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(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(zhì)，樹脂分為珠狀樹脂和粉末狀樹脂兩種規(guī)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(jìn)行更換，因此核電站每年都要產(chǎn)生一定數(shù)量的廢樹脂。廢樹脂是彌散性物質(zhì)[1]，帶有一定的放射性，屬于中低放固體廢物，因此必須進(jìn)行妥善的處理或處置。目前我國的核電站絕大多數(shù)為壓水堆型核電站，主要采用水泥固化的方式對(duì)廢樹脂進(jìn)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(shè)計(jì)原則[2]。

近年來，為了使廢樹脂能夠有效減容，廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)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(duì)該工藝存在一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹闋顦渲瑝嚎s后不能形成穩(wěn)定的固定體，會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)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。基于此，田灣核電站最新引進(jìn)的廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)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(diǎn)及優(yōu)勢，分析研磨工藝對(duì)熱態(tài)超壓技術(shù)的重要作用和應(yīng)用前景。

1 廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)

在國外，廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)已在德國Philippsburg核電站和比利時(shí)Tihange核電站成功應(yīng)用超過20年，并成功生產(chǎn)了超過3 800個(gè)壓縮桶餅[3]。在國內(nèi)，三門核電站和田灣核電站也同樣使用熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)處理廢樹脂。相對(duì)于傳統(tǒng)的水泥固化、樹脂脫水后裝入高完整性容器等技術(shù)方案，廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮具有工藝成熟且先進(jìn)、減容效果好、處理步驟簡單等優(yōu)勢。

廢樹脂的熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)的核心理念是將廢樹脂烘干，并在廢樹脂處于熱態(tài)時(shí)裝桶超壓，形成廢樹脂壓縮桶餅，以此實(shí)現(xiàn)廢物的減容。沒有引入研磨工藝的熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)是在廢樹脂經(jīng)過接收、計(jì)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?dú)膺M(jìn)行吹掃，然后加熱至160℃，烘干過程中產(chǎn)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(tài)時(shí)裝入165 L(或160 L)桶中，經(jīng)自動(dòng)封蓋機(jī)封蓋后送往超壓機(jī)進(jìn)行超壓處理。超壓機(jī)的最大壓力為2000 t，可以設(shè)定及調(diào)整不同的壓力及壓縮速率，超壓時(shí)，裝有廢樹脂的165 L桶需要在設(shè)定壓力下保壓20 min，以便獲得穩(wěn)定的桶餅。

壓縮后的桶餅放置在桶餅優(yōu)選區(qū)域，經(jīng)優(yōu)選程序優(yōu)化組合后選取2至3個(gè)桶餅后裝入200L桶，然后送到灌漿站進(jìn)行灌漿處理。灌漿封蓋后的200L桶放置輥道上養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，經(jīng)桶體劑量監(jiān)測儀測量桶體表面劑量率等參數(shù)后，送到廢物暫存庫中暫存。廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮工藝流程簡圖如圖1所示。

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

2 研磨工藝的應(yīng)用及特點(diǎn)

2.1 工藝流程

田灣核電站最新引進(jìn)的熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)中引入了廢樹脂研磨工藝，研磨工藝主要由研磨機(jī)、緩沖罐和循環(huán)泵3部分設(shè)備組成。濕樹脂和水的混合物先轉(zhuǎn)運(yùn)到廢樹脂接收罐接收存儲(chǔ)，然后送入廢樹脂計(jì)量罐，通過計(jì)量罐調(diào)整廢樹脂和水的比率，當(dāng)廢樹脂和水的比率達(dá)到50%/50%時(shí)，將計(jì)量罐中的廢樹脂送到研磨系統(tǒng)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(shè)有攪拌器，防止樹脂沉淀到緩沖罐底部。啟動(dòng)循環(huán)泵，將濕樹脂和水的混合物送到研磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨后形成樹脂泥漿(見圖2)，樹脂泥漿通過循環(huán)泵返回到緩沖罐中，如此循環(huán)往復(fù)。經(jīng)過2 h左右的研磨，當(dāng)樹脂顆粒泥漿達(dá)到d50=30 μm時(shí)，研磨過程停止，然后將樹脂泥漿送到錐形干燥器中進(jìn)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(duì)研磨機(jī)和緩沖罐進(jìn)行沖洗，防止樹脂泥漿堵塞管道和設(shè)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(chǎn)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(diǎn)及優(yōu)勢

2.2.1 不使用粉末添加劑，經(jīng)濟(jì)性能好

目前已知國內(nèi)外采用熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)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(jù)了解，這種專用的添加劑價(jià)格昂貴且需要從國外購買，造成業(yè)主運(yùn)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(shè)備投資，但從長期運(yùn)行、多機(jī)組集中處理方面考慮，研磨工藝的投資成本要遠(yuǎn)低于使用添加劑的經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)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(xiàn)回彈現(xiàn)象，壓縮餅不能形成穩(wěn)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(shí)間后壓縮餅內(nèi)的樹脂將在桶餅內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)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(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)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(jié)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(wěn)定的壓縮固定體。但加入添加劑本身是一個(gè)增容過程，會(huì)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(jī)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(jié)構(gòu)，相對(duì)于珠狀樹脂，粉末狀樹脂的壓縮性能優(yōu)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(tài)超級(jí)壓縮后形成的桶餅高度、桶餅直徑，以及經(jīng)過48 h放置后的桶餅高度值。

圖4 烘干后的研磨樹脂F(xiàn)ig.4 Ground resin after drying

從表1可以看出，超壓后的桶餅經(jīng)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(xiàn)象，也沒有桶餅變形的情況發(fā)生。

表1 超壓后48 h內(nèi)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(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)的減容效果主要體現(xiàn)在研磨階段、烘干階段和超壓階段。在廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)沒有引入研磨工藝前，珠狀樹脂經(jīng)過烘干、超壓，用200 L鋼桶包裝后的減容比可達(dá)1.4[5]。在引入研磨工藝后，珠狀樹脂經(jīng)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(dá)3，用200 L桶包裝后的減容比可達(dá)2.3[6]。因此，在相同廢樹脂處理量情況下，在廢樹脂熱態(tài)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(shí)也節(jié)省了廢物庫暫存的空間，緩解了廢物最終處置的壓力。

3 結(jié)束語

研磨工藝的應(yīng)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(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)開辟了新的思路。隨著廢樹脂熱態(tài)超級(jí)壓縮技術(shù)在核電站廢物處理領(lǐng)域中的不斷推廣和應(yīng)用，研磨工藝必將成為熱態(tài)超壓技術(shù)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。