詹 靜 榮 云 王成東 沈立鋒 蘭 江

(1. 中廣核工程有限公司, 廣東 深圳, 518116；2. 四川聚能核技術(shù)工程有限公司, 四川 江油, 621700)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，核電現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的各項(xiàng)干雜廢物中，放射性廢塑料在廢物總量占比中超過(guò)65%，且種類多，包括篷布、氣面罩、袋類及套管類等混合廢物。廢塑料主要成分為PE、PVC及PP，其中PE在廢塑料中占比≥90%。

廢塑料減容技術(shù)包括焚燒和壓縮技術(shù)[1]，其中焚燒技術(shù)產(chǎn)生有毒有害氣體，污染環(huán)境，且投資運(yùn)行費(fèi)用高。核電現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的廢塑料相對(duì)較少，且多采用壓縮方法進(jìn)行處理[2～4]，其工藝流程為分揀→初壓→超壓→固化。某核電廠每年產(chǎn)生約190.4 m3廢塑料，塑料蓬松狀態(tài)下平均密度約為0.0494×103kg/m3，經(jīng)用該法處理后，最終廢物處置體積為21 m3，減容比約為9。由于塑料的回彈力較強(qiáng)，致使約30%的廢物桶出現(xiàn)爆桶及桶餅反彈現(xiàn)象，增大了廢物處置體積和成本[5]。

塑料熔融技術(shù)相對(duì)成熟，已廣泛應(yīng)用于民用[6，7]，但在核工業(yè)中僅在低中放廢物的聚合物固化處理中作為固化基體有一定的應(yīng)用[1]。如何將熔融技術(shù)與壓縮技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用于放射性廢塑料處理，有待研究。

本文采用高溫熔融技術(shù)處理放射性廢塑料，熔融塑料凝固后，不再進(jìn)行超壓，避免了廢物桶爆桶及桶餅反彈的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了處理工藝和配套設(shè)備，調(diào)試各工藝參數(shù)與減容比之間的關(guān)系，優(yōu)化工藝，達(dá)到減少最終處置廢物的體積及成本的目的。

1 工藝過(guò)程概述

廢塑料首先進(jìn)行分揀，然后將包括膜狀在內(nèi)的軟質(zhì)塑料破碎再進(jìn)行熔融處理，熔融狀態(tài)下在桶中預(yù)壓，自然冷卻后暫存；熔融過(guò)程產(chǎn)生的尾氣經(jīng)凈化排放。

分揀塑料時(shí)，根據(jù)塑料的材質(zhì)將其區(qū)分為硬質(zhì)塑料(約占8%)及軟質(zhì)塑料(約占92%)兩類。熔融處理時(shí)，熔融溫度≥200 ℃，塑料熔化產(chǎn)生少量有毒有害氣體，通過(guò)廢氣處理裝置抽吸并凈化。塑料熔融狀態(tài)下，呈粘稠狀，延展性好，壓縮阻力相對(duì)較小，采用桶內(nèi)壓縮的方式預(yù)壓熔融體，預(yù)壓力為1～2 t，熔融體自然冷卻至少需要24 h方能完全凝固。

放射性廢塑料處理工藝流程及裝置示于圖1和圖2。裝置由預(yù)處理裝置、熔融處理裝置、預(yù)壓部件及廢氣處理裝置4部分組成。預(yù)處理裝置(工業(yè)破碎機(jī)及收集裝置)用于破碎塑料；熔融處理裝置(自動(dòng)上料系統(tǒng)及熔融裝置)完成上料并高溫熔融塑料顆粒；預(yù)壓裝置(桶定位裝置及預(yù)壓裝置)壓縮塑料熔融體，可持續(xù)保壓；廢氣處理裝置通過(guò)集氣罩收集廢氣，采用濾筒+等離子+紫外線(UV)光解三級(jí)廢氣處理模塊凈化氣體。

圖1 放射性廢塑料熔融處理工藝流程

2 工藝參數(shù)分析

放射性廢塑料處理的根本目的在于減容，減容比是衡量該工藝是否更優(yōu)的重要指標(biāo)。處理中的破碎、熔融及預(yù)壓三個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)最終的減容效果產(chǎn)生直接或間接的影響。因此通過(guò)試驗(yàn)研究其與減容比間的關(guān)系及影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化工藝，確定最佳工藝參數(shù)。

2.1 破碎工藝分析

廢塑料經(jīng)分揀后，根據(jù)工業(yè)破碎機(jī)的進(jìn)料要求預(yù)處理塑料：膜狀料及軟質(zhì)套管長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)(≤2 m)，硬質(zhì)塑料輪廓尺寸應(yīng)小于進(jìn)料口尺寸，預(yù)處理后投喂入缸，動(dòng)刀隨轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)動(dòng)刀和定刀間的間隙切割塑料，待塑料經(jīng)摩擦升溫，達(dá)到半塑化狀態(tài)時(shí)，加水冷卻，使其急速收縮，最后被切割為細(xì)小顆粒[8,9]。破碎后的顆粒度應(yīng)≤15 mm，滿足熔融進(jìn)料要求。

2.1.1廢塑料的組成與破碎效果的關(guān)系

廢塑料混合破碎時(shí)，特別是不同軟硬特性的塑料組成對(duì)破碎效果有較大的影響。軟質(zhì)類塑料破碎及團(tuán)粒效果良好；硬質(zhì)類塑料破碎效果較差，碎片呈不規(guī)則塊狀，有超過(guò)50%的碎片尺寸≥15 mm，不滿足熔融要求，因此需將全部硬質(zhì)塑料單獨(dú)進(jìn)行破碎處理，不進(jìn)行熔融處理。

圖3、圖4分別給出了放射性廢塑料原材料示意圖及其破碎顆粒效果圖。

圖2 放射性廢塑料處理裝置總圖

圖3 試驗(yàn)原料示意圖

圖4 破碎塑料顆粒狀態(tài)圖

2.1.2溫度與破碎效果的關(guān)系

放射性廢塑料破碎過(guò)程中溫度對(duì)破碎效果有影響。首先，成功制粒條件是缸內(nèi)溫度能使塑料顆粒達(dá)到半塑化狀態(tài)，在動(dòng)刀高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，物料與物料間以及物料與缸壁、刀片間產(chǎn)生了大量摩擦熱，使物料溫度迅速上升至半塑化溫度，而低密度塑料經(jīng)粉碎后，由于碎片自重較輕，相對(duì)摩擦少，生熱慢，因此需增加投喂量，提高摩擦熱，更有利于成功制粒。其次，不同塑料混合破碎時(shí)，塑料熔點(diǎn)越低，達(dá)到半塑化溫度所用時(shí)間越短，故而熔點(diǎn)較高的塑料應(yīng)先進(jìn)料。

2.2 熔融工藝分析

熔融工藝[10]是廢塑料處理的核心。破碎后的塑料顆粒由自動(dòng)上料裝置送至下料斗，通過(guò)擠出機(jī)螺桿輸送塑料顆粒，由加熱器進(jìn)行分區(qū)加熱，熔融后從出料口擠出。熔融處理的要求為：在一定的產(chǎn)量要求下，塑料顆粒均能得到有效熔化，不會(huì)因溫度過(guò)高而發(fā)生的碳化，也不會(huì)由于溫度過(guò)低造成未完全熔化的現(xiàn)象出現(xiàn)，且煙氣及刺激性氣味氣體相對(duì)較少。

2.2.1熔融性能試驗(yàn)

試驗(yàn)原料采用破碎試驗(yàn)留存的塑料顆粒，通過(guò)改變螺桿轉(zhuǎn)速和熔融溫度，觀察熔融狀態(tài)，判定熔融效果，轉(zhuǎn)速為42～60 r/min，可滿足處理量≥30 kg/h，熔融溫度為200 ℃～230 ℃下可使塑料完全融化。判斷標(biāo)準(zhǔn)包括煙氣及刺激性氣味氣體產(chǎn)生量，熔融體流動(dòng)性及熔化程度，其熔融效果示于圖5。

2.2.2熔融性能試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 熔融溫度由200 ℃增加至230 ℃過(guò)程中，塑料均能完全熔化，無(wú)碳化現(xiàn)象，熔融體呈粘稠狀。熔融體隨熔融的溫度升高，體積也隨之增大。

(2) 熔融體流動(dòng)性隨熔融溫度升高而提高；在相同熔融溫度下，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速由42 r/min提高至60 r/min，熔融體的流動(dòng)性無(wú)明顯變化。

(3) 煙氣及刺激性氣味氣體產(chǎn)生量隨熔融溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的升高而增多。轉(zhuǎn)速應(yīng)≤80%的最高轉(zhuǎn)速(擠出機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為75 r/min，但設(shè)備使用時(shí)，螺桿的最高安全使用范圍最好不宜超過(guò)最高轉(zhuǎn)速的80%)。

(4) 由于熔融體呈粘稠狀，由中心向四周流動(dòng)慢，且不均勻，而上表層熔融體10 min內(nèi)便可硬化，導(dǎo)致熔融體在桶邊緣及硬化處易形成間隙。熔融溫度升高可增強(qiáng)熔融體流動(dòng)性，使其向四周延展更均勻，速度更快，可減少熔融體間隙。但溫度越高，熱膨脹現(xiàn)象越顯著，使凝固體體積增大。因此，后續(xù)工作還需要進(jìn)一步確定流動(dòng)性及熱膨脹哪個(gè)對(duì)熔融體體積的影響更大。

2.2.3溫度和流動(dòng)性試驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)不同熔融溫度，相同試驗(yàn)原料及同種配比下的對(duì)照試驗(yàn)，各熔融70 kg相同的試驗(yàn)原料，加熱溫度為205 ℃、230 ℃，用200 L桶進(jìn)行收集，并對(duì)凝固后的熔融體1/2、1/4處進(jìn)行剖切處理，觀察熔融體內(nèi)部狀態(tài)，結(jié)果示于圖6。

由圖6可見(jiàn)，205 ℃、230 ℃熔融體凝固后的高度分別為438 mm、529 mm，熔融溫度越高熔融體體積越大，230 ℃相比205 ℃下體積相對(duì)增大20%，凝固體中心截面上分布有大小不一的氣孔，較大氣孔主要分布于截面上部和中心，溫度越高，氣孔尺寸越大且數(shù)量越多。

原因主要是熔融體在自然冷卻過(guò)程中，外層先硬化，而內(nèi)部冷卻速度相對(duì)較慢，熱量無(wú)法充分釋放，從而產(chǎn)生熱膨脹，形成孔洞。因此升高溫度雖然可以使熔融體流動(dòng)性更好，但熱膨脹現(xiàn)象也越明顯，熔融體體積增大的越多。經(jīng)試驗(yàn)，熔融溫度應(yīng)為200 ℃～205 ℃。

圖5 熔融試驗(yàn)圖

圖6 凝固體及剖切截面狀態(tài)圖

2.3 預(yù)壓工藝分析

本文采用桶內(nèi)壓縮技術(shù)預(yù)處理塑料熔融體，熔融體收集完成后，移至預(yù)壓工位，待其表層硬化后，預(yù)壓裝置伸入桶內(nèi)，進(jìn)行壓縮處理，并保壓1～2 h以控制其反彈。

2.3.1預(yù)壓試驗(yàn)

在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，每次試驗(yàn)消耗試驗(yàn)原料70 kg，含49%PE編織袋、49%PE塑料袋、2%PVC軟管，與核電現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的廢塑料成分相符，平均密度約為0.0494×103kg/m3，共進(jìn)行了3組對(duì)比試驗(yàn)，每組分別進(jìn)行桶內(nèi)預(yù)壓和不預(yù)壓處理，預(yù)壓力為1～2 t。其中，第一組和第三組的塑料顆粒經(jīng)熱風(fēng)干燥(在表中表示為不含水)，第二組則不進(jìn)行風(fēng)熱干燥(在表1中表示為含水，因在破碎制粒過(guò)程中會(huì)加水進(jìn)行冷卻，因此會(huì)使制造的塑料顆粒含有一定的水分)。待熔融體凝固后，分別測(cè)量質(zhì)量及高度，計(jì)算平均密度、減容比及提高量，結(jié)果列于表1。

表1 預(yù)壓試驗(yàn)記錄表

2.3.2預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 不同試驗(yàn)條件下，預(yù)壓處理均能進(jìn)一步減小熔融體體積，減容比提高量≥16.5%。由于熔融體流動(dòng)性較差，使得表面不平整，多為中間高四周低，通過(guò)外力壓縮熔融體，可抑制熱膨脹效應(yīng)并平整熔融體表面。

(2) 不同熔融溫度下，預(yù)壓處理能有效抑制熱膨脹效應(yīng)，但不能完全消除。205 ℃和230 ℃熔融溫度下，未經(jīng)預(yù)壓處理，體積相對(duì)增大20%，經(jīng)預(yù)壓處理后體積相對(duì)增大6%。對(duì)預(yù)壓處理后的凝固體進(jìn)行剖切(示于圖7)，并與未經(jīng)預(yù)壓處理的凝固體進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓處理只能消除大部分熱膨脹效應(yīng)，而溫度越高，預(yù)壓效果越差，并且會(huì)增加預(yù)壓時(shí)間。

(3) 塑料顆粒越干燥，預(yù)壓處理后減容效果越好，減容比由14.8提高至15.4。含有水分的原料，在熔融過(guò)程中產(chǎn)生更多的氣泡和間隙，預(yù)壓處理只能減少部分氣泡及間隙，導(dǎo)致體積相對(duì)較大。因此減少原料的水分，可達(dá)到更好的減容效果。

2.4 小結(jié)

影響減容比的主要的工藝參數(shù)是熔融溫度、水分，其余工藝參數(shù)對(duì)破碎效果及熔融效果有影響，但對(duì)減容比無(wú)直接影響，預(yù)壓處理可進(jìn)一步減容；其中熔融溫度是影響減容比的關(guān)鍵參數(shù)，熔融溫度越高，熱膨脹越劇烈，預(yù)壓壓縮與反彈控制效果越差，從而減弱減容效果。因此在保證可熔化及一定產(chǎn)量的前提下，熔融溫度應(yīng)為200 ℃～205 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速≤80%最高轉(zhuǎn)速，并干燥塑料顆粒，減少水分。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)放射性廢塑料減容處理的目的，本文設(shè)計(jì)了適合核電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的廢塑料處理工藝方法和相應(yīng)的設(shè)備。多次試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如下：

(1) 該工藝方法能有效處理放射性廢塑料，達(dá)到預(yù)期減容目標(biāo)，減容比(約15.4)比原壓縮工藝(約9)大幅提高，減少了最終處置廢物體積和成本；

(2) 確定了破碎及熔融過(guò)程中的可控參數(shù)，其中熔融溫度和水分為減容參數(shù)；

(3) 驗(yàn)證了預(yù)壓處理熔融塑料工藝方法的正確性，相較于未經(jīng)預(yù)壓處理，可進(jìn)一步減少熔融體體積≥16.5%。

圖7 預(yù)壓后凝固體及剖切截面狀態(tài)圖