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        模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置故障診斷與分析

        2025-05-02 00:00:00李柯寧成艷梅賈興運(yùn)葉國(guó)安
        化工機(jī)械 2025年2期
        關(guān)鍵詞:改進(jìn)措施故障診斷設(shè)備

        摘 要 高放廢液的高效穩(wěn)定處理處置一直是核工業(yè)中的重難點(diǎn)之一,為探索通過(guò)噴霧煅燒方法實(shí)現(xiàn)高放廢液轉(zhuǎn)形處置的可行性,自主研發(fā)了模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置。重點(diǎn)闡述了該試驗(yàn)裝置在調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)備故障、試驗(yàn)設(shè)備故障的診斷與分析以及對(duì)應(yīng)的解決措施。該試驗(yàn)裝置出現(xiàn)的典型故障主要包括:中頻感應(yīng)線圈與溫度探針接觸打火、噴嘴堵塞與高溫?zé)g、流量計(jì)齒輪卡死與振動(dòng)器高溫失效等。采用故障樹(shù)分析法進(jìn)行故障診斷分析,優(yōu)化了中頻感應(yīng)線圈的支撐方案與絕緣措施,改進(jìn)了噴嘴選型并優(yōu)化噴霧工藝流程,優(yōu)化了廢液流量計(jì)量方案并新增流量傳感器,并提出了振動(dòng)器的阻熱方案,最終完成對(duì)模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置的優(yōu)化改進(jìn)。

        關(guān)鍵詞 高放廢液處理 噴霧煅燒 設(shè)備 故障診斷 改進(jìn)措施

        中圖分類(lèi)號(hào) TL94" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094(2025)02?0322?07

        經(jīng)過(guò)乏燃料處理后產(chǎn)生的高放廢液[1,2]仍包含乏燃料中99%以上的裂變產(chǎn)物和次錒系核素[3]。高放廢液具有成分復(fù)雜、放射性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)及毒性強(qiáng)等特點(diǎn)[4],它的處理處置一直是核工業(yè)中的重難點(diǎn)之一。目前,世界上普遍認(rèn)可且技術(shù)相對(duì)成熟的是高放廢液玻璃固化技術(shù)[3,5~7]。中國(guó)原子能院對(duì)兩步法冷坩鍋玻璃固化技術(shù)[8,9]做了相關(guān)研發(fā),文中所述的高放廢液轉(zhuǎn)形技術(shù)是兩步法冷坩鍋玻璃固化技術(shù)的第1步,具體是指將高放廢液在高溫條件下蒸發(fā)、煅燒,最終形成固態(tài)煅燒產(chǎn)物[10]。

        目前,獨(dú)立預(yù)處理高放廢液煅燒工藝方法有很多,如罐式煅燒法、回轉(zhuǎn)爐煅燒法、流化床煅燒法、微波煅燒法及噴霧煅燒法等[11]。噴霧煅燒設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便及煅燒效率高(可直接將高放廢液干燥成粉末,干燥過(guò)程迅速)等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)科研人員基于噴霧煅燒法,研制出噴霧式高放廢液轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置用于廢液轉(zhuǎn)形處理[12]。在本工藝流程得到國(guó)際驗(yàn)證的背景下,基于噴霧煅燒法,自主研發(fā)了一臺(tái)高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置,用于高放廢液的轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)研究,為本處理技術(shù)提供了良好的研究平臺(tái)。但由于模擬廢液具有腐蝕性強(qiáng)和易結(jié)晶的特點(diǎn),同時(shí)本工藝需要試驗(yàn)裝置提供700 ℃左右的高溫煅燒環(huán)境[13],是本試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)、安裝和調(diào)試的難點(diǎn),因此本裝置在安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了多種故障。

        本課題重點(diǎn)探究自主研發(fā)的高放廢液轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置的故障機(jī)理,并進(jìn)行診斷改進(jìn)與分析。對(duì)在自主研發(fā)高放廢液轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置過(guò)程中,出現(xiàn)的中頻感應(yīng)加熱故障、噴嘴故障、流量計(jì)故障及振動(dòng)器故障等問(wèn)題做了詳細(xì)闡述,揭示了問(wèn)題的本質(zhì),在此基礎(chǔ)上,提出了多種改進(jìn)方案和措施,并進(jìn)行了裝置改進(jìn)與升級(jí),之后進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試,排除以上故障,為后人做相關(guān)方面的試驗(yàn)裝置研發(fā)以及核化工設(shè)備領(lǐng)域的研究提供了實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

        1 模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置工作原理

        文中所述設(shè)備為一臺(tái)套模擬放射性廢物噴霧干燥裝置試驗(yàn)臺(tái)架,由上料系統(tǒng)、噴霧煅燒系統(tǒng)、尾氣過(guò)濾系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)組成,該試驗(yàn)裝置工藝流程如圖1所示。由圖可知,廢液由霧化裝置以霧滴狀態(tài)從煅燒室頂部中央噴入爐腔,液滴垂直通過(guò)煅燒室被一次蒸發(fā)、干燥和煅燒,同時(shí)安裝在爐體外側(cè)面振動(dòng)器的間歇振動(dòng)能夠減少物料在爐內(nèi)表面的沉積和結(jié)垢。煅燒產(chǎn)物依靠重力和振動(dòng)作用掉入排料斗,進(jìn)行貯存或者直接玻璃固化。在煅燒過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽,經(jīng)尾氣過(guò)濾器過(guò)濾,過(guò)濾后的尾氣進(jìn)入尾氣凈化處理系統(tǒng)進(jìn)行洗滌、吸收等操作,滿足排放標(biāo)準(zhǔn)后最終排放至大氣,為了防止過(guò)濾器堵塞、減少過(guò)濾壓差,尾氣過(guò)濾器需要具備熱空氣反吹功能,將附著在過(guò)濾器上的煅燒產(chǎn)物反吹回產(chǎn)物接收斗中。

        1.1 上料系統(tǒng)

        上料系統(tǒng)包括加料槽、輸料泵、流量計(jì)。該系統(tǒng)基本功能為:壓送料液進(jìn)入噴嘴,同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制模擬放射性廢液的流量。加料槽內(nèi)裝有攪拌裝置,其基本功用為貯存廢液并連續(xù)監(jiān)測(cè)廢液的體積,攪拌裝置盡可能使料液保持均勻,防止局部結(jié)晶沉淀。

        1.2 噴霧煅燒系統(tǒng)

        噴霧煅燒系統(tǒng)由噴嘴、煅燒爐、加熱模塊和振動(dòng)器組成,是整個(gè)煅燒裝置的核心部分。該系統(tǒng)基本功能為:由上料系統(tǒng)輸送的料液經(jīng)過(guò)噴嘴均勻霧化后,形成直徑小于70 μm的霧化液滴,從噴嘴高速?lài)娙腱褵遥辉O(shè)置在爐壁外側(cè)的加熱模塊依次蒸發(fā)、干燥和煅燒,得到含水率小于1%的煅燒產(chǎn)物。同時(shí),在煅燒室爐體外側(cè)還設(shè)置有振動(dòng)器,其基本功用為:通過(guò)振動(dòng)器的間歇振動(dòng)來(lái)減少物料在煅燒室內(nèi)壁的沉積和結(jié)垢。煅燒后的產(chǎn)物依靠重力和振動(dòng)作用掉入產(chǎn)物收集料斗,隨后進(jìn)入下一步固化處理過(guò)程或進(jìn)行貯存。

        1.3 尾氣過(guò)濾系統(tǒng)

        過(guò)濾器操作溫度為400~450 ℃,煅燒爐產(chǎn)生的氣體的粉塵顆粒含量較高,而且顆粒物粒徑很小,最小達(dá)到0.1~0.2 μm,過(guò)濾器反吹清洗頻率要求較高。同時(shí)由于操作工況的限制,過(guò)濾器阻塞壓差值要求較低,同時(shí)要求過(guò)濾元件的壓差較低,反吹效果要好。反吹閥的選型是高溫含塵氣體過(guò)濾器的關(guān)鍵,尤其是含塵量大,反吹頻繁,操作溫度高的工況,對(duì)反吹閥的要求更高,高效的脈沖反吹閥必須做到開(kāi)啟迅速,大孔泄壓、密封性能好、耐高溫腐蝕、耐高壓等特點(diǎn)。

        1.4 產(chǎn)物收集系統(tǒng)

        產(chǎn)物收集系統(tǒng)即下料系統(tǒng),主要包含產(chǎn)物收集料斗與收集罐,產(chǎn)物收集料斗是一個(gè)錐形斗。該系統(tǒng)基本功能為接收經(jīng)過(guò)煅燒爐蒸發(fā)與干燥的煅燒后粉末產(chǎn)物,將產(chǎn)物收集儲(chǔ)存,最后排出至熔制設(shè)備內(nèi)進(jìn)行玻璃固化。

        2 試驗(yàn)裝置故障診斷與分析

        采用故障樹(shù)分析法對(duì)設(shè)備故障原因進(jìn)行分析。故障樹(shù)分析圖如圖2所示,故障現(xiàn)象為打火問(wèn)題、流量計(jì)無(wú)示數(shù)和振動(dòng)器無(wú)法正常運(yùn)行。打火問(wèn)題的故障原因可能為感應(yīng)線圈接觸短路故障。流量計(jì)無(wú)示數(shù)的故障原因可能為噴嘴故障和流量計(jì)故障。經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn),高溫影響和廢液結(jié)晶堵塞是噴嘴故障的兩種原因。振動(dòng)器無(wú)法工作的原因可能是振動(dòng)器本身故障或者其無(wú)法在高溫條件下工作。

        2.1 中頻感應(yīng)加熱故障診斷與分析

        選用該中頻加熱器的原因有如下考慮,工件放到感應(yīng)器內(nèi),向感應(yīng)器輸入中頻交流電,產(chǎn)生交變磁場(chǎng)[14]。在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流使工件表面迅速加熱,在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800~1 000 ℃。感應(yīng)線圈是由銅管繞制而成的,每匝線圈之間的距離小[15],加熱之前需通入冷卻水,保證其正常運(yùn)行。本試驗(yàn)裝置需要進(jìn)行爐壁的溫度采集,以提供試驗(yàn)數(shù)據(jù),所以溫度傳感器焊接在加熱爐左側(cè)的六角螺釘處,共設(shè)置8個(gè)溫度傳感器,按150 mm等距分布,用于測(cè)量爐壁溫度。隨著噴霧煅燒爐溫度的升高,保溫套被加熱,爐子帶著保溫套發(fā)生軸向伸長(zhǎng),感應(yīng)線圈與安插在中頻加熱器之間的熱電偶發(fā)生接觸,從而使中頻加熱器短路,發(fā)生打火問(wèn)題,致使中頻控制柜保護(hù)機(jī)制觸發(fā),直接發(fā)生斷電現(xiàn)象。煅燒爐上傳感器實(shí)際分布及冷卻水管實(shí)物如圖3所示。

        2.2 噴嘴故障診斷與分析

        噴嘴采用微細(xì)霧化噴流噴嘴(圖4a),微細(xì)霧化噴流噴嘴只采用液體壓力來(lái)產(chǎn)生非常細(xì)小的液滴,噴霧形狀呈均勻的空心錐形,通常能獲得濕霧效果[16],但在真實(shí)試驗(yàn)工況下,隨著煅燒爐溫度的升高,噴嘴在煅燒爐內(nèi)受到熱輻射與熱傳導(dǎo)的影響,從而使內(nèi)部殘留的料液發(fā)生了蒸干現(xiàn)象,內(nèi)部的料液固化變成了顆粒,在噴嘴內(nèi)部發(fā)生了堵塞現(xiàn)象(圖4b)。

        2.3 振動(dòng)器故障診斷與分析

        裝置整體選擇安裝兩個(gè)振動(dòng)器,一個(gè)振動(dòng)器安裝在噴霧煅燒爐的尾部(圖5),另一個(gè)振動(dòng)器安裝在收集料斗上。選擇這樣安裝的原因如下:煅燒爐上方為蒸發(fā)段,液體與壁面間不斷撞擊、蒸發(fā),物料難附著在壁面上[17],且在加熱段安裝有中頻加熱線圈,振動(dòng)器不耐高溫并且振動(dòng)容易引起高溫段裝置變形。振動(dòng)器可以加速物料下落收集,減少物料結(jié)塊。采用活塞式振動(dòng)器,活塞直徑30 mm,振動(dòng)頻率為10~60 Hz?;钊秸駝?dòng)器,又稱(chēng)氣缸往復(fù)式振動(dòng)器,也稱(chēng)氣動(dòng)激振器,是改進(jìn)后的新型振動(dòng)器。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,振動(dòng)器在常溫下可以正常使用,高溫情況下發(fā)生故障,無(wú)法正常使用。

        2.4 流量計(jì)故障診斷與分析

        測(cè)量介質(zhì)為流量4~8 L/h的酸性硝酸鹽溶液,氫離子濃度2.5 mol/L,該測(cè)量介質(zhì)體積流量很小,不適合采用一般的電磁流量計(jì),采用微小齒輪流量計(jì)。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,由于料液具有易結(jié)晶的性質(zhì),在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,料液產(chǎn)生的結(jié)晶顆粒在流量計(jì)的齒輪上附著,從而造成齒輪流量計(jì)靈敏度下降,甚至損壞流量計(jì)。將損壞的流量計(jì)拆卸下來(lái),進(jìn)行故障診斷,原流量計(jì)及拆開(kāi)后的流量計(jì)的齒輪如圖6所示。

        3 試驗(yàn)裝置改進(jìn)措施

        3.1 中頻感應(yīng)加熱故障解決措施

        考慮到中頻感應(yīng)加熱故障原因是感應(yīng)線圈的高溫變形而引起的接觸短路故障,提出了如下整改措施:

        a. 在保證設(shè)備啟動(dòng)后正常運(yùn)行的前提下,調(diào)節(jié)上下感應(yīng)線圈與焊接在煅燒爐左側(cè)的六角螺釘之間的距離,為感應(yīng)線圈的高溫變形留有空間,從而減小接觸短路故障發(fā)生的概率。

        b. 在感應(yīng)線圈下部裝有4根絕緣棒,絕緣棒下部與支撐框架接觸,用于支撐整體的感應(yīng)線圈,以抵消由于高溫形變產(chǎn)生的軸向力,防止感應(yīng)線圈發(fā)生過(guò)大的軸向變形。

        c. 為進(jìn)一步提高本試驗(yàn)設(shè)備中頻感應(yīng)加熱的安全運(yùn)行,在每個(gè)用于放置溫度傳感器的六角螺釘與感應(yīng)線圈的上下間隙之間放入絕緣墊片,這樣可以隔絕兩者之間的直接接觸,并且對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響。

        整改后的煅燒爐如圖7所示,對(duì)本試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了試運(yùn)行,沒(méi)有出現(xiàn)接觸打火問(wèn)題。接著進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,故障也沒(méi)有再出現(xiàn)。至此,認(rèn)為中頻感應(yīng)加熱故障的打火問(wèn)題得到了解決。

        3.2 噴嘴問(wèn)題解決措施

        原方案中采用微細(xì)霧化噴流噴嘴,屬于單流噴嘴,采用液體壓力來(lái)產(chǎn)生非常細(xì)小的液滴,這對(duì)輸料泵的壓力提高了要求,而且壓力大小是霧化液滴是否精細(xì)的關(guān)鍵。但是壓力過(guò)大,會(huì)對(duì)進(jìn)料系統(tǒng)管路連接處的密封產(chǎn)生不利影響,而壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致噴出的料液霧化效果達(dá)不到要求,出于以上問(wèn)題的考慮,在不影響試驗(yàn)?zāi)康牡那闆r下,采用雙流體噴嘴進(jìn)料的方案。

        噴嘴選用薄壁自清除雙流體噴嘴,噴嘴上方帶有自清洗通針,具有防堵功能,實(shí)物圖如圖8所示。

        雙流體噴嘴具有以下特點(diǎn):

        a. 噴出的霧化液滴小而均勻,可以保證在本試驗(yàn)裝置中蒸發(fā)充分,以達(dá)到試驗(yàn)要求。

        b. 雙流體噴嘴可在低壓的氣液進(jìn)口條件下,實(shí)現(xiàn)精細(xì)的物化,相比單流體噴嘴,節(jié)能顯著。

        c. 氣液霧化噴嘴比普通形式噴嘴的孔徑更大,具有優(yōu)異的抗堵塞性能,一般的高壓水噴嘴為了保證霧化顆粒盡可能細(xì)小,一般孔徑不會(huì)超過(guò)2 mm,容易出現(xiàn)結(jié)垢、因水過(guò)濾器不好等因素造成的堵塞現(xiàn)象。本方案采用的薄壁自清除雙流體噴嘴孔徑較大不易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

        此外,采用雙流體噴嘴,由于通入常溫空氣,可以對(duì)噴嘴進(jìn)行氣冷,達(dá)到冷卻的目的,延長(zhǎng)了噴嘴在煅燒爐高溫條件下的使用壽命。

        在調(diào)試試驗(yàn)裝置過(guò)程中發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后,使噴嘴噴入清水,可以清洗噴嘴內(nèi)殘留的高放廢液,有效避免高放廢液在煅燒爐加熱過(guò)程中在噴嘴內(nèi)部發(fā)生固化,從而使噴嘴堵塞的現(xiàn)象。

        雙流體進(jìn)料還可采用雙流體噴槍?zhuān)邷貒姌尣牧线x擇310s不銹鋼,可以耐高溫防腐蝕且具有較好的抗蠕變性能,且不易發(fā)生堵塞,實(shí)物圖如圖9所示。

        3.3 流量計(jì)優(yōu)化

        考慮到料液析出的結(jié)晶會(huì)對(duì)齒輪流量計(jì)造成損壞,導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行精確測(cè)量,在故障診斷及分析之后,對(duì)于進(jìn)料系統(tǒng)的流量測(cè)量問(wèn)題進(jìn)了優(yōu)化,提出了如下整改措施:

        a. 可以加裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(圖10)來(lái)進(jìn)行進(jìn)料流量測(cè)量。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)具有測(cè)量準(zhǔn)確、不易堵塞的特點(diǎn)。

        b. 管路或加料槽中添加過(guò)濾裝置??紤]到流量計(jì)主要是由于料液中存在結(jié)晶顆粒而發(fā)生堵塞,從而發(fā)生故障,所以在料液通過(guò)流量計(jì)之前的管路上添加過(guò)濾裝置,以過(guò)濾掉結(jié)晶,解決堵塞問(wèn)題,也改善了噴嘴堵塞的情況。

        通過(guò)上述整改,進(jìn)料系統(tǒng)的流量可以精準(zhǔn)測(cè)量,噴嘴堵塞問(wèn)題也得到了改善。

        3.4 振動(dòng)器優(yōu)化

        振動(dòng)器常溫下正常運(yùn)行,高溫下無(wú)法使用,考慮到高溫對(duì)振動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了損害導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行,整改措施如下:

        a. 加隔熱墊。在振動(dòng)器與爐體連接處安裝隔熱墊,可以有效阻斷爐體對(duì)振動(dòng)器的熱傳導(dǎo),保證振動(dòng)器的正常運(yùn)行。

        b. 考慮改換耐高溫的振動(dòng)器。

        通過(guò)上述的振動(dòng)器整改,振動(dòng)器不再出現(xiàn)故障問(wèn)題,可以有效避免爐體出現(xiàn)煅燒殘留物,通過(guò)振動(dòng)的方式,進(jìn)行設(shè)備去污,保證設(shè)備的使用壽命及煅燒效率。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置在研發(fā)、安裝和調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的故障,采用故障樹(shù)分析法進(jìn)行故障診斷分析,最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,得到如下經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論:

        a. 分析并診斷了中頻感應(yīng)加熱故障,發(fā)現(xiàn)故障是感應(yīng)線圈的高溫變形而引起的接觸短路故障。通過(guò)增加絕緣墊片和絕緣棒的方法,阻斷了六角螺栓與感應(yīng)線圈的接觸,防止短路打火現(xiàn)象。

        b. 改進(jìn)了噴嘴選型并提出新的噴霧方案。采用雙流體噴嘴,較微細(xì)霧化噴流噴嘴而言,具有霧化效果好、節(jié)能顯著及防堵塞等優(yōu)勢(shì)。提出采用噴槍進(jìn)行噴霧的新方案,高溫噴槍材料選擇310s不銹鋼,可以耐高溫、防腐蝕且具有較好的抗蠕變性能,不易發(fā)生堵塞。

        c. 優(yōu)化了廢液流量計(jì)計(jì)量方案并提出振動(dòng)器的阻熱方案。加裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和在加料槽中添加過(guò)濾裝置,以上兩種方法可有效解決廢液結(jié)晶堵塞齒輪流量計(jì)的問(wèn)題。高溫是導(dǎo)致振動(dòng)器無(wú)法正常使用的主要原因。通過(guò)加隔熱墊或改換新型耐高溫振動(dòng)器等手段,保證振動(dòng)器正常運(yùn)行。

        最終完成對(duì)模擬高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置的優(yōu)化改進(jìn),為未來(lái)先進(jìn)高放廢液噴霧煅燒轉(zhuǎn)形處理試驗(yàn)裝置的研發(fā)、安裝和調(diào)試提供了方向,也為相類(lèi)似的噴霧煅燒裝置的研發(fā)與故障診斷提供了實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

        參 考 文 獻(xiàn)

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