范繼珩，賈占舉，嚴(yán)佳兵，朱 鑫，楊靜潔

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213)

引 言

為在實(shí)際應(yīng)用中最大化實(shí)現(xiàn)放射性廢物最小化處理原則，學(xué)者們著重于優(yōu)化或開發(fā)新的蒸發(fā)濃縮的工藝流程，以期獲得體積更小的放射性廢物，并節(jié)省處理費(fèi)用[1～3]。孫壽華等[2]指出桶內(nèi)干燥處理放射性廢物的工藝流程具有高效的減容比，成為了放射性廢物處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。經(jīng)過調(diào)研可知國(guó)外早于20世紀(jì)80年代便開始了桶內(nèi)干燥技術(shù)的研究，并指出該技術(shù)具備放射性蒸殘液、廢樹脂、淤泥的能力，并在模擬性試驗(yàn)中取得了良好效果[4]。干燥桶內(nèi)可設(shè)置多種加熱裝置[5]，如電加熱干燥器、熱風(fēng)干燥器、微波干燥器等。不同學(xué)者通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行桶內(nèi)干燥加熱方式相關(guān)研究，指出利用微波加熱物料具有傳熱速率快、溫度易控、加熱均勻以及微波加熱裝置與干燥桶易于結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)；經(jīng)過德國(guó)Kraftanlogen，Heidelberg公司、Linn High Therm公司[6]、美國(guó)能源部[7]和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[8～10]等單位的長(zhǎng)期探索，形成了較為固定的工藝流程，圖1為L(zhǎng)inn High Therm公司產(chǎn)品處理放射性廢液的流程：

圖1 Linn High Therm公司微波桶內(nèi)干燥工藝流程圖Fig.1 Linn High Therm company microwave drum process flow chart

從圖1可知，桶內(nèi)微波干燥處理放射性放射性廢物的工藝流程為放射性廢液經(jīng)緩沖罐進(jìn)入微波干燥桶后進(jìn)行加熱，未被蒸發(fā)的放射性廢物直接運(yùn)出，而水蒸氣冷凝后經(jīng)過放射性活度檢測(cè)后進(jìn)行排放或再處理，總體較為簡(jiǎn)單，對(duì)場(chǎng)地與費(fèi)用的要求明顯低于傳統(tǒng)的水泥固化處理方法，極具應(yīng)用前景。目前，桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物技術(shù)處于示范階段。我國(guó)僅在三門核電站引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，但未見相關(guān)應(yīng)用報(bào)告[11]，國(guó)內(nèi)外各單位均在摸索工藝流程參數(shù)，使經(jīng)其處理的放射性廢物能實(shí)現(xiàn)最小化。本文將介紹主要研究單位相關(guān)的研究進(jìn)展，關(guān)注不同的工藝過程參數(shù)對(duì)放射性廢物處理的影響并歸納總結(jié)，以期為后續(xù)研究提供借鑒。

1 國(guó)外進(jìn)展

1988年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的White等人搭建1/3規(guī)模試驗(yàn)臺(tái)架，利用由SiC替代U2O3的模擬非放試液進(jìn)行桶內(nèi)微波加熱試驗(yàn)并獲得了滿足放射性廢物處理廠前置要求的前處理產(chǎn)物[8]；1994年申請(qǐng)了處理放射性淤泥的微波桶內(nèi)干燥容器的專利，并在權(quán)利中表明此項(xiàng)技術(shù)同樣可以針對(duì)含鈾及超鈾元素的放射性廢物液體及固體[10]；1995年利用1/3規(guī)模試驗(yàn)臺(tái)架(6 kW,2.4 GHz,5L)進(jìn)行了樹脂及淤泥并結(jié)合調(diào)節(jié)微波加熱攻率與進(jìn)料速率的試驗(yàn)，最終得到了干燥、無多余顆粒的加熱后產(chǎn)物[9]。2007年，德國(guó)Linn High Therm公司建立了試驗(yàn)工廠，并調(diào)整進(jìn)料量、微波能量、容器壓力、溫度及液位，成功完成了整個(gè)工藝流程的循環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果可知微波桶內(nèi)干燥的蒸發(fā)速率為7.0～7.5 kg/h，廢物預(yù)期處理能力為8.8～10.4kg/h，并提出干燥后產(chǎn)物質(zhì)量強(qiáng)烈依賴精確的過程參數(shù)控制的觀點(diǎn)[6]；Dejan等人提出桶內(nèi)干燥技術(shù)可圖處理放射性蒸殘液、廢樹脂和淤泥[4]；M?LLER等人利用試驗(yàn)工廠開展了多項(xiàng)模擬液的干燥預(yù)實(shí)驗(yàn)。從以上內(nèi)容可知，國(guó)外至上世紀(jì)80年代起就搭建了微波桶內(nèi)干燥的試驗(yàn)平臺(tái)，并針對(duì)非放模擬液進(jìn)行了大量過程工藝試驗(yàn)，初步摸索出合理的工藝過程參數(shù)；然而，未曾有關(guān)于該處理技術(shù)處理實(shí)際放射性廢物的研究報(bào)告，亦未將該項(xiàng)工藝技術(shù)投入實(shí)際工程的廢物前處理環(huán)節(jié)中。

2 國(guó)內(nèi)進(jìn)展

自2010年起，中國(guó)輻射防護(hù)研究院(以下簡(jiǎn)稱為中輻院)的學(xué)者最早于2010年在全國(guó)核化工學(xué)術(shù)交流年會(huì)上基于桶內(nèi)干燥的技術(shù)特點(diǎn)以及我國(guó)國(guó)情建議利用桶內(nèi)干燥技術(shù)處理放射性廢物[5]后，進(jìn)行了大量系統(tǒng)工作。梁棟[12]及賈梅蘭[11]等人系統(tǒng)調(diào)研了電加熱、熱風(fēng)和微波加熱3種桶內(nèi)干燥裝置的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)出微波桶內(nèi)加熱技術(shù)具有干燥速度快、加熱均勻、熱能利用率高、產(chǎn)物不沾壁、靠壁處含水率偏高、成本高、微波易泄露等特點(diǎn)，高超等利用民用微波爐加熱含水廢樹脂驗(yàn)證了微波干燥廢樹脂的可行性[13]試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 微波爐干燥廢樹脂實(shí)驗(yàn)[13]Fig.2 Microwave oven drying waste resin experiment [13]

隨后，中輻院研究人員利用微波爐加熱非放模擬液驗(yàn)證微波加熱可以實(shí)現(xiàn)濃縮液干燥的功能后，搭建了容量12L的微波干燥試驗(yàn)臺(tái)架分6次加入含水率70.6%的濃縮液26 542g, 用1kW微波加熱2 710min, 濃縮液呈膠狀, 干燥產(chǎn)物未見膨脹與不見可流動(dòng)液體,無刺鼻氣味。干燥初期濃縮液清亮, 干燥至含水率為 10 時(shí), 濃縮液呈灰狀膠體, 停止加熱, 放置、冷卻后干燥產(chǎn)物為白色固體, 且質(zhì)地堅(jiān)硬，試驗(yàn)臺(tái)架及結(jié)果見圖3[14]。

圖3 微波桶內(nèi)干燥模擬液實(shí)驗(yàn)[14]Fig.3 Drying simulation liquid experiment in the microwave drum[14]

在對(duì)廢樹脂處理技術(shù)進(jìn)行調(diào)研、考察后[15],中輻院研究人員分別利用12L與200L試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了非放樹脂的干燥控制方式研究：分別利用脈沖式與旋轉(zhuǎn)式控制方式，調(diào)整工藝過程參數(shù)加熱樹脂，最終除個(gè)別干燥參數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重碳化及結(jié)焦現(xiàn)象外，均取得了滿意的結(jié)果(表面平均含水率小于10%)，并指出了脈沖式加熱控制方式具有對(duì)設(shè)備要求低、旋轉(zhuǎn)式加熱控制方式則在總干燥時(shí)間占有以及需要專門設(shè)計(jì)設(shè)備以防止微波泄露等特點(diǎn)[16]。

針對(duì)微波桶內(nèi)加熱技術(shù)進(jìn)行了一系列原理驗(yàn)證試驗(yàn)、臺(tái)架預(yù)試驗(yàn)以及控制方式預(yù)試驗(yàn)后，中輻院研究人員開始著手應(yīng)用于實(shí)際工程的微波桶內(nèi)干燥裝置的設(shè)計(jì)研究中。開展工藝流程的主要部分——干燥系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)工作前，梁棟等人對(duì)放射性廢物桶內(nèi)干燥接收輸送裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證[17]:針對(duì)廢樹脂處理的接收輸送系統(tǒng)的主要功能是接收暫存物料并按照要求將其運(yùn)送至干燥主單元，大體上，整個(gè)系統(tǒng)由接收緩沖單元、輸送單元和廢樹脂瀝水單元三部分組成，如圖4(a)所示，主體材料為304不銹鋼；若針對(duì)放射性廢液處理則無樹脂瀝水單元；緩沖單元設(shè)計(jì)如圖4(b)所示，其中加熱方案采用外熱源夾浴水套，通過控制循環(huán)水溫度來調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)溫度；輸送單元由管路及氣動(dòng)隔膜泵組成，輸送管道由電加熱帶加熱；廢樹脂溺水單元由容器壓力實(shí)現(xiàn)，如圖4(c)所示；最終實(shí)現(xiàn)了輸送廢樹脂的保溫及水分離(瀝水后含水率為50%～60%，物料殘留率最大為5.58%)，較好解決了物料粘壁的問題，如圖4(d)所示[21]。

圖4 微波桶內(nèi)干燥接收輸送裝置[17]Fig.4 Receiving and conveying device in the microwave dying drum[17]

之后，相關(guān)人員繼續(xù)進(jìn)行了該工藝流程的開發(fā)工作：干燥系統(tǒng)方面，可實(shí)現(xiàn)干燥筒按預(yù)定軌道滑動(dòng)、密封蓋上下移動(dòng)、加熱器側(cè)壁與底部布置、設(shè)置進(jìn)料計(jì)量罐以控制進(jìn)料量等，如圖5(a)所示；而在尾氣處理系統(tǒng)方面則產(chǎn)生吸力以抽出干燥系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣與對(duì)冷凝液進(jìn)行計(jì)量等，設(shè)計(jì)圖如圖5(b)所示；另外還設(shè)置了熱水管及對(duì)應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)(如圖5(c)所示)、壓縮空氣系統(tǒng)等，通過對(duì)該流程進(jìn)行了電加熱驗(yàn)證試驗(yàn)表明其可用于核電站濃縮液干燥處理[18]。

圖5 微波桶內(nèi)干燥裝置[18]Fig.5 Device of the microwave drying drum[18]

為了對(duì)微波干燥單元進(jìn)行可靠、精確設(shè)計(jì)，中輻院研究人員參考Schillman法確定了微波處理處理裝置有效輸出攻率的測(cè)定方法[19]，并依據(jù)之前的設(shè)計(jì)方案及策略方法進(jìn)行了含硼模擬液的可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明除桶底及筒壁含水率偏高外，其余部分符合要求，減容系數(shù)可至5[20]。為實(shí)現(xiàn)均勻加熱，中輻院研究人員利用HFSS軟件模擬與12L桶內(nèi)微波干燥裝置實(shí)際電場(chǎng)分布結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6(a)所示，結(jié)果證明模擬結(jié)果與實(shí)際擬合度較高，并探究了不同填料高度下物料表面電場(chǎng)長(zhǎng)度與物料吸收微波能量的變化趨勢(shì)，如圖6(b)所示，還提出來了微波入口在桶蓋上布置長(zhǎng)邊沿徑向布置相比短邊而言具有更好的均勻性[21]；對(duì)微波穿透樹脂厚度進(jìn)行計(jì)算后，便進(jìn)行了200L桶內(nèi)微波干燥裝置的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)[22-23]：采用了8個(gè)潰能口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用HFSS軟件證明此種結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，如圖6(c)所示，并利用不同攻率的微波加熱樹脂，如圖6(d)所示，結(jié)果如下表所示。

圖6 桶內(nèi)微波干燥樹脂模擬與試驗(yàn)[21,23]Fig.6 Simulation and experiment of microwave drying resin in barrel

表 模擬廢樹脂開展微波干燥試驗(yàn)結(jié)果[23] Tab. Microwave drying test results of simulated waste resin

隨后在該裝置進(jìn)行了濃縮液的全流程試驗(yàn)研究試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示減容比可到4～6，含水率≯15%，水分平均蒸發(fā)速率可至6.0kg/h，但也存在去污能力較差，冷凝水不能直接排放的問題[25]。在研究過程中，亦出現(xiàn)了干燥筒出現(xiàn)晶間腐蝕泄露等情況[24]。針對(duì)前期試驗(yàn)存在的如：水分蒸發(fā)速率低、干燥物完整性差、冷凝水無法直接排放、蒸汽冷凝回收率偏低的問題，試驗(yàn)人員采取了增加微波加熱攻率、采用PID控制方法進(jìn)行加熱控溫、增大排氣管直徑、改進(jìn)裝置保溫效果、設(shè)置尾氣預(yù)處理裝置及增加冷凝能力等措施，改進(jìn)后除冷凝水依然無法達(dá)標(biāo)排放外，其余性能指標(biāo)有了大幅提升[26]。

2018年，四川固力鐵環(huán)保工程有限公司研發(fā)出一套適用于面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的200L智能微波干燥裝置，并針對(duì)密封門、屏蔽結(jié)構(gòu)、桶頂結(jié)構(gòu)等申請(qǐng)了相關(guān)專利，裝置如圖7所示。

圖7 200L智能微波干燥裝置Fig.7 200L microwave drying device diagram

該裝置采用微波低溫固化手段，對(duì)廢液進(jìn)行液轉(zhuǎn)固穩(wěn)定化減容處理。目前，已在該裝置上完成了多批含Co模擬硝酸鹽廢液的微波干燥處理，廢液含鹽率約300g/L，通過試驗(yàn)研究得到200L工程樣機(jī)的平均干燥速率≥6L/h，峰值干燥速率達(dá)10L/h；干燥產(chǎn)物鹽表面平整，濕含率小于1wt%，堆積密度大于2 000kg/m3；最終鹽桶裝桶率大于90%，平均能量利用率大于90%。廢液微波干燥效果如圖8所示。

圖8 廢液微波干燥效果圖Fig.8 Diagram of microwave drying of waste liquid

3 總結(jié)與展望

桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物技術(shù)具有流程減容比高、傳熱速率快、溫度易控、加熱均勻等優(yōu)勢(shì)，對(duì)處理放射性廢液、廢樹脂等具有很高的應(yīng)用前景。根據(jù)調(diào)研可知，國(guó)內(nèi)外各研究單位經(jīng)過進(jìn)行原理驗(yàn)證、臺(tái)架試驗(yàn)等，已經(jīng)形成較為統(tǒng)一的工藝流程。

目前，國(guó)外已對(duì)廢液、廢液及淤泥做了相應(yīng)模擬預(yù)試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)在模擬預(yù)試驗(yàn)方面則借鑒了國(guó)外基本預(yù)試驗(yàn)路線，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。然而由于國(guó)外在該技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較為稀少，且年份較為久遠(yuǎn)，尚不知國(guó)外有關(guān)該項(xiàng)技術(shù)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試過程以及實(shí)際應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道，因此無法得知國(guó)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)研究過程及細(xì)節(jié)，亦無法與國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行橫向比較。

國(guó)內(nèi)中輻院針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究，并取得了較為滿意的結(jié)果；固力鐵公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套面向工程應(yīng)用的桶內(nèi)微波干燥裝置。在預(yù)研試驗(yàn)方面，依然存在對(duì)于微波潰能口布置方式、干燥產(chǎn)物完整性、尾氣及冷凝液排放不達(dá)標(biāo)等未進(jìn)行充分研究的問題，對(duì)于該項(xiàng)處理技術(shù)的全流程試驗(yàn)研究亦略顯單??；實(shí)際應(yīng)用方面，暫無該項(xiàng)干燥技術(shù)處理帶放射性廢水或樹脂的報(bào)道，缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的試驗(yàn)支撐，相關(guān)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維修的規(guī)范體系也尚未建立?？傊?，桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物在國(guó)內(nèi)仍處于產(chǎn)品預(yù)研階段，需要開展更多預(yù)研及實(shí)際應(yīng)用相關(guān)研究及試驗(yàn)，如：涉及放射性廢液的模擬臺(tái)架及過程參數(shù)試驗(yàn)、工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建立研究等。此外，若條件允許，可搭設(shè)微波-電加熱干燥桶試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)以期獲得更佳處理效果。本文主要介紹了桶內(nèi)微波干燥處理放射性廢物目前取得的研究進(jìn)展，提出了目前存在的問題及不足，以期為后續(xù)研究、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)提供參考。