～5 L/h；經(jīng)清洗去污后，系統(tǒng)殘余放射性低于百萬分之一。

3 處理裝置研制

處理裝置主要包括沉淀反應(yīng)系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)，其中固體回收系統(tǒng)主要通過操作機(jī)械手實(shí)現(xiàn)過濾物的收集及裝容，因此主要對沉淀反應(yīng)系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)進(jìn)行了以下研究。

3.1 沉淀反應(yīng)系統(tǒng)研究

根據(jù)沉淀工藝的要求，沉淀反應(yīng)系統(tǒng)主要包括反應(yīng)槽、加料槽、pH 計、液位計，各設(shè)備、部件布置如圖1所示。主要設(shè)備、部件要求如下。

圖1 沉淀反應(yīng)系統(tǒng)布局示意圖

3.1.1 反應(yīng)槽

熱室只設(shè)有一個Φ25的預(yù)留孔，與反應(yīng)槽、過濾槽相接的管道、線纜均需通過該孔道敷設(shè)，為盡量減少熱室內(nèi)管道、線纜的長度，反應(yīng)槽的位置應(yīng)與預(yù)留孔相近。與預(yù)留孔相近的熱室臺面尺寸為1.2 m×1 m，預(yù)留孔為該臺面的中心位置，距臺面高0.3 m，同時考慮機(jī)械手操作的能力（離機(jī)械手安裝側(cè)墻體0.3 m），確定了反應(yīng)槽的尺寸：上半部尺寸為0.35 m×0.35 m×0.35 m，下半為0.35 m×0.35 m×0.2 m錐形體，由4根高均為0.6 m的不銹鋼角鋼做支撐。

為了使鈷-60高放廢液與添加液反應(yīng)生成的沉淀能夠順利、徹底地排出，反應(yīng)槽底部設(shè)計為錐形，混合液從錐形底部排出，排出部位布局剖面如圖2所示，錐度大于鈷-60沉淀物的“安息角”45°。

圖2 反應(yīng)槽錐部剖面示意圖

3.1.2 pH計

鈷屬于兩性元素，過酸、過堿環(huán)境均能生成鈷離子，同時根據(jù)沉淀工藝要求，“先加入適量溶度的NaOH 溶液，調(diào)節(jié)廢液pH 值到適當(dāng)?shù)臄?shù)值，然后加入適量的鈷-60 沉淀物反應(yīng)劑，使絕大部分鈷-60 離子形成沉淀”。因此沉淀反應(yīng)系統(tǒng)必須設(shè)置pH 值監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時對廢液的pH 值進(jìn)行測量。根據(jù)pH 計[4]的調(diào)研情況，選用的pH 計測量范圍為-2.00～16.00，精度為±0.01 pH，可遠(yuǎn)程液晶顯示。

3.1.3 攪拌

為了使鈷-60 離子與沉淀物反應(yīng)劑充分反應(yīng)，需設(shè)置攪拌裝置，同時考慮檢修方便和二次廢物量小，選用了壓空吹氣攪拌，壓空吹氣位置如圖2 所示。為減少廢液往壓空管道串流，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式：p=ρgh+p0（ρ為液體密度取1.08 g/mL；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為液面高度，取0.55 m；p0為熱室氣壓，為101.125 kPa），經(jīng)計算壓空吹氣的最小壓力應(yīng)大于106.946 kPa，為了確保攪拌效果，壓空吹氣壓力應(yīng)可調(diào)節(jié)。經(jīng)市場調(diào)研選用了壓力為0.7 MPa，排氣量為120 L/min，儲氣罐容量為50 L 的空壓機(jī)為攪拌提供氣源，并建立了壓空系統(tǒng)[5]。

攪拌吹氣管道采用Φ10×2 mm的不銹鋼管道，為了防止廢液從吹氣管道串流出熱室，管道在熱室內(nèi)按“幾”字型安裝，最高點(diǎn)高于反應(yīng)槽頂部。

3.1.4 液位計

根據(jù)沉淀工藝要求，須通過液位計測量液位，計算廢液體積，并根據(jù)pH 值，最終計算出廢液中的氫離子（H+）總量，方可計算添加沉淀劑溶液的量。同時考慮檢修方便、二次廢物量小以及耐強(qiáng)輻射的要求，選用了吹氣式液位計[6]。經(jīng)市場調(diào)研選用的吹氣液位計量程為0～0.6 m，精度為±1 mm，可實(shí)時遠(yuǎn)程液晶顯示。吹氣式液位計的氣源由上述的空壓機(jī)提供。

吹氣管道采用Φ10×2 mm的不銹鋼管道，為了防止廢液從吹氣管道串流出熱室，管道在熱室內(nèi)按“幾”字型安裝，最高點(diǎn)高于反應(yīng)槽頂部。

3.1.5 尾氣處理系統(tǒng)

反應(yīng)槽整個裝置位于熱室內(nèi)，反應(yīng)槽運(yùn)行產(chǎn)生的尾氣通過Φ10×2 mm的不銹鋼管道排入熱室排風(fēng)口。

3.2 過濾系統(tǒng)研究

過濾收集的沉淀物具有強(qiáng)放射性、高污染性等特點(diǎn)，對過濾系統(tǒng)要求：結(jié)構(gòu)簡單、可遠(yuǎn)距離操作、有效收集沉淀物、系統(tǒng)可靠性好、易去污、產(chǎn)生的二次污染物少等，針對目前固液過濾主要采用重力、離心、加壓、真空過濾，通過不同的過濾方式在過濾速度、成本、沉淀物收集、濾液收集、結(jié)構(gòu)、操作性、安全性等方面的對比分析如見表1 所示。經(jīng)過對比分析，真空過濾具有過濾速度快，結(jié)構(gòu)較簡單，沉淀物收集較易，運(yùn)行過程管道、閥門難以漏液安全性高等特點(diǎn)，因此選擇了真空過濾對強(qiáng)輻射混合液進(jìn)行過濾。

表1 過濾方法對比分析表

真空過濾系統(tǒng)主要包括過濾槽、濾布、真空泵、濾液收集箱、管道、閥門等組成，各設(shè)備、部件布置如圖3所示。主要設(shè)備、部件要求如下。

圖3 真空過濾示意圖

3.2.1 過濾槽

由于沉淀物具有強(qiáng)放射性，因此過濾槽選用結(jié)構(gòu)簡單的倒錐形設(shè)計，便于濾布的放置及收集；同時為了加快過濾速度及確保過濾效果，擬用兩級過濾，因此在過濾槽內(nèi)設(shè)置了柵板平臺，用于安裝一級過濾濾網(wǎng)袋。

過濾槽采用不銹鋼板制成倒錐形，尺寸為0.3 m×0.3 m×0.1 m，在錐形中部設(shè)置了一個0.15 m×0.15 m的不銹鋼柵板平臺，并用4根高均為0.3 m的不銹鋼角鋼做支撐。錐形底部與Φ10×2 mm的不銹鋼管連接。

3.2.2 濾布

沉淀物的粒徑約1.5 μm[7]，且混合液為強(qiáng)堿性，因此，為了加快過濾速度及確保過濾效果，擬用兩級過濾，其中一級過濾擬用100 目、200 目、300 目的不銹鋼濾網(wǎng)[8]進(jìn)行過濾，二級過濾擬用2 000 目、5 000 目耐酸堿濾布進(jìn)行二次過濾，最終通過冷調(diào)試確定一、二濾網(wǎng)和濾布的參數(shù)。

3.2.3 濾液收集箱

濾液收集箱應(yīng)容量須大于每個批次濾液收集量，采用不銹鋼板加工制作了尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m濾液收集箱，并采用4 根高為0.2 的不銹鋼角鋼做支撐；箱體一側(cè)設(shè)置了玻璃管液位計，判斷箱體內(nèi)收集的濾液量；箱體底部設(shè)置取樣、排放閥門。

3.2.4 真空泵

經(jīng)過調(diào)研選用了雙真空室過濾機(jī)[9]，抽氣速率為4 L/s，極限真空為0.06 Pa。

4 處理裝置現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 處理裝置安裝及調(diào)試

4.1.1 裝置加工及安裝

根據(jù)現(xiàn)場熱室布局的情況，以及機(jī)械手夾持能力和操作范圍，現(xiàn)場加工制作了不銹鋼廢液反應(yīng)槽、加料槽、過濾槽、濾液收集箱，并和管道、閥門、真空泵、pH計、空壓機(jī)等進(jìn)行了組裝，組裝完成的裝置見圖4。

圖4 沉淀過濾裝置局部圖

4.1.2 處理裝置冷調(diào)試

處理裝置冷調(diào)試主要包括pH 計、液位計標(biāo)定工作，其中pH 計標(biāo)定參考智能pH 計測量原理及穩(wěn)定性試驗(yàn)[5]開展標(biāo)定試驗(yàn)；系統(tǒng)水試運(yùn)行獲取攪拌系統(tǒng)壓空壓力參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可操作性；模擬料液沉淀、過濾冷調(diào)試確定了沉淀物真空過濾濾布以及過濾級次。關(guān)鍵點(diǎn)為濾布和過濾級次的確定，其中通過二級濾布選擇試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，可知采用單級過濾時，當(dāng)濾物積累到一定量時，過濾速度下降，當(dāng)提高真空度時2 000 目和5 000 目濾布濾穿，因此單級過濾無法滿足需求，需增加過濾級數(shù)；用5 000 目濾布過濾時間稍微長些，但處理的廢液量多，且更耐負(fù)壓，因此采用5 000 目濾布進(jìn)行二級過濾。通過一級濾布選擇試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可知采用兩級過濾，可實(shí)現(xiàn)混合液的過濾，一級過濾采用200目不銹鋼濾網(wǎng)過濾，二級過濾采用5 000目濾布過濾效果最好。

表2 二級濾布選擇試驗(yàn)一覽表

表3 一級濾布選擇試驗(yàn)一覽表

4.2 處理裝置熱運(yùn)行

現(xiàn)場進(jìn)行了3個批次鈷-60高放廢液處理，共處理廢液約100 L，廢液總活度約200 Ci，歷時約28 h。處理后的濾液經(jīng)取樣分析達(dá)到低放水平，系統(tǒng)去污后殘余的放射性極少，反應(yīng)槽的表面劑量率達(dá)到1～8 μGy/h,取反應(yīng)槽內(nèi)表面樣分析，并估算處理裝置殘余放射性總活度約4.5×105Bq，系統(tǒng)殘余率約為6×10-8。

5 結(jié)語

通過鈷-60高放廢液處理裝置的研制、調(diào)試，成功接收、處理了3 個批次清洗廢液，將鈷-60 高放廢液處理至低放水平，處理裝置的處理能力和系統(tǒng)放射性水平殘余率達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。受現(xiàn)場布局的影響，此次處理裝置未考慮過濾收集的濕廢物烘烤研究，現(xiàn)場采用烤燈進(jìn)行烘烤，建議進(jìn)行過濾、烘干一體機(jī)的研究。