馬小強

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

核能作為低碳能源，具有能量密度大、基荷電力穩(wěn)定、運行成本低、清潔等特點，已成為清潔能源不可或缺的重要組成部分。核能開發(fā)利用不可避免地會產(chǎn)生放射性廢物(簡稱“廢物”)，妥善處理這些廢物是核能可持續(xù)發(fā)展的關鍵。其中放射性廢樹脂(簡稱“廢樹脂”)是核電運行產(chǎn)生的主要廢物之一。廢樹脂減容處理是核電廠廢物最小化處理的重要內(nèi)容之一，也是國家監(jiān)管的重點之一[1-5]。

諸多廢樹脂處理技術中，熱態(tài)超壓技術是實現(xiàn)廢樹脂減容處理的技術之一，其國內(nèi)外應用情況如表1所示。廢樹脂熱態(tài)超壓技術有“添加劑+熱壓”和“研磨+熱壓”兩種技術路線?！把心?熱壓”技術路線減容因子更高，是廢樹脂減容處理優(yōu)先選擇的方案之一[6-12]。

表1 國內(nèi)外廢樹脂熱態(tài)超壓技術

當前“研磨+熱壓”技術減容因子2.0，雖然實現(xiàn)了廢樹脂減容處理，但未實現(xiàn)深度減容。本文利用粉末堆積理論建立模型對廢樹脂熱態(tài)超壓開展了理論探討，分析了影響減容因子的各種因素，提出了深度減容技術方案，并進行了技術可行性和經(jīng)濟性評價。

1 廢樹脂熱態(tài)超壓減容機理

核電廠使用的樹脂粒徑為毫米量級，經(jīng)研磨后粒徑為微米量級。樹脂粉末是由無數(shù)相對較小的球形顆粒組成的集合體，屬于粉體。因此，廢樹脂熱態(tài)超壓縮屬于粉末堆積理論研究范疇。廢樹脂深度減容問題，就是粉體堆積最密堆積問題。廢樹脂熱態(tài)超壓技術，是通過機械研磨改變顆粒形狀和粒徑分布，在高溫(通常在120～160 ℃)條件下通過機械壓力改變粉末顆粒空間堆積模式，以實現(xiàn)最密堆積的廢樹脂處理技術。影響粉末顆粒堆積密度的因素比較復雜，從產(chǎn)生的機理可以分為以下兩類：

1)物理因素：表面特性、顆粒間摩擦力和顆粒間團聚等物理因素對堆積密度的影響。

2)幾何因素：顆粒粒徑分布、顆粒形狀，以及空間堆積方式等幾何因素對堆積密度的影響。

超壓機壓縮樹脂粉末時，壓頭下移緩慢，屬于靜壓壓縮。如圖1所示，超壓過程樹脂粉末受到的作用主要有：壓頭向下壓力N1，底座向上壓力N2，筒壁側面壓力F，樹脂本身的重力G。

圖1 樹脂粉末壓縮示意圖Fig.1 The schematic of resin powder compaction

樹脂本身的重力G相對遠小于壓力N1、N2、F，因此可以忽略G作用。在這些力的共同作用下，樹脂粉末顆粒由松散堆積趨于緊密堆積，堆積密度由小變大。整個壓縮過程可分為三個階段。

第一階段，松散堆積結構坍縮階段。

粉末顆粒受到壓力前，粉末顆粒自由堆積，搭接橋架形成大空隙，系統(tǒng)處于最松散狀態(tài)，如圖2(a)所示。粉末顆粒受到壓力后，粉末之間搭接橋架破壞坍縮，大空隙被粉末顆粒填充，系統(tǒng)堆積密度隨之提高，如圖2(a)到(b)所示。該階段，顆粒之間距離較大，抵抗壓頭下移的阻力(即壓頭施加在樹脂粉末上的壓力N1的反作用力)遠小于超壓機壓頭的最大壓力。如圖3所示，壓力從N0逐漸增大到N1，樹脂粉末壓縮，堆積密度升高。該階段減容主要是幾何因素，減容所需外界壓力最小，減容效果明顯。

圖2 粉末顆粒壓縮示意圖Fig.2 Schematic of powder compaction

圖3 壓縮量與壓力關系示意圖Fig.3 The schematic of relationship between compactor head displacement and compaction force

第二階段，顆粒堆積有序排列階段。

隨著壓頭繼續(xù)下移，粉末顆?？臻g排列趨于有序化，系統(tǒng)堆積密度進一步提高，如圖2(b)—(c)所示。該階段，顆粒之間距離逐漸變小，抵抗壓頭下移的阻力較第一階段有所提高，但仍然小于超壓機壓頭的最大壓力。如圖3所示，壓力從N1提高到N2，樹脂粉末進一步壓縮，堆積密度繼續(xù)升高，該階段物理作用較第一階段有所變大，但影響減容的主要因素仍然是幾何因素，該階段減容效果明顯。

第三階段，顆粒破碎和塑性流動階段。

隨著壓頭繼續(xù)下移，粉末顆粒結構發(fā)生一定改變(如變形、壓破)，細小顆粒 “滲”入大顆粒間的空隙，堆積密度進一步提高，如圖2(c)—(d)所示。該階段，顆粒之間距離進一步變小并趨于最小值，抵抗壓頭下移的阻力接近并等于超壓機壓頭的最大壓力，并阻礙壓頭進一步下移。如圖3所示，壓力從N2提高到Nmax，粉末體積進一步壓縮，堆積密度達最高，該階段物理作用最大，減容效果最小。

2 廢樹脂熱態(tài)超壓粉末堆積模型

核電廠使用的樹脂以球形樹脂為主，其圓球率通常較高。廢樹脂經(jīng)球磨機長時間研磨后，其圓球率也比較高。本研究只研究影響堆積的幾何因素。為了簡化問題，同時結合實際情況，按球形顆粒來研究[14-15]。

2.1 堆積密度、空隙率和真密度之間關系

粉末堆積主要描述參量有堆積密度和空隙率，堆積密度p與空隙率ε關系如下：

(1)

式中：V0——廢樹脂粉末的真體積；

Vk——空隙體積；

V——廢樹脂粉末填充的體積；

p——堆積密度；

ε——空隙率。

(2)

式中：m——廢樹脂質(zhì)量；

ρ0——廢樹脂真密度。

廢樹脂真密度ρ0、廢樹脂視密度ρ、堆積密度p的關系為：

(3)

2.2 減容因子與堆積密度關系

減容因子是放射性廢物處理中關鍵的指標之一。根據(jù)減容因子的定義、密度的定義，并聯(lián)立式(3)，可得：

(4)

式中：VRF——減容因子(為了簡化研究，沒有特別說明，不考慮外包裝)；

Vin——廢樹脂處理前的體積；

Vout——廢樹脂處理后的體積；

ρin——廢樹脂處理前的視密度；

ρout——廢樹脂處理后的視密度；

pin——廢樹脂處理前的堆積密度；

pout——廢樹脂處理后的堆積密度。

當pout取1時，對應理論最大減容因子：

(5)

2.3 多元最密堆積

粉末堆積中，粒徑較小的顆粒占據(jù)粒徑較大顆粒產(chǎn)生的空隙，更小的顆粒又填充剩下的空隙，依次類推，空隙將趨于全部填滿，即其空隙率ε趨于0，此時相對堆積密度p趨于1，減容因子最大。

由式(1)得:

ε=1-p

(6)

如果不考慮邊緣效應，多元堆積情況下，如果粒徑di粉末堆積后形成的空隙，再用粒徑di+1粉末進行堆積(di

pi=1-εi

(7)

式(7)表明，提高粉末堆積密度，可通過提高初始堆積密度和利用多元堆積實現(xiàn)。

2.4 空間堆積機制與粒度關系

空間堆積有擠塞模式和非擠塞模式兩種機制，且與粉末粒度密切相關。對于粒度分別為DL和DS的二元組，粒度比μ(μ=DS:DL，1>μ>0)與空間堆積機制關系如下：

1)當0<μ≤0.154時，處于非擠塞模式，細小顆粒占據(jù)大顆粒的間隙，體系為填隙控制機制;

2)當0.154<μ≤0.741時，介于擠塞模式和非擠塞模式之間，體系由填隙控制機制和替換控制機制同時作用;

3)當0.741<μ<1時，處于擠塞模式，體系為替換控制機制。

2.5 粉末顆?？臻g排列

粉末顆?？臻g排列越規(guī)則，堆積密度越大。對于單一粒徑樹脂粉末堆積問題，即一元堆積問題，規(guī)則排列孔隙率和堆積密度見表2。

表2 不同堆積方式下堆積密度

2.6 多元堆積各組元物質(zhì)的質(zhì)量比和粒徑比

2.6.1 質(zhì)量比

非擠塞模式由于是填隙控制機制，其空隙率更小，堆積密度更大?？梢宰C明多元堆積中，粒徑相鄰粉末顆粒質(zhì)量關系為：

mi=ε0mi-1

(8)

式中：mi為第i粒度的粉末顆粒的質(zhì)量。

2.6.2 粒徑比

多元堆積按填隙控制機制，0<μ≤0.154，當取μ=0.154時，可計算得最大粒徑比。利用前面各式計算了初始堆積密度為0.70時的各組元堆積密度、質(zhì)量比和粒徑比，詳見表3。

表3 多元堆積堆堆積密度、質(zhì)量比和粒徑比

2.7 廢物外包裝對減容的影響

可以證明，考慮所有環(huán)節(jié)影響后，綜合減容因子可以表示為：

(9)

式中：VRFt——綜合減容因子；

VRFi——第i處理單元減容因子，等于第i處理單元處理前后廢物體積比。

廢物外包裝是增容過程，也是影響減容因子的主要因素之一。應采用有利于減容的包裝工藝。針對第3章試驗，一個200 L鋼桶裝2個φ502 mm×358 mm壓餅，外包裝減容因子為0.70(增容過程)。

3 優(yōu)化設計

3.1 當前技術試驗結果分析

試驗采用非放離子交換樹脂，試驗樹脂粒度(0.5～0.7 mm)98%，整球率≥98%，干真密度1.5 g/cm3，濕真密度為1.1 g/cm3，視濕密度為0.7 g/cm3，含水率為52%。試驗所用165 L鋼桶若干，φ500 mm(內(nèi)徑)×850 mm，壁厚1 mm，空桶重16.7 kg,為廢物處理中間桶。試驗中所用設備主要有研磨機、錐形干燥器和超壓機，其主要技術參數(shù)見表4[12]。

表4 設備參數(shù)

烘干后樹脂含水率為1.4%，粒徑d50=9.9 μm，自然松散堆積密度為0.59 g/cm3。165 L鋼桶桶容積80%、質(zhì)量74.4 kg裝載，壓餅充分冷卻后餅高358 mm。按樹脂不同的堆積方式測得顆粒的密度見表5。

表5 樹脂顆粒的密度

2.核電廠廢樹脂一直浸泡在水中，其視濕密度取0.7 g/cm3，按含水率52%，此時相當于視干密度按0.34 g/cm3;

3.表中“樹脂視干密度(等效)”是假設視濕密度除去水后其體積不變的等效密度，因離子交換樹脂吸水后溶脹，脫水后體積減小，因此樹脂視干密度(等效)小于樹脂完全脫水后的視干密度。廢樹脂處理前的體積一般指樹脂充分吸水溶脹后的體積。為了討論問題方便，引入 “樹脂視干密度(等效)”概念;

4.表中減容因子未考慮外包裝。

表5綜合試驗結果，針對廢樹脂熱態(tài)超壓堆積處理廢樹脂可得出如下結論：

1)樹脂粉末自然堆積密度0.393大于其處理前視干密度(等效)0.226，減容因子為1.74(未考慮外包裝，下同),說明研磨有利于減容。核電廠使用樹脂是大孔徑離子交換樹脂，通過研磨破壞了樹脂顆粒大孔徑結構，使其減容。樹脂粉末自然堆積密度大于樹脂視干密度(等效)，研磨操作有利于減容，理論與實驗數(shù)據(jù)相符。

2)試驗樹脂粉末經(jīng)充分震蕩后堆積密度從其處理前視干密度(等效)0.226提高至0.480，減容因子2.13；試驗樹脂粉末經(jīng)熱態(tài)超壓后堆積密度從其處理前視干密度(等效)0.226提高至0.700，減容因子3.09，其較機械震蕩提高了45%；說明超壓有利于樹脂提高減容因子，且效果明顯。

3)試驗樹脂經(jīng)“研磨+超壓”處理后，樹脂粉末堆積密度0.700小于理論最高堆積密度1.00，尚有30%的理論減容空間。即廢樹脂經(jīng)熱態(tài)超壓處理未達到深度減容，仍然有30%空間。

3.2 優(yōu)化設計

為了提高減容因子，實現(xiàn)廢樹脂深度減容處理，對原工藝進行優(yōu)化。實現(xiàn)深度減容的方法是控制粒度及其相應質(zhì)量分數(shù)，并使其空間有序排列，即：

1)生產(chǎn)不同粒徑的樹脂粉末顆粒，即精細研磨和分級；

2)按粒徑實現(xiàn)質(zhì)量定量配比；

3)使樹脂粉末顆粒空間有序化排列。

目前研磨烘干工藝不滿足上述1)和2)的要求。超壓機壓力達20 000 kN，壓力足夠高，滿足3)的要求。因此，需要開發(fā)廢樹脂精細研磨分級技術和計量技術。

3.2.1 技術要求

現(xiàn)有廢樹脂熱壓堆積密度為0.70，以此為初始堆積密度。表3理論計算結果顯示，三元堆積和四元的堆積密度相差幾個百分點，從技術發(fā)展角度，首選三元堆積方案，即堆積密度理論目標值為0.97。優(yōu)化設計技術要求為：

1)分批次連續(xù)三級研磨；

2)研磨后廢樹脂粒徑在0.7～30 μm，一級研磨30 μm、二級研磨5 μm，三級研磨0.7 μm，分級貯存；

3)按粒徑從大到小粉末顆粒質(zhì)量比例為90∶8∶2；

4)分批次連續(xù)干燥，溫度120～180 ℃，壓力15～150 kPa；

5)干燥后樹脂粉末含水率≤3%。

3.2.2 工藝介紹

優(yōu)化工藝如圖4所示，由五個單元組成：

1)粗磨單元：由循環(huán)罐、循環(huán)泵1、研磨機1、分級器1和相應的管線儀表等組成。分級器1篩孔30 μm。粗磨單元中，分級器1將樹脂顆粒分為粒徑>30 μm和粒徑≤30 μm兩組，其中粒徑>30 μm的樹脂顆粒經(jīng)循環(huán)管線返回循環(huán)罐繼續(xù)下一輪研磨、分級，粒徑≤30 μm進入一級罐。為防止樹脂沉降，在各槽罐設有攪拌器，并在系統(tǒng)運行時持續(xù)攪拌，下同。

2)一級精磨單元：由一級罐、循環(huán)泵2、研磨機2、分級器2和相應的管線儀表等組成。分級器2篩孔5 μm。一級精磨單元中，分級器2將樹脂顆粒分為粒徑>5 μm和粒徑≤5 μm兩組，其中30 μm≥粒徑>5 μm的樹脂顆粒經(jīng)循環(huán)管線返回一級罐繼續(xù)下一輪研磨、分級，粒徑≤5 μm進入二級罐。另外，樹脂可經(jīng)研磨機2旁路，實現(xiàn)將一級罐內(nèi)粒徑≤5 μm全部分離。

3)二級精磨單元：類似一級精磨， 生產(chǎn)粒徑≤0.7 μm的樹脂顆粒,并貯存在三級罐。

圖4 優(yōu)化工藝Fig.4 The optimized process

4)計量單元：通過計量泵，將一級罐內(nèi)30 μm樹脂顆粒、二級罐內(nèi)5 μm樹脂顆粒和三級罐內(nèi)0.7 μm的樹脂顆粒按質(zhì)量比90∶8∶2混合。

5)烘干單元：計量罐內(nèi)樹脂經(jīng)充分攪拌后，通過輸送泵輸送至錐形干燥器干燥。

廢樹脂減容前等效堆積密度為0.226，經(jīng)優(yōu)化工藝深度減容后堆積密度為0.97，其減容因子為4.3，考慮外包裝(兩個壓餅裝200 L桶減容因子0.67)，最終的綜合減容因子為2.9。

5 技術可行性和經(jīng)濟性分析

精細化研磨技術在冶金、炸藥、印染等行業(yè)廣泛應用。采用恰當?shù)难心ピO備和分級設備(技術)，可以生產(chǎn)所需粒徑分布的粉末顆粒。借鑒精細研磨分級技術在其他行業(yè)的應用，研制適合廢樹脂精細研磨分級技術是可以實現(xiàn)的。因此，本文提出的基于精細研磨分級配比為核心技術的廢樹脂熱態(tài)超壓深度減容技術是可以實現(xiàn)的。

2008年媒體報道，英國核退役管理局對海外中低放廢物收費標準為20.1英鎊/m3，國內(nèi)為4.6～6.7英鎊/m3[16-18]。歐洲多數(shù)國家，處置費按處置設施運營進行測算，由受益的各核電廠分擔。國際上處置費用，各個國家存在差異。但總體來講，處置費用均按體積收費，且很昂貴。

我國廢物處置也按體積收費，目前尚無統(tǒng)一定價。預估，我國廢物處置費30萬～40萬元/m3。當前廢樹脂熱態(tài)超壓處理減容因子為2.0，經(jīng)優(yōu)化工藝深度減容后減容因子達2.9。優(yōu)化技術較目前技術可減少廢物體積約31%。按單臺機組年產(chǎn)生廢物廢樹脂20 m3估算，采用優(yōu)化工藝深度處理后， 8機組核電廠運行60年將少產(chǎn)生廢物包1 490 m3，減少廢物處置費用約5.2億元(處置費按35萬元/m3估算)。

6 結論

目前,技術試驗數(shù)據(jù)表明，當前廢樹脂“研磨+熱壓”技術未實現(xiàn)廢樹脂深度減容，還有約30%的理論減容空間。

本研究基于粉末堆積理論，解釋了廢樹脂熱態(tài)超壓的機理，對廢樹脂深度減容進行初步研究，提出了深度減容優(yōu)化方案。深度減容優(yōu)化方案具有工程技術可行性，可供現(xiàn)有工藝升級改造參考，也可供新建項目設計參考。建議有關科研單位開展工程試驗研究，開發(fā)廢樹脂熱態(tài)超壓深度減容技術。