張志勇

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

中核集團(tuán)某廠建有一條放射性熱解灰水泥固化線，接收TBP/OK 熱解焚燒后產(chǎn)生的桶裝熱解灰進(jìn)行水泥固化處理。固化線原設(shè)計(jì)為200L 開放式雙螺旋桶內(nèi)攪拌固化線，由上游設(shè)施卸灰裝桶封蓋后，運(yùn)輸?shù)剿喙袒€，還需要再開蓋，插入攪拌槳進(jìn)行攪拌固化。由于TBP 熱解灰粒徑細(xì)，卸灰、攪拌過(guò)程中極易彌散，結(jié)合上、下游工藝，將200L 雙蓋密封固化桶改為400L 棄槳式固化桶，整桶為密閉結(jié)構(gòu)，只保留熱解灰、水泥和水的進(jìn)入孔道。為適配該工藝，該固化線進(jìn)行了相應(yīng)改造，將原工藝改為400L 棄槳式桶內(nèi)攪拌工藝。

通過(guò)改造后的系統(tǒng)冷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)固化桶在加水、加水泥和攪拌過(guò)程中存在熱解灰和水泥粉塵彌散出固化桶，造成工作箱污染的問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)有紅區(qū)排風(fēng)過(guò)濾裝置無(wú)法完全過(guò)濾熱解灰。由于熱解灰粒徑很細(xì)，具有較高的彌散性，且α 活度濃度較高，因此存在通過(guò)排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。為此需要對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析，提出優(yōu)化改進(jìn)措施，以消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 固化線布置及工藝流程

熱解灰固化線工作箱為密封式工作箱，分為加水、固化攪拌和劑量監(jiān)測(cè)等工位。在攪拌工位安裝有一套視頻對(duì)位攪拌裝置，裝置上集成了水泥下料管和固化桶排氣管，將固化桶排氣引入攪拌工位紅區(qū)排風(fēng)管；在加水工位設(shè)置有加水軟管和機(jī)械手；在工作項(xiàng)頂部設(shè)置有水泥、水的計(jì)量和加入系統(tǒng)；在工作箱3 個(gè)工位分別設(shè)有排風(fēng)管，3 根排風(fēng)管出工作箱后并聯(lián)，經(jīng)一道就地初效過(guò)濾器后排入廠房紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)廠房排風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)二次過(guò)濾后高架排放。固化線布置如圖1 所示。熱解灰固化線初始設(shè)計(jì)為200L 開放式桶內(nèi)攪拌固化工藝。其工作箱為密封式工作箱，分為加水泥、劑量檢測(cè)和攪拌3 個(gè)工位。初始設(shè)計(jì)主要工藝流程如下：裝好熱解灰的200L 固化桶進(jìn)入固化工作箱，將規(guī)定的水泥、料液和添加劑加入廢物桶，插入螺旋攪拌槳進(jìn)行攪拌混合，攪拌均勻后進(jìn)行固化桶封蓋、表面污染檢測(cè)和去污，再移出工作箱至養(yǎng)護(hù)工位[1]。

圖1 固化線布置圖

結(jié)合上游設(shè)施TBP/OK 熱解灰下灰工作箱內(nèi)同樣存在粉塵彌散問(wèn)題和在熱解灰水泥固化線還涉及再次開蓋攪拌問(wèn)題，該文對(duì)固化桶桶型進(jìn)行了改進(jìn)。將原200L 開放式桶內(nèi)攪拌工藝改為400L 棄槳式桶內(nèi)攪拌工藝。棄用了原設(shè)計(jì)水泥下料裝置，在原攪拌工位新增了一套視頻對(duì)位攪拌裝置，將水泥下料口集成在攪拌裝置上。同時(shí)在裝置上設(shè)計(jì)了固化桶排氣管，將固化桶排氣引入原攪拌工位紅區(qū)排風(fēng)管。將原劑量監(jiān)測(cè)工位改為加水工位，增加一套輥道裝置用于固化桶的輸送。改造后的系統(tǒng)布置如圖1 所示。

固化線采用的400L棄槳式固化桶外形與國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)廢物桶一致。頂部為雙層密封蓋，外層為密封大蓋，里層依次排列排氣口、攪拌軸花鍵槽和加料口，桶內(nèi)部為螺旋狀的攪拌槳和傳動(dòng)軸。固化桶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 400L 棄槳式固化桶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂部結(jié)構(gòu)圖

固化工藝流程如下：固化桶通過(guò)輥道進(jìn)入工作箱，在加水工位利用機(jī)械手取下內(nèi)蓋，并將水管塞入固化桶加料口進(jìn)行加水。加水完畢后固化桶轉(zhuǎn)移至攪拌工位。對(duì)位攪拌裝置通過(guò)機(jī)械視覺(jué)原理識(shí)別固化桶的頂部口蓋位置，然后裝置主體下降與固化桶進(jìn)行對(duì)接（其中水泥下料管與加料口對(duì)接，排氣管與排氣口對(duì)接），再進(jìn)行下水泥攪拌。攪拌完成后，回到加水工位并封上內(nèi)蓋，最后退出工作箱并封上外蓋。

2 存在的問(wèn)題

在固化線冷調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的揚(yáng)塵問(wèn)題。一是在加水過(guò)程中，熱解灰從加料口和排氣口逸散出固化桶，進(jìn)入工作箱，造成工作箱的污染。同時(shí)逸散的熱解灰和攪拌工位固化桶排氣中的熱解灰經(jīng)工作箱排風(fēng)管進(jìn)入廠房紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)，存在通過(guò)排風(fēng)系統(tǒng)排入環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。二是在加水泥過(guò)程中，水泥灰從加料口和排氣口對(duì)接處冒出，造成攪拌工位局部粉塵彌漫，嚴(yán)重遮擋觀察視線。經(jīng)檢測(cè)，工作箱內(nèi)粉塵濃度最高達(dá)到了15.9mg/m3，超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的一般工作場(chǎng)所粉塵濃度不得超過(guò)10mg/m3的限值要求。

3 原因分析

一是在加水工位無(wú)固化桶排氣裝置，在加水過(guò)程中固化桶加料口和排氣口為敞開狀態(tài)。水箱安裝在工作箱頂部較高位置，水流流速和壓力較大，加水過(guò)程中的水流沖擊會(huì)對(duì)桶中的熱解灰造成擾動(dòng)。由于熱解灰粒徑很細(xì)（約0.1μm～0.3μm），受到擾動(dòng)的熱解灰從加料口和排氣口逸出，污染工作箱并進(jìn)入工作箱的排風(fēng)系統(tǒng)。工作箱排風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾效率為99.9%（0.5μm），雖能有效過(guò)濾水泥灰（水泥粒徑約為7μm～200μm），但不能完全過(guò)濾熱解灰，因此存在熱解灰排入環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

二是固化桶由不同廠家供貨，其高度尺寸存在一定誤差（最高誤差可達(dá)5mm～8mm）。由于視頻對(duì)位攪拌裝置的安裝位置和下降位置已固定（根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)固化桶高度1135mm 設(shè)計(jì)），對(duì)位攪拌裝置主體下降到位后，與固化桶之間的密封主要依靠設(shè)立在加料口和排氣口的密封圈進(jìn)行密封，由密封圈上部的彈簧施加壓力，將密封圈緊扣在固化桶口蓋上實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)固化桶高度低于1135mm 較多時(shí)，對(duì)位攪拌裝置就無(wú)法與固化桶緊密對(duì)接，導(dǎo)致加料口和排氣口密封不嚴(yán)。對(duì)位攪拌裝置與固化桶對(duì)接及密封示意圖如圖3 所示。

4 優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)分析，造成上述問(wèn)題的主要原因是固化桶中的粉塵在加水、加水泥和攪拌過(guò)程中的粉塵彌散。要解決該問(wèn)題就必須采取措施降低和抑制在加水、加水泥和攪拌過(guò)程中的揚(yáng)塵，同時(shí)實(shí)現(xiàn)固化桶與工作箱之間的隔離，防止粉塵直接逸散至工作箱。

4.1 增設(shè)固化桶排氣過(guò)濾裝置

為實(shí)現(xiàn)固化桶與工作箱之間的隔離，需要設(shè)立固化桶排氣過(guò)濾裝置，在加水工位和排氣工位實(shí)現(xiàn)對(duì)固化桶的獨(dú)立排氣，使固化桶中的粉塵不會(huì)逸散至工作箱中，以徹底消除熱解灰經(jīng)廠房紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。上文提到在加水工位無(wú)固化桶排氣裝置，在加水過(guò)程中固化桶加料口和排氣口為敞開狀態(tài)。因此在加水工位增設(shè)一套取封蓋裝置，在裝置上集成加水和排氣功能。該裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理與對(duì)位攪拌裝置基本相同。裝置與固化桶對(duì)接后，排氣管與固化桶排口對(duì)接，加水管與固化桶加料口對(duì)接，通過(guò)管口的密封裝置進(jìn)行密封。

該固化桶排氣過(guò)濾裝置安裝在工作箱頂部，在攪拌工位和加水工位設(shè)2 路排氣管，分別與對(duì)位攪拌裝置和取封蓋裝置的排氣管對(duì)接，2 路排氣管并聯(lián)后經(jīng)過(guò)新增2 級(jí)過(guò)濾后進(jìn)入廠房紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)。固化桶排氣裝置建立示意圖如圖4 所示。

圖4 固化桶排氣過(guò)濾裝置示意圖

固化桶排氣過(guò)濾裝置設(shè)2 級(jí)過(guò)濾器。其中一級(jí)采用布袋式粉塵過(guò)濾器，二級(jí)采用燒結(jié)金屬過(guò)濾器。布袋式過(guò)濾器主要依靠含塵氣流通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)來(lái)達(dá)到截留粉塵的目的。該工程采用的布袋過(guò)濾器過(guò)濾精度為5μm，主要用于過(guò)濾水泥灰。燒結(jié)金屬過(guò)濾器主要是利用金屬粉末之間的間隙形成的微小孔隙進(jìn)行過(guò)濾[2]，該工程采用的金屬燒結(jié)粉塵過(guò)濾器過(guò)濾效率≥0.1μm/99.9%，主要過(guò)濾熱解灰，防止熱解灰進(jìn)入后端排風(fēng)系統(tǒng)。

固化桶在2 個(gè)工位與取封蓋裝置和對(duì)位攪拌裝置對(duì)接后，啟動(dòng)固化桶排氣過(guò)濾裝置進(jìn)行排氣，使固化桶內(nèi)形成負(fù)壓。在建立固化桶與工作箱之間的負(fù)壓梯度后，再進(jìn)行加水、加水泥和攪拌操作，即可有效防止粉塵逸出固化桶。同時(shí)系統(tǒng)具有負(fù)壓調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)設(shè)定的負(fù)壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)壓。

4.2 加水管的改進(jìn)

鑒于熱解灰的易彌散特性，在加水過(guò)程中容易因水力沖擊造成熱解灰擾動(dòng)，因此采用目前在揚(yáng)塵抑制領(lǐng)域大量應(yīng)用的水流霧化技術(shù)，將水流從柱狀水流轉(zhuǎn)化為霧化水流，降低對(duì)熱解灰粉塵的擾動(dòng)[3]。改進(jìn)方式為在加水管口上增設(shè)一個(gè)帶若干細(xì)孔的霧化裝置。

根據(jù)該工程工藝要求，固化單次加水量為180L，需要在15min 內(nèi)全部加注完畢，計(jì)算加水流量Q=0.72m3/h。加水管直徑為32mm，加水管口直徑為60mm。為保證出水形成有效霧化水流，在加水口霧化裝置上加工若干小孔，小孔孔徑為2mm，共計(jì)37 個(gè)小孔，通流截面積為1.16cm2。

根據(jù)水噴霧水力計(jì)算通用算式和該工程實(shí)際，選取流量系數(shù)為K=0.25，則所需水流壓力計(jì)算為P=Q/10K=0.72/10×0.25=0.288MPa。該工程水箱和加水口的高度差約為4m，靠重力自流時(shí)，出水口水壓約為P1=ρgh=103×9.8×4=39.2kPa=0.0392MPa。

從計(jì)算數(shù)據(jù)可知P1

4.3 加料管、排氣管密封改進(jìn)

為提高對(duì)位攪拌裝置和取封蓋裝置上的加料管和排氣管口密封裝置的密封性能，對(duì)相應(yīng)密封圈進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。將密封圈厚度由5mm 增大為10mm，增加一倍變形量。并將原硅膠密封圈改為彈性更好的橡膠密封圈，使密封面貼合更緊密。

重新選取長(zhǎng)度更長(zhǎng)的彈簧，將原排氣管的Y2×30×130 彈簧改為Y2×30×160 彈簧，將原加料口的Y1.6×16×130 彈簧改為Y1.6×16×160 彈簧。在彈簧安裝長(zhǎng)度不變的情況下，增大彈簧預(yù)壓量，并增加密封圈與固化桶口蓋之間的壓力，實(shí)現(xiàn)裝置與固化桶口蓋之間的有效密封。密封圈的改進(jìn)對(duì)比圖如圖5 所示。

圖5 密封圈的改進(jìn)對(duì)比圖

4.4 輥道高度調(diào)整

根據(jù)固化桶尺寸誤差最大范圍對(duì)輥道高度進(jìn)行調(diào)整，將輥道高度提高10cm。對(duì)位攪拌裝置、取封蓋裝置主體下降極限位與輥道之間的高度由1135mm 變?yōu)?125mm，超出固化桶高度5mm～8mm 的誤差范圍，以滿足對(duì)不同固化桶的尺寸適應(yīng)性，消除固化桶高度尺寸誤差引起的固化桶與裝置之間的對(duì)接不到位導(dǎo)致的漏灰問(wèn)題。

5 改進(jìn)后的工程驗(yàn)證

5.1 排氣過(guò)濾裝置功能試驗(yàn)

為驗(yàn)證固化桶排氣過(guò)濾裝置的有效性，該文進(jìn)行了裝置的功能性試驗(yàn)，測(cè)試裝置的負(fù)壓保持功能。在加水工位和攪拌工位分別放置一個(gè)固化桶，并操作取封蓋裝置和對(duì)位攪拌裝置與固化桶進(jìn)行對(duì)接。為建立固化桶與工作箱之間的負(fù)壓梯度，根據(jù)工作箱的-100Pa 左右的負(fù)壓，分別測(cè)試-300Pa、-400Pa、-500Pa 和-600Pa 條件下的排風(fēng)負(fù)壓值。固化桶排氣裝置功能試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 固化桶排氣裝置空載試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)測(cè)試，裝置運(yùn)行功能良好，能夠根據(jù)設(shè)定負(fù)壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)固化桶排氣負(fù)壓，2 個(gè)工位的負(fù)壓均能有效保持穩(wěn)定。

5.2 模擬工況驗(yàn)證

固化桶排氣過(guò)濾裝置功能性試驗(yàn)完成后，利用2 個(gè)不同高度尺寸的400L 棄槳式固化桶（高度分別為1135mm 和1130mm），在桶中裝入適量模擬灰，分別放在加水工位和攪拌工位進(jìn)行加水和加水泥測(cè)試。裝置與固化桶對(duì)接完成后，觀察裝置與固化桶之間連接處無(wú)縫隙，并且密封圈有較大變形量，顯示對(duì)接緊密。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在固化桶加水和加水泥過(guò)程中，2 個(gè)工位均沒(méi)有粉塵逸出。利用粉塵濃度檢測(cè)儀進(jìn)行粉塵濃度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示粉塵濃度最高為0.262mg/m3，與試驗(yàn)前的0.259mg/m3相比基本無(wú)變化，和改進(jìn)前粉塵濃度15.9mg/m3相比已極大降低。同時(shí)在真空泵后端的排氣管道進(jìn)行粉塵取樣，粉塵濃度為0.03mg/m3。試驗(yàn)過(guò)程中的粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 粉塵濃度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)帶載試驗(yàn)結(jié)果可以證明固化桶排氣過(guò)濾裝置使用效果十分明顯，可有效建立固化桶的負(fù)壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與工作箱之間的負(fù)壓梯度，并有效防止固化桶中的粉塵逸出。并且新增的2 級(jí)過(guò)濾器能夠有效攔截粉塵和熱解灰，過(guò)濾效率良好。

5.3 霧化裝置效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后加水管霧化裝置的效果，在固化桶中裝入適量的模擬灰繼續(xù)霧化裝置效果測(cè)試。通過(guò)觀察，加水管采用霧化裝置后能夠有效形成較細(xì)的水霧，對(duì)固化桶中的模擬灰無(wú)明顯擾動(dòng)，也無(wú)明顯的粉塵逸出固化桶。證明增加的霧化裝置能夠有效減輕對(duì)固化桶中模擬灰的沖擊，并能有效抑制揚(yáng)塵。

6 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)熱解灰固化線揚(yáng)塵問(wèn)題的原因分析，提出了增設(shè)固化桶排氣過(guò)濾裝置、改進(jìn)排氣和加料管密封結(jié)構(gòu)、增加加水管霧化裝置等改進(jìn)措施，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證，證明采取的揚(yáng)塵抑制措施是有效的。解決了熱解灰從固化桶中逸散至工作箱的相關(guān)問(wèn)題，也消除了熱解灰通過(guò)排風(fēng)系統(tǒng)排至環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。該措施的有效應(yīng)用將為該水泥固化線后續(xù)的熱試提供有效的安全保障。