废树脂自沉降体积计量工艺研究

陈先林　刘宇昊　陈莉

摘 要：基于简约、可靠、检修少原则，设计了一种放射性废树脂水泥固化处理前的体积计量工艺，利用树脂与水的密度差，靠树脂自重在计量料槽内实现准确计量。建立试验装置，通过改变操作工艺条件，如沉降搅拌方式、连通管径、补水和排气环境等，试验了树脂计量效果，满足放射性废物树脂计量工程应用要求。

关键词：放射性废树脂 体积计量 验证试验 工艺

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0052-04

Abstract：Based on principle of simplicity、reliable and less maintenance，a kind of volume measurement process was designed before cement solidification.Using density difference between the resin and water，the resin completed accurate measurement in the tank.Establishing test device，changing the operating process conditions，such as settlement way，Unicom pipe diameter，hydrating and exhaust environment and so on，the effect of resin measurement was tested，that meet the requirement of radioactive waste resin engineering application.

Key Words：Radioactive waste resin；Volume measurement；Validation test；Technology

核设施运行过程中一般会产生放射性废树脂，需要处理包装后送处置场最终处置[1-2]。计量是废树脂水泥固化处理[1，3]过程中的一个重要环节，目前国内主要有重量和体积计量两种方法，但计量环节都较多，过程较为复杂，或者计量不准确，树脂堵塞问题严重。该文介绍一种废树脂自沉降体积计量工艺，利用树脂和水的密度差完成树脂分离，通过定量计量槽完成树脂计量，整个计量系统结构简单，维护量少，计量精度满足工程使用要求，适合在放射性场所的推广应用。

1 工艺原理

国内核设施运行使用的树脂一般为颗粒状（0.4～0.7 mm），干燥状态下有静电作用，其密度约为0.6～0.7 g/cm3，经水浸泡后会溶胀，溶胀密度约1.08 g/cm3，比水略大。水泥固化需计量的放射性废树脂基本都经水充分浸泡，含水量在50%～60%之间，属于放射性湿废物。废树脂一般同水混合，管线输送进入计量工艺系统，输送过程如果管径大小、管道高差、管道弯度控制不好，极容易造成树脂堵管。

废树脂自沉降体积计量工艺系统包括接收槽、补水槽、计量槽和相应的阀门管路，如图1所示。接收槽与计量槽为上下联体结构，接收槽用于接收准备计量的废树脂，计量槽为树脂计量的定量容器，补水槽可以辅助计量好的树脂顺利排出。进入接收槽的颗粒废树脂和水由于密度差可迅速分层，下层树脂通过重力进入计量容器完成计量，上层水可溢流排出。计量容器旁通补水槽，可实现顺利补水或补气下料。整个计量工艺不需要辅助动力设备，仅设置保证容量安全和粗量度的测量仪表，要求通过树脂和水自然分层，定量容器计量完成传统复杂计量系统的全部功能。

2 工艺试验验证

由于该计量工艺没有任何工程实用数据参考，需要开展工艺可行性验证试验，检验工艺缺陷和不足，为后续的工程应用提供依据。试验采用比例可放大的小试验装置，用非放树脂和自来水进行试验。

2.1 工艺试验装置

工艺试验装置进料槽和补水槽为敞口槽，试验过程操作全部为手动操作，槽体材料为铁皮，管道和阀门材质为塑料，进料、补水和计量槽容积分别为80 L、60 L和15 L，整个系统架设在地面。装置架设情况及相关尺寸如图2所示。

2.2 试验验证项目

检验树脂从接收槽至计量槽的重力自沉降工艺和树脂从计量槽下料工艺，以及不同沉降和下料方式的组合试验效果；摸索工艺操作条件。

2.3 试验内容

2.3.1 试验准备

（1）连通管管径大小验证。

连通管管径大小关系废树脂是否下料顺畅，管径过小，废树脂会在进料口形成堆积效应，无法顺利下料，管径过大，计量阀选取困难，上下连接不方便。从50～100 mm之间，选择不同管径进行试验，确定最优管径。

（2）计量槽容积标定。

通过自来水的自沉降完成计量槽真实容积（计量阀和下料阀之间容积）的标定。标定计量槽实际容积為17.4 L。

2.3.2 自沉降计量试验

（1）试验操作过程。

计量槽空槽，所有连接阀门关闭；树脂和自来水混合加入计量槽，混合比约为1∶3，补水槽加注自来水；开启计量阀，完成树脂自沉降，采取搅拌沉降和不搅拌沉降两种方法，沉降完成关计量阀；开启补水阀或排气阀，开启下料阀，完成下料，通过下料树脂量，评价自沉降效果。

（2）不同沉降和下料方式组合试验。

为充分验证树脂的自沉降计量效果，找到最为理想的树脂自沉降和下料方式，试验安排6种自沉降方式和两种下料方式进行分别组合试验，共试验12组，每组试验3次，从下料口收集树脂，根据收集树脂量比较分析沉降计量效果。不同沉降和下料方式的试验过程如表1所示。

2.4 自沉降计量试验数据

如前所述，不同自沉降和下料方式分别组合试验，共获得12组试验的36个试验数据，如表2所示。12组试验多次测量数据统计对比见柱状图3。

2.5 工艺试验结果分析

从统计数据图表可知，沉降方式a、c效果较差，表明：隔断连通阀门，保持计量槽空槽，开启计量阀，在树脂不松动前提下，树脂依靠重力从接收槽自然沉降至计量槽比较困难；沉降方式b、d、e、f效果较好，表明在接收槽下料口松动树脂，会使树脂下料顺畅。

树脂从接收槽沉降至计量槽，沉降通道是由宽至窄的椎形路径，上层水和树脂对下层沉降树脂在竖直方向挤压的同时，也会对其产生横向挤压力。颗粒树脂浸水后粘度大幅提高，接收槽连通管附近的树脂在竖向和横向挤压下会粘合在一起，形成架桥，阻止计量槽内气体排出，不再沉降，连通管径越小，架桥越严重，如图4所示。

从安装、操作、连通阀门选择以及计量误差各方面考虑，连通管也不能太大，连通管管径验证试验表明，选择80 mm内径的连通管较为合适。对于80 mm的连通管径，树脂沉降效果的关键在于接收槽下料口处积压架桥的破坏。沉降方式b预先在计量槽内充满水，树脂接触水后会迅速沉降，没有架桥条件，但该做法同工程工艺环节不匹配；沉降方式上d、e、f都能充分破坏树脂架桥，但实际操作时很难在锥形下料口的底部实现机械搅拌，计量槽旁通空气容器容易造成树脂串管和计量不准确。综上，沉降方式f最佳，通过压空鼓泡工艺简单，且能充分破坏树脂架桥，确保自沉降顺畅。

从试验结果可以看出，补水下料比补气下料更完全，残留更少。树脂沉降完成后，计量槽内除了少量水外，基本为树脂，补气下料会在计量槽壁面附着残留一定量的树脂，导致下料不完全，如图5所示。补水下料会一直保持树脂浸润在水中，树脂流动性好，基本不会附着，可以将树脂完全排出。

2.6 工艺试验总结

采用如图2所示的试验装置，手动操作，在合适的工艺操作条件下，能够实现树脂的树脂自沉降体积计量，装置要求和操作条件如下所述。

（1）综合考虑安装、实际操作及下料效果，树脂自沉降连通管内径为80 mm左右较为合适。

（2）树脂在从大到小的锥形通道内沉降，容易形成架桥堵塞，自沉降下料需要采取破坏架桥的措施，以压空鼓泡为宜。

（3）采用补水下料能消除补气下料带来的树脂在槽壁附着问题。

3 结语

由接收槽、补水槽、计量槽及相关管道阀门构成的简单废树脂自沉降体积计量工艺（如图1所示），能够完成废树脂计量。整个工艺系统结构简单，无动力设备，操作便利，维护较少，解决了树脂残留和堵塞问题，适合在放射性场所推广应用。

工艺验证试验表明，计量过程需要压空鼓泡和补水冲泡提高沉降和计量效果。所以，该计量工艺不适用于后续处理对树脂有低含水率要求的场合，特别适合放射性废树脂和蒸发浓缩液混合固化处理的前端废树脂计量，补水槽可以作为蒸发浓缩液计量槽使用。

采用该工艺宜选择合适的沉降连通管内径，建议75～85 mm之间。废树脂补水下料完成之前，建议保持计量槽内都充满水（或浓缩液），这样可以保持残留树脂完全浸泡在水中，減少在槽壁的附着残留，提高计量精度。

参考文献

[1] 罗上庚.废离子交换树脂的优化处理[J].核科学与工程，2003，23（2）：165-172.

[2] GB9132-88，中华人民共和国国家标准低、中水平放射性废物的近