劉艷陽，葛　超，閆洪峰，陳　宇，安喜平，溫　琦

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083）

在過去的幾十年中，核安全越來越受到重視，無論是老化和到壽的反應(yīng)堆退役、核電站運行安全還是新形勢下引起警惕的可能的涉核暴恐事件，存在需要徹底、較快響應(yīng)速度清除放射性物質(zhì)的具體需求[1-2]。放射性污染物的存在，對人員和生態(tài)環(huán)境形成巨大威脅，放射性污染清除的一般技術(shù)要求是將含有放射性核素的物質(zhì)進(jìn)行就地濃縮、集中和移除出作業(yè)區(qū)，而放射性污染物質(zhì)會隨著人員車輛移動、空氣和水流的流動擴(kuò)散，從而擴(kuò)展這種威脅。

國際上很多先進(jìn)的物理或化學(xué)法已經(jīng)被用于核設(shè)施去污，如等離子體、超聲波去污、超臨界流體萃取技術(shù)、電化學(xué)方法等[3-5]。但這些方法存在不同的限制[6]，如高壓水結(jié)合水處理裝置的核污染去除裝置，必須嚴(yán)格控制水流的流動擴(kuò)散和廢水的處置，存在較大的難度。近年來，國內(nèi)外在傳統(tǒng)化學(xué)法利用化學(xué)清洗劑溶解放射性核素的污膩物或剝離氧化膜層的基礎(chǔ)上[5，7]，發(fā)展了一種可快速噴射成膜膠體去除污染的方法，利用具有高粘性膠體均勻噴射至污染表面，利用粘性吸附污染物，并可快速成膜和產(chǎn)生自脆效應(yīng)剝落回收，已達(dá)到快速去除核污染的目的。該方法的優(yōu)勢是：可在嚴(yán)酷環(huán)境中，利用膠體噴灑裝置和自脆膜回收裝置進(jìn)行污染物的去除和回收包裝，不受污染部件的基體材料、去污對象、污染物種類、作業(yè)空間等限制，可連續(xù)作業(yè)和滿足未來無人操作的自動噴灑改造需求。

本文結(jié)合前期掌握的高粘性去污劑霧化成膜技術(shù)和含放射性成分膜片的回收包裝技術(shù)，重點介紹了一種針對自脆型涂膜技術(shù)去除放射性污染物，并且能適應(yīng)在嚴(yán)酷環(huán)境中，操作便捷，可實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)的霧化噴灑粘性去污劑的專用裝置。

1　自脆型去污劑特性和噴灑設(shè)備工作原理

自脆型放射性污染去污劑[8-10]是一種高分子聚合乳（膠）液，以水作為溶劑，通過乳液聚合而成，具有毒性低、穩(wěn)定性好、粘度適中、使用性能好等優(yōu)點。并且自脆型放射性污染去污劑去污效率高，去污時不產(chǎn)生廢水，產(chǎn)生的帶載物質(zhì)少，特別適用于高輻射場所去污作業(yè)。液態(tài)膠體均勻噴灑形成薄膜后會均勻覆蓋在污染物表面，一定時間會固化成膜，并自脆開裂剝落，整個去污工藝中與噴灑設(shè)備匹配使用的是回收自脆膜的回收設(shè)備。所使用的膠體在低溫下具有高粘度，且隨溫度升高粘度不斷降低，膠體的粘度曲線如圖1所示。

圖1　膠體溫度和粘度對應(yīng)關(guān)系曲線

“移動式去污劑噴灑裝置”是利用高壓噴射系統(tǒng)增大膠體輸送壓力，利用專用霧化噴嘴霧化膠體噴射成液膜的專用裝置，輕微污染區(qū)域可采用防護(hù)措施良好的人員操作，特殊場景下也可利用機(jī)械手臂操作霧化噴頭，以達(dá)到安全操作的目的。整個系統(tǒng)由小巧靈活的主機(jī)和噴灑器組成，其中噴灑器和主機(jī)使用輸送管路連接。整個系統(tǒng)尺寸較小，并于狹小空間和特殊場景作業(yè)，其配合回收裝置的操作工序簡單，其作業(yè)流程如圖2所示。在整個作業(yè)流程中，可實現(xiàn)噴灑設(shè)備主機(jī)與污染源保持一定安全距離，所有工作時序和操作均在主機(jī)中控制，噴灑裝置的霧化噴頭可采用防護(hù)措施到位的人工（輕度污染區(qū)域）和機(jī)械手臂操作模式，霧化噴涂可保障一定空間和區(qū)域內(nèi)無論是頂部空間還是夾角區(qū)域均勻的膠體噴射。同時在設(shè)備工作模式中，增加了管路和泵的清水清洗功能，當(dāng)外掛料筒裝清水時，啟動清洗模式，設(shè)備將開展相關(guān)管路的自清洗功能，將管路內(nèi)部的膠體完全清除，滿足后續(xù)作業(yè)需求。

圖2　去污裝置作業(yè)流程

其中為了提高高分子膠體成膜的連續(xù)性，連續(xù)供料系統(tǒng)對自脆型放射性污染去污劑輸送到專用工作容器中進(jìn)行輸送與消泡，最終采用高壓噴灑系統(tǒng)對消泡好的自脆性放射性沾染洗消劑經(jīng)高壓霧化，使自脆型放射性污染去污劑均勻地噴灑到放射性污染表面，經(jīng)一段時間固化成膜，自行脫落，實現(xiàn)去污。

2　移動式去污劑噴灑裝置構(gòu)成

移動式去污劑噴灑裝置采用模塊化設(shè)計，將動力系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、電控系統(tǒng)均設(shè)計成相互獨立的功能模塊；由汽油發(fā)電機(jī)組、燃油箱、高壓噴灑系統(tǒng)、工作容器以及連續(xù)供料系統(tǒng)等部分組成，移動式去污劑噴灑裝置系統(tǒng)組成如圖3所示。對相關(guān)主要部件和子系統(tǒng)設(shè)計和功能詳細(xì)介紹如下：

圖3　移動式去污劑噴灑裝置系統(tǒng)組成圖

2.1　動力系統(tǒng)

移動式去污劑噴灑裝置采用汽油機(jī)發(fā)電機(jī)組和220 V市電兩種模式作為動力系統(tǒng)來提供裝置去污過程所需動力，滿足室內(nèi)和野外特殊作業(yè)場景的污染物去除要求；發(fā)動機(jī)組橫置于裝置底盤后部，其控制面板以及手啟動手柄朝后；在發(fā)電機(jī)組上方橫置燃油箱，將加油口通過軟管引出裝置之外；發(fā)電機(jī)組前方右側(cè)為工作容器，前方左側(cè)下方為供料泵，上方為噴灑泵。裝置工作溫度為-40~55℃，功率為2 kW，汽油發(fā)動機(jī)可帶動系統(tǒng)工作4 h以上，滿足連續(xù)作業(yè)需求。

2.2　供料系統(tǒng)

連續(xù)供料系統(tǒng)是移動式去污劑噴灑裝置關(guān)鍵部位，是去污清除作業(yè)連續(xù)工作，保證效率的前提條件，實現(xiàn)設(shè)備長時間不間斷工作；連續(xù)供料系統(tǒng)由供料泵、運輸桶、工作容器總成、吸料管、液位開關(guān)傳感器、輸料管和三通閥組成；在去污清除作業(yè)時，系統(tǒng)選擇噴灑模式，供料泵通過吸料管將運輸桶內(nèi)的去污劑輸送到工作容器，在工作容器內(nèi)進(jìn)行消泡，經(jīng)液位開關(guān)傳感器測量，當(dāng)工作容器液位達(dá)到100%時，供料泵自動停止工作；當(dāng)液位低于設(shè)定值30%時，供料泵自動啟動，由此保證工作容器內(nèi)有足夠的去污劑供高壓噴灑系統(tǒng)持續(xù)工作；當(dāng)液位低于30%，設(shè)備持續(xù)進(jìn)行聲光報警，提示更換運輸桶，以此保證連續(xù)供料系統(tǒng)具備實時監(jiān)控，可進(jìn)行全閉環(huán)自動化控制；當(dāng)系統(tǒng)選擇清洗模式時，供料系統(tǒng)不受工作容器內(nèi)的液位控制；工作容器與底盤采用鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸連接，可對工作容器進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)，將容器內(nèi)殘余去污劑倒出，并用專用清洗槍對容器內(nèi)進(jìn)行高壓沖洗，保證容器內(nèi)干凈整潔。連續(xù)供料系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示。

圖4　連續(xù)供料系統(tǒng)控制原理圖

2.3　高壓噴灑系統(tǒng)

高壓噴灑系統(tǒng)是移動式去污劑噴灑裝置關(guān)鍵部位，是去污清除作業(yè)保證效率與效果的核心裝置；高壓噴灑系統(tǒng)由高壓噴灑泵、卷管器、噴槍、噴嘴和相應(yīng)的管路組成；高壓噴灑系統(tǒng)采用高壓無氣噴涂技術(shù)，在去污清除作業(yè)時，系統(tǒng)選擇噴灑模式，利用電動柱塞式高壓泵對去污劑施加高壓，使去污劑高速從噴槍小孔噴出，與空氣發(fā)生激烈沖擊而霧化，并噴射在被污染的表面，高壓噴槍由槍體、針閥、噴嘴、扳機(jī)組成，沒有空氣通道，噴槍輕巧、堅固密封；噴嘴設(shè)計為扇面形狀，霧化射流。當(dāng)工作容器中去污劑消耗完畢，液位處于0位時，系統(tǒng)自動關(guān)閉高壓噴灑泵，防止空氣進(jìn)入管路，影響噴灑效果，當(dāng)工作容器中去污劑液面高于30%，高壓噴灑泵自動啟動，繼續(xù)進(jìn)行噴灑工作，如此不斷往復(fù)循環(huán)。采用高壓無氣噴涂技術(shù)、專用扇面設(shè)計噴嘴與自動控制技術(shù)，共同保證了此裝置去污清除作業(yè)具有良好效率與效果。高壓噴灑系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。

圖5　高壓噴灑系統(tǒng)工作原理圖

3　設(shè)備實現(xiàn)的功能參數(shù)及試用情況

3.1　設(shè)備功能參數(shù)

通過上述設(shè)計，實現(xiàn)了高粘度去污劑噴灑裝置的研制，實現(xiàn)了自重輕、小巧靈活的裝備設(shè)計，同時可以滿足寬幅工作溫度和大流量輸送條件下，100 m2/h最小噴灑工作速率下的工作需求，滿足特殊場景下污染物快速作業(yè)去除需求，設(shè)備樣機(jī)如圖6所示。

圖6　移動式去污劑噴灑裝置樣機(jī)

可噴灑去污劑粘度上限：2 000 mPa·s；

噴灑速率：＞100 m2/h（成膜厚度1 mm時）；

最大工作壓力：230 bar；

最大輸送流量：2.6 L/min；

整機(jī)尺寸：1 170 mm×750 mm×1 030 mm；

整機(jī)重量：160 kg；

工作環(huán)境溫度：5～50℃.

3.2　試用情況

在工作溫度下，去污劑粘度為500 mPa·s時，對去污劑霧化效果和在水泥、鋼板等材質(zhì)表面進(jìn)行了噴灑驗證，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明，去污劑噴灑裝置可以實現(xiàn)高粘度去污劑的均勻霧化和大流量噴灑效果，在水泥和鋼板等基材表面成膜效果良好，自脆效應(yīng)產(chǎn)生后，可剝離表面粘附物質(zhì)，快速實現(xiàn)自脆膜的回收，滿足污染物回收要求。

圖7　裝置霧化及試用效果

4　結(jié)束語

結(jié)合新型的核污染去污劑高粘度等特點，設(shè)計了小巧靈活、適應(yīng)多種特殊場景、噴射端和主機(jī)分離等特性的移動式去污劑噴灑裝置，以適應(yīng)其復(fù)雜的工作環(huán)境和場景，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，利用工作原理和關(guān)鍵部件優(yōu)化，實現(xiàn)了大流量、高壓力均勻噴射霧化適應(yīng)短時間內(nèi)大面積作業(yè)需求，貼合核輻射環(huán)境下快速清理污染物要求；同時該裝置轉(zhuǎn)運和移動快捷方便，操作簡單，具有很高的實用價值，經(jīng)過試用實現(xiàn)了連續(xù)快速去污劑霧化和自脆膜沉積，該裝置即將開展進(jìn)一步驗證和應(yīng)用。