桶内干燥技术在放射性废液处理中的应用

万嘉瑜 ， 张明辉

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

核电站在运行和维修过程中会产生放射性液体废物，其处理工艺主要有过滤、离子交换和蒸发等方式。其中，蒸发技术因去污因子高、减容效果好等优势，已在国内秦山、田湾和大亚湾等核电站广泛应用[1-3]。为满足废物处置的要求，蒸发后的蒸残液需进行稳定化处理，目前国内主要采用传统的水泥固化工艺，但这一过程属于增容处理[1-4]，不利于废物最小化[5]，并会增加处置成本。

桶内干燥工艺作为有效的废液处理技术，适用于盐分较高的放射性废液的处理，已在德国Obrigheim核电站、Grohnde核电站等有成熟工程应用。我国在三代核电AP1000浙江三门核电项目中首次引进了放射性废液桶内干燥技术。相比较水泥固化技术，桶内干燥技术减容优势明显。本文将结合废液桶内干燥的技术特点，就需关注的技术问题进行分析。

1 工艺流程及特点

1.1 工艺流程

在三门厂址废物处理设施中，桶内干燥装置直接以160L钢桶作为干燥容器分批次接收蒸发后的蒸残液，并采用热空气加热的形式对蒸残液进行干燥。桶内干燥可基本去除蒸残液中的水份，实现减容处理。干燥完成后，装有盐块的160L钢桶经加盖、超级压实后装入200L废物桶灌浆固定，并送厂内废物暂存库暂存。蒸残液桶内干燥及后续超压工艺流程简图如图1所示。

图1 化学废液桶内干燥及超压工艺流程简图

Fig.1 Flow chat of in-drum dryer and super-compaction process

1.2 干燥过程

在三门厂址废物处理设施中，桶内干燥装置采用160L钢桶接收废液并直接进行干燥，废液以批次进料的形式维持桶内液位高度和实现持续干燥。循环空气经电加热后对钢桶外壁加热，钢桶壁面进一步将热量传递给桶内废液，使液体达到饱和温度后蒸发。160L钢桶经反复多次进料、干燥、再进料、再干燥后，最终在桶内形成稳定的化学盐块。干燥产生的蒸汽首先通过除沫器以去除可能夹带的液滴或固体颗粒，经冷却器冷凝后，形成的冷凝液在冷凝液箱中储存。干燥过程主要包括3部分的换热：干燥装置与160L钢桶外壁的对流辐射换热，160L钢桶内外壁间的传导换热，以及桶内壁与废液间的对流换热。相应的传热示意见图2。

图2 桶内干燥装置传热示意Fig.2 Heat transfer model of in-drum dryer

1.3 工艺特点

1.3.1 废液有效减容

如前所述，目前国内对于蒸残液主要采用传统的水泥固化工艺，会造成2～5倍的废物增容[4]。桶内干燥技术的减容比取决于蒸残液的含固率，若蒸残液的含固率为10%，则当蒸残液烘干至盐饼状态后，减容比可达到10。蒸残液干燥后形成的盐饼经超压后装入200L钢桶进行灌浆处理，考虑200L钢桶的体积，蒸残液经桶内干燥后装入200L钢桶的减容比可达到7.5。表1以化学废液蒸残液年处理量12m3为例，列出分别采用水泥固化和桶内干燥工艺处理后的废物桶(200L钢桶)的产生量。可见，与水泥固化工艺相比，桶内干燥工艺将少产生96%的废物桶，具有显著的废物减容效果。

表1 水泥固化和桶内干燥废物桶产生量Table 1 Quantity of waste drums produced by cementation and in-drum drying processes

1.3.2 废液稳定化处理

桶内干燥基本去除了蒸残液中的水份，形成的盐饼不含有游离态液体，满足放射性废物处置过程中对于含水率的要求[6]。烘干后的盐饼主要由无机盐类组成，有利于处置稳定性，将盐饼装入200L钢桶进行水泥灌浆的方式，使盐饼外增加了一道可靠的屏障，起到进一步隔离放射性废物与环境的作用，不仅可防止放射性废物泄露到环境，也可在暂存和处置过程中防止环境中的水份渗入到废物体。同时，灌浆后的200L钢桶水泥固定体具有良好的抗冲击性能。因此，采用桶内干燥工艺流程形成的废物体理化性能良好，满足废物处置对于废物性能的要求。

1.3.3 适用废液对象广

桶内干燥工艺适用于处理化学废液等含盐量较高的废液，拓宽了放射性废液的处理方式。由于化学废液含盐量较高，如果采用离子交换工艺，容易使离子交换树脂达到饱和，导致树脂的交换容量下降，缩短树脂的使用周期。因此，对化学废液的处理不推荐采用离子交换工艺，主要以蒸发工艺为主。根据废物处置的要求，蒸发后的蒸残液需要进一步稳定化处理，目前国内的核电站多采用水泥固化的增容工艺。桶内干燥工艺能够实现蒸残液的减容、稳定化处理，对于化学废液等含盐量较高废液的减容处理具有重要意义。

2 需关注的技术问题

2.1 干燥速率的选取

蒸残液桶内干燥工艺的蒸发干燥工况可参考大容器沸腾模型，典型的沸腾曲线可见图3[7]。在加热过程中，生成的气泡上升至上液面破裂后会产生雾沫，导致蒸汽的雾沫夹带量提高。雾沫夹带率与蒸发速率的大小直接相关，随着蒸发速率的提高，气化率增大，蒸汽流速加快，雾沫夹带率会随之增大[8]。雾沫夹带率的升高会对除沫器的设计制造及雾沫去除工艺提出更高要求，还可能造成传热恶化。

图3 饱和水在加热平面上沸腾的典型曲线Fig.3 Typical curve of saturated water boiling on heated plane

因此，在蒸残液桶内干燥过程中，应保证去污效果，防止雾沫夹带率过高而造成冷凝液放射性比活度升高。桶内干燥的蒸发速率不应设置过高，需综合考虑废液去污效果、装置处理能力和工艺稳定性等因素。在三门核电项目中，蒸发速率设定在4～6L/h，可控制废液蒸发干燥过程不产生剧烈沸腾，且保证装置的处理能力能够满足蒸残液的处理量需求。

2.2 干燥终点的选取

蒸残液的干燥过程一般可分为预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段(图4)[7]。在恒速干燥阶段(BC段)，物料表面附着非结合水份，该段的水份干燥去除机理与纯水干燥相同，干燥速率取决于物料表面水份的汽化速率。在降速干燥阶段(CDE段)，随着物料表面"干区"的出现，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面，干燥速率因传热和传质路径加长而下降。在干燥后期，干燥速率越来越低，特别是在干燥末期，盐饼中的水份已基本去除，干燥速率接近于0。

但在盐块干燥结晶后期，随着盐块温度持续上升，会形成局部过热。废液盐分浓缩使废液粘度增加，容易生成较大的气泡。如不加以控制，不仅会造成雾沫夹带恶化，同时还可能引起盐块膨胀，影响干燥的减容效果，甚至可能出现盐块溢出废物桶的现象[9]。因此，在桶内干燥过程中应选取合适的干燥终点，一般可通过选择干燥速率作为干燥终点判断的依据。

图4 典型干燥速率曲线Fig.4 Typical drying rate curve

3 结语

蒸残液桶内干燥工艺能够实现废物的减容处理，其处理后的废物体理化性能良好，拓宽了放射性废液的处理方式。通过选取合适的蒸发干燥速率和干燥终点，可降低干燥过程中的雾沫夹带、提升去污效果，还可以实现蒸残液有效减容和提高经济性能。三门核电项目实现了桶内干燥工艺处理蒸残液在国内的首次工程应用，对我国放射性废物管理水平和废物最小化技术水平的提升具有重要的推进作用。

[1] 黄来喜，何文新，陈德淦. 大亚湾核电站放射性固体废物管理[J].辐射防护，2004，24(3-4)：211-226.

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[3] 贾晓鸿.田湾核电站降低放射性废物蒸残液的研究与实践[J].硅谷，2014(13)：155-159.

[4] 梁 栋，柳兆峰，高 超，等. 模拟浓缩液桶内干燥200L规模全流程试验研究[J].环境科学与管理，2016，41(4)：108-112.

[5] 国家核安全局.HAD 401/08-2016 核设施放射性废物最小化[S].[出版地不祥]：[出版社不祥],2016.

[6] 国家环境保护总局.GB 9132-1988，低中水平放射性固体废物的浅地层处置规定[S].北京：中国标准出版社，1988.

[7] 何潮洪，冯 霄. 化工原理[M].北京：科学出版社，2001.

[8] 张鸣远，刘尧奇，陈学俊，等. 降膜蒸发管内液体夹带及传热恶化特性的研究[J].化工学报，1993，44(2)：199-205.

[9] 贾梅兰，高 超，安鸿翔. 微波桶内干燥模拟含硼废液可行性研究[J].环境科学与管理，2015，40(4)：97-100.