模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置故障診斷與分析

摘 要 高放廢液的高效穩定處理處置一直是核工業中的重難點之一，為探索通過噴霧煅燒方法實現高放廢液轉形處置的可行性，自主研發了模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置。重點闡述了該試驗裝置在調試運行過程中出現的設備故障、試驗設備故障的診斷與分析以及對應的解決措施。該試驗裝置出現的典型故障主要包括：中頻感應線圈與溫度探針接觸打火、噴嘴堵塞與高溫燒蝕、流量計齒輪卡死與振動器高溫失效等。采用故障樹分析法進行故障診斷分析，優化了中頻感應線圈的支撐方案與絕緣措施，改進了噴嘴選型并優化噴霧工藝流程，優化了廢液流量計量方案并新增流量傳感器，并提出了振動器的阻熱方案，最終完成對模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置的優化改進。

關鍵詞 高放廢液處理 噴霧煅燒 設備 故障診斷 改進措施

中圖分類號 TL94" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2025）02?0322?07

經過乏燃料處理后產生的高放廢液[1，2]仍包含乏燃料中99%以上的裂變產物和次錒系核素[3]。高放廢液具有成分復雜、放射性強、腐蝕性強及毒性強等特點[4]，它的處理處置一直是核工業中的重難點之一。目前，世界上普遍認可且技術相對成熟的是高放廢液玻璃固化技術[3，5～7]。中國原子能院對兩步法冷坩鍋玻璃固化技術[8，9]做了相關研發，文中所述的高放廢液轉形技術是兩步法冷坩鍋玻璃固化技術的第1步，具體是指將高放廢液在高溫條件下蒸發、煅燒，最終形成固態煅燒產物[10]。

目前，獨立預處理高放廢液煅燒工藝方法有很多，如罐式煅燒法、回轉爐煅燒法、流化床煅燒法、微波煅燒法及噴霧煅燒法等[11]。噴霧煅燒設備具有結構簡單、操作維修方便及煅燒效率高（可直接將高放廢液干燥成粉末，干燥過程迅速）等優勢。美國科研人員基于噴霧煅燒法，研制出噴霧式高放廢液轉形處理試驗裝置用于廢液轉形處理[12]。在本工藝流程得到國際驗證的背景下，基于噴霧煅燒法，自主研發了一臺高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置，用于高放廢液的轉形處理試驗研究，為本處理技術提供了良好的研究平臺。但由于模擬廢液具有腐蝕性強和易結晶的特點，同時本工藝需要試驗裝置提供700 ℃左右的高溫煅燒環境[13]，是本試驗裝置的設計研發、安裝和調試的難點，因此本裝置在安裝調試過程中出現了多種故障。

本課題重點探究自主研發的高放廢液轉形處理試驗裝置的故障機理，并進行診斷改進與分析。對在自主研發高放廢液轉形處理試驗裝置過程中，出現的中頻感應加熱故障、噴嘴故障、流量計故障及振動器故障等問題做了詳細闡述，揭示了問題的本質，在此基礎上，提出了多種改進方案和措施，并進行了裝置改進與升級，之后進行了相關測試，排除以上故障，為后人做相關方面的試驗裝置研發以及核化工設備領域的研究提供了實際工程經驗。

1 模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置工作原理

文中所述設備為一臺套模擬放射性廢物噴霧干燥裝置試驗臺架，由上料系統、噴霧煅燒系統、尾氣過濾系統和產物收集系統組成，該試驗裝置工藝流程如圖1所示。由圖可知，廢液由霧化裝置以霧滴狀態從煅燒室頂部中央噴入爐腔，液滴垂直通過煅燒室被一次蒸發、干燥和煅燒，同時安裝在爐體外側面振動器的間歇振動能夠減少物料在爐內表面的沉積和結垢。煅燒產物依靠重力和振動作用掉入排料斗，進行貯存或者直接玻璃固化。在煅燒過程中產生的蒸汽，經尾氣過濾器過濾，過濾后的尾氣進入尾氣凈化處理系統進行洗滌、吸收等操作，滿足排放標準后最終排放至大氣，為了防止過濾器堵塞、減少過濾壓差，尾氣過濾器需要具備熱空氣反吹功能，將附著在過濾器上的煅燒產物反吹回產物接收斗中。

1.1 上料系統

上料系統包括加料槽、輸料泵、流量計。該系統基本功能為：壓送料液進入噴嘴，同時監測和控制模擬放射性廢液的流量。加料槽內裝有攪拌裝置，其基本功用為貯存廢液并連續監測廢液的體積，攪拌裝置盡可能使料液保持均勻，防止局部結晶沉淀。

1.2 噴霧煅燒系統

噴霧煅燒系統由噴嘴、煅燒爐、加熱模塊和振動器組成，是整個煅燒裝置的核心部分。該系統基本功能為：由上料系統輸送的料液經過噴嘴均勻霧化后，形成直徑小于70 μm的霧化液滴，從噴嘴高速噴入煅燒室，被設置在爐壁外側的加熱模塊依次蒸發、干燥和煅燒，得到含水率小于1%的煅燒產物。同時，在煅燒室爐體外側還設置有振動器，其基本功用為：通過振動器的間歇振動來減少物料在煅燒室內壁的沉積和結垢。煅燒后的產物依靠重力和振動作用掉入產物收集料斗，隨后進入下一步固化處理過程或進行貯存。

1.3 尾氣過濾系統

過濾器操作溫度為400～450 ℃，煅燒爐產生的氣體的粉塵顆粒含量較高，而且顆粒物粒徑很小，最小達到0.1～0.2 μm，過濾器反吹清洗頻率要求較高。同時由于操作工況的限制，過濾器阻塞壓差值要求較低，同時要求過濾元件的壓差較低，反吹效果要好。反吹閥的選型是高溫含塵氣體過濾器的關鍵，尤其是含塵量大，反吹頻繁，操作溫度高的工況，對反吹閥的要求更高，高效的脈沖反吹閥必須做到開啟迅速，大孔泄壓、密封性能好、耐高溫腐蝕、耐高壓等特點。

1.4 產物收集系統

產物收集系統即下料系統，主要包含產物收集料斗與收集罐，產物收集料斗是一個錐形斗。該系統基本功能為接收經過煅燒爐蒸發與干燥的煅燒后粉末產物，將產物收集儲存，最后排出至熔制設備內進行玻璃固化。

2 試驗裝置故障診斷與分析

采用故障樹分析法對設備故障原因進行分析。故障樹分析圖如圖2所示，故障現象為打火問題、流量計無示數和振動器無法正常運行。打火問題的故障原因可能為感應線圈接觸短路故障。流量計無示數的故障原因可能為噴嘴故障和流量計故障。經過分析后發現，高溫影響和廢液結晶堵塞是噴嘴故障的兩種原因。振動器無法工作的原因可能是振動器本身故障或者其無法在高溫條件下工作。

2.1 中頻感應加熱故障診斷與分析

選用該中頻加熱器的原因有如下考慮，工件放到感應器內，向感應器輸入中頻交流電，產生交變磁場[14]。在工件中產生出同頻率的感應電流使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內表面溫度上升到800～1 000 ℃。感應線圈是由銅管繞制而成的，每匝線圈之間的距離小[15]，加熱之前需通入冷卻水，保證其正常運行。本試驗裝置需要進行爐壁的溫度采集，以提供試驗數據，所以溫度傳感器焊接在加熱爐左側的六角螺釘處，共設置8個溫度傳感器，按150 mm等距分布，用于測量爐壁溫度。隨著噴霧煅燒爐溫度的升高，保溫套被加熱，爐子帶著保溫套發生軸向伸長，感應線圈與安插在中頻加熱器之間的熱電偶發生接觸，從而使中頻加熱器短路，發生打火問題，致使中頻控制柜保護機制觸發，直接發生斷電現象。煅燒爐上傳感器實際分布及冷卻水管實物如圖3所示。

2.2 噴嘴故障診斷與分析

噴嘴采用微細霧化噴流噴嘴（圖4a），微細霧化噴流噴嘴只采用液體壓力來產生非常細小的液滴，噴霧形狀呈均勻的空心錐形，通常能獲得濕霧效果[16]，但在真實試驗工況下，隨著煅燒爐溫度的升高，噴嘴在煅燒爐內受到熱輻射與熱傳導的影響，從而使內部殘留的料液發生了蒸干現象，內部的料液固化變成了顆粒，在噴嘴內部發生了堵塞現象（圖4b）。

2.3 振動器故障診斷與分析

裝置整體選擇安裝兩個振動器，一個振動器安裝在噴霧煅燒爐的尾部（圖5），另一個振動器安裝在收集料斗上。選擇這樣安裝的原因如下：煅燒爐上方為蒸發段，液體與壁面間不斷撞擊、蒸發，物料難附著在壁面上[17]，且在加熱段安裝有中頻加熱線圈，振動器不耐高溫并且振動容易引起高溫段裝置變形。振動器可以加速物料下落收集，減少物料結塊。采用活塞式振動器，活塞直徑30 mm，振動頻率為10～60 Hz。活塞式振動器，又稱氣缸往復式振動器，也稱氣動激振器，是改進后的新型振動器。但在實際試驗過程中，振動器在常溫下可以正常使用，高溫情況下發生故障，無法正常使用。

2.4 流量計故障診斷與分析

測量介質為流量4～8 L/h的酸性硝酸鹽溶液，氫離子濃度2.5 mol/L，該測量介質體積流量很小，不適合采用一般的電磁流量計，采用微小齒輪流量計。實際試驗過程中，由于料液具有易結晶的性質，在長期使用過程中，料液產生的結晶顆粒在流量計的齒輪上附著，從而造成齒輪流量計靈敏度下降，甚至損壞流量計。將損壞的流量計拆卸下來，進行故障診斷，原流量計及拆開后的流量計的齒輪如圖6所示。

3 試驗裝置改進措施

3.1 中頻感應加熱故障解決措施

考慮到中頻感應加熱故障原因是感應線圈的高溫變形而引起的接觸短路故障，提出了如下整改措施：

a. 在保證設備啟動后正常運行的前提下，調節上下感應線圈與焊接在煅燒爐左側的六角螺釘之間的距離，為感應線圈的高溫變形留有空間，從而減小接觸短路故障發生的概率。

b. 在感應線圈下部裝有4根絕緣棒，絕緣棒下部與支撐框架接觸，用于支撐整體的感應線圈，以抵消由于高溫形變產生的軸向力，防止感應線圈發生過大的軸向變形。

c. 為進一步提高本試驗設備中頻感應加熱的安全運行，在每個用于放置溫度傳感器的六角螺釘與感應線圈的上下間隙之間放入絕緣墊片，這樣可以隔絕兩者之間的直接接觸，并且對設備的正常運行不會產生影響。

整改后的煅燒爐如圖7所示，對本試驗設備進行了試運行，沒有出現接觸打火問題。接著進行長時間運行，故障也沒有再出現。至此，認為中頻感應加熱故障的打火問題得到了解決。

3.2 噴嘴問題解決措施

原方案中采用微細霧化噴流噴嘴，屬于單流噴嘴，采用液體壓力來產生非常細小的液滴，這對輸料泵的壓力提高了要求，而且壓力大小是霧化液滴是否精細的關鍵。但是壓力過大，會對進料系統管路連接處的密封產生不利影響，而壓力過小會導致噴出的料液霧化效果達不到要求，出于以上問題的考慮，在不影響試驗目的的情況下，采用雙流體噴嘴進料的方案。

噴嘴選用薄壁自清除雙流體噴嘴，噴嘴上方帶有自清洗通針，具有防堵功能，實物圖如圖8所示。

雙流體噴嘴具有以下特點：

a. 噴出的霧化液滴小而均勻，可以保證在本試驗裝置中蒸發充分，以達到試驗要求。

b. 雙流體噴嘴可在低壓的氣液進口條件下，實現精細的物化，相比單流體噴嘴，節能顯著。

c. 氣液霧化噴嘴比普通形式噴嘴的孔徑更大，具有優異的抗堵塞性能，一般的高壓水噴嘴為了保證霧化顆粒盡可能細小，一般孔徑不會超過2 mm，容易出現結垢、因水過濾器不好等因素造成的堵塞現象。本方案采用的薄壁自清除雙流體噴嘴孔徑較大不易出現堵塞現象。

此外，采用雙流體噴嘴，由于通入常溫空氣，可以對噴嘴進行氣冷，達到冷卻的目的，延長了噴嘴在煅燒爐高溫條件下的使用壽命。

在調試試驗裝置過程中發現：試驗開始前和結束后，使噴嘴噴入清水，可以清洗噴嘴內殘留的高放廢液，有效避免高放廢液在煅燒爐加熱過程中在噴嘴內部發生固化，從而使噴嘴堵塞的現象。

雙流體進料還可采用雙流體噴槍，高溫噴槍材料選擇310s不銹鋼，可以耐高溫防腐蝕且具有較好的抗蠕變性能，且不易發生堵塞，實物圖如圖9所示。

3.3 流量計優化

考慮到料液析出的結晶會對齒輪流量計造成損壞，導致無法進行精確測量，在故障診斷及分析之后，對于進料系統的流量測量問題進了優化，提出了如下整改措施：

a. 可以加裝玻璃轉子流量計（圖10）來進行進料流量測量。玻璃轉子流量計具有測量準確、不易堵塞的特點。

b. 管路或加料槽中添加過濾裝置。考慮到流量計主要是由于料液中存在結晶顆粒而發生堵塞，從而發生故障，所以在料液通過流量計之前的管路上添加過濾裝置，以過濾掉結晶，解決堵塞問題，也改善了噴嘴堵塞的情況。

通過上述整改，進料系統的流量可以精準測量，噴嘴堵塞問題也得到了改善。

3.4 振動器優化

振動器常溫下正常運行，高溫下無法使用，考慮到高溫對振動器內部結構造成了損害導致無法運行，整改措施如下：

a. 加隔熱墊。在振動器與爐體連接處安裝隔熱墊，可以有效阻斷爐體對振動器的熱傳導，保證振動器的正常運行。

b. 考慮改換耐高溫的振動器。

通過上述的振動器整改，振動器不再出現故障問題，可以有效避免爐體出現煅燒殘留物，通過振動的方式，進行設備去污，保證設備的使用壽命及煅燒效率。

4 結束語

針對模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置在研發、安裝和調試過程中出現的故障，采用故障樹分析法進行故障診斷分析，最終實現了設備的穩定運行，得到如下經驗和結論：

a. 分析并診斷了中頻感應加熱故障，發現故障是感應線圈的高溫變形而引起的接觸短路故障。通過增加絕緣墊片和絕緣棒的方法，阻斷了六角螺栓與感應線圈的接觸，防止短路打火現象。

b. 改進了噴嘴選型并提出新的噴霧方案。采用雙流體噴嘴，較微細霧化噴流噴嘴而言，具有霧化效果好、節能顯著及防堵塞等優勢。提出采用噴槍進行噴霧的新方案，高溫噴槍材料選擇310s不銹鋼，可以耐高溫、防腐蝕且具有較好的抗蠕變性能，不易發生堵塞。

c. 優化了廢液流量計計量方案并提出振動器的阻熱方案。加裝玻璃轉子流量計和在加料槽中添加過濾裝置，以上兩種方法可有效解決廢液結晶堵塞齒輪流量計的問題。高溫是導致振動器無法正常使用的主要原因。通過加隔熱墊或改換新型耐高溫振動器等手段，保證振動器正常運行。

最終完成對模擬高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置的優化改進，為未來先進高放廢液噴霧煅燒轉形處理試驗裝置的研發、安裝和調試提供了方向，也為相類似的噴霧煅燒裝置的研發與故障診斷提供了實際工程經驗。

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