核电站固体废物处理系统水泥固化线的设计

核电站固体废物处理系统水泥固化线的设计
刘兆阳;孙刚;谷继品
【摘要】介绍了核电站放射性废物的种类,水泥固化方法的现状,重点介绍了桶内固化工艺以及水泥固化线设计过程中的要点.
【期刊名称】《起重运输机械》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】3页(P39-41)
【关键词】固体废物;水泥固化;辊道;设计
【作者】刘兆阳;孙刚;谷继品
【作者单位】中国原子能科学研究院北京102413;中国原子能科学研究院北京102413;中国原子能科学研究院北京102413
【正文语种】中文
【中图分类】TL941+.111
核电站液体和固体放射性废物，主要来源于本电站机组正常运行年度换料大修及预期运行事件中产生的放射性液体废物和固体废物。

它主要由浓缩液、废树脂、废过滤器芯、检修废物 (木材、金属、污土)、通风过滤器等组成，所有这些放射性废物均由固体废物处理系统 (TES)及其附属设施进行处理，通过对固体放射性废物进行收集、分类、暂存、压缩装桶、装桶固化和装桶固定，达到对固体放射性废物进行有效包容处理的目的，形成标准固体废物货包，满足国家对固体放射性废物处理的
要求。

水泥固化技术是开发最早的放射性废物固化处理技术，水泥固化中低放射性废物是一种成熟的技术，被很多国家的核电站广泛采用。

我国的秦山核电站、大亚湾核电站等都采用了水泥固化工艺来处理中低放射性废物。

目前水泥固化的废物主要是压水堆电站的废浓缩液、废树脂和废过滤芯［1］。

1 水泥固化工艺的设计
水泥固化操作主要有常规水泥固化处理工艺、贮桶内混合、外部混合后装桶、水泥压裂、冷压水泥、热压水泥等方法。

［2］
贮桶内混合法特别适合于处理废液。

该工艺可分为两种:一种是将可升降的搅拌器
下降到贮桶中搅拌，德国卡尔斯鲁厄核研究中心水泥固化车间采用此方法;另一种
是在贮桶中加入水泥及起捣动作用的重物，泵入要处理的废液，然后加盖封严送到滚翻或震动台架上翻滚或震动，使废物和水泥混合。

前者混合均匀，但要清洗搅拌器，容易污染;后者操作简单，但混合均匀程度较差。

外部混合后装桶法是水泥和废物在混合器里混合好后再装入贮桶。

水泥压裂法是一种处置放射性废液的方法，它是利用石油开采技术，把由中低放射性废液、水泥和添加剂形成的灰浆注入到200～300 m深、不渗透的页岩层中，
再把页岩层压出裂缝，使灰浆渗入到页岩层中去，并固结在其中，美国橡树岭国家研究所 (ORNL)曾用此法处理了含有60万Ci以上放射性废物的灰浆。

冷压水泥法是把焚烧灰和水泥的混合物压成小圆柱体，得到含水量低、废物包容量高达65%的固化体，美国蒙特实验室曾用此法来处理含超铀元素的焚烧灰。

热压水泥法是在较高的温度(100℃ ～400℃)和压力 (170～7 000 MPa)下，获得高强度、高密度、低含水量、低孔隙率和透气性的固化体，但这种工艺的设备要求高，工艺复杂。

本文介绍的水泥固化操作采用的是桶内固化工艺，通过一套远程控制的整备生产线，
实现放射性固体废物的计量、输送、装桶、固化、暂存养护等操作，将废物装入废物金属桶内，为废物的进一步处置做准备。

主要工艺流程包括废物桶的传输、废物桶的开盖和封盖、废物的计量和预处理、废物的装桶、废物的固化或固定、废物桶的养护等。

2 关键设备的设计
完成上述功能，水泥固化线需要包含以下设备:输送装置、加注装置、搅拌装置、
传输辊道(振动密实装置和传输辊道集成在一起)。

2.1 输送装置
固化所需的干水泥通过输送装置添加到金属桶内进行固化，输送装置包括水平螺旋输送装置、垂直螺旋输送装置、移动式料斗等。

先将干水泥装入移动式水泥料斗，将料斗运输至水平螺旋输送机上，水平螺旋输送机将料斗内的干水泥送入垂直螺旋输送机，垂直螺旋输送机与干粉加注罩相连，可将水泥输送到金属桶内。

2.2 加注装置
加注装置由搅拌器、钢平台、干料加注罩、湿料加注罩、接液盘、清洗液回收装置等组成，在浓缩液和废树脂固化时，辊道传输线将金属桶送到湿料加注工位，向金属桶中加入浓缩液或废树脂;在搅拌工位，加入固化剂水泥、添加剂等干料，利用
搅拌桨搅拌均匀，固化后形成满足标准要求的水泥固化体。

对废过滤芯进行固定时，辊道传输线将装有废滤芯的金属桶送到湿料加注工位，加入已制备好的水泥浆，将滤芯灌浆固定在金属桶内，固定后形成水泥固化体。

在加注、搅拌完成后，会进行加注站位的清洗工作，清洗之后进行清洗液回收，清洗液回收装置检测清洗桶内液位，将澄清后的清洗水抽到指定容器中。

接液盘分别固定在干料加注罩和湿料加注罩下方，当金属桶离开加料和搅拌工位时，用于接收加料口或搅拌桨上滴落的废液、水泥浆或清洗水，防止对设备及环境造成污染。

搅拌装置是行星式双搅拌桨，搅拌过程中废液飞溅小，废液的装桶率可以提高到90%～95%。

2.3 传输辊道
传输辊道包括固定传输辊道、顶升辊道、振动辊道、移动辊道。

通过辊道在开封盖装置、废滤芯装桶装置以及加注、搅拌站之间往复运转，根据流程需要，实现对金属桶的定位、固定、顶升及振动等辅助功能。

辊道传输线还用于金属桶盛装废物前的空桶暂存和废物装桶封盖后的养护。

2.3.1 固定辊道
1)变频器驱动下的减速电机的选择
由于水泥固化线是间断工作制辊道，减速电机转矩大于计算静转矩和动转矩之和:M＞Mj+Md。

最大静力矩Mjmax为金属桶遇到障碍物突然停止时，辊子还在转动，金属桶停止时产生的最大打滑力矩
最大动力矩Mdmax为启动时金属桶与辊道间可能产生打滑时的最大动力矩
式中:Q为作用在一个辊子上的重力，N;G为1个辊子的重力，N;μ为辊子轴承中的摩擦因数，滚动轴承μ=0.005;f为金属桶在辊子上的滚动摩擦因数;μ1为辊子与金属桶间的滑动摩擦因数;D为辊子直径，m;GD12为辊子的飞轮转矩，N·m2。

服务系数是指减速器额定输出转矩与电动机额定转矩的比值，设计要求减速电机的服务系数FB＞2。

2)辊子间距
为了保证运输的平稳性，辊子间距的选择要保证在任何情况下至少有4根辊子与废物桶接触。

3)辊子传动的选择
辊子传动有齿轮传动和链轮传动。

链传动有单链传动与双链传动，单链传动的驱动装置布置在辊道的端部，为了保证链条、链轮正常啮合和补偿链条因磨损等原因引起的伸长，传动系统中设有张紧装置和导轨。

双链传动的辊道，驱动装置一般布置在中间，可改善链条和链轮受力情况，提高传动效率。

链传动结构紧凑，但制造与安装精度较低。

在一般应用场合下，链传动是辊子传动中广泛采用的传动方式。

齿轮传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，而且制造和安装精度高，应用于高可靠性的水泥固化传输线中。

驱动装置一般布置在中间，提高工作效率，改善齿轮的受力情况。

TES系统传动系统采用的是齿轮传动。

2.3.2 顶升辊道
顶升辊道可实现金属桶与加注站位的对接，顶升辊道可采用整个辊道顶升和顶升金属桶两种顶升方式，辊道整体顶升的结构鞍钢设计研究院曾做过介绍。

［3］本文采用的顶升方式是设置一个顶升装置，只将金属桶进行顶升。

顶升装置设计的要点是采用几个升降机构，这些升降机构应保持同步，使顶升过程平稳。

通过对比研究，采用4个螺旋升降机相连的方式进行顶升，由导轨导向，
可实现顶升的同步、准确、平稳。

同时，带自锁功能的螺旋升降机，在失去动力后，可维持顶升状态不变，确保安全可靠。

2.3.3 振动辊道
振动辊道是为了使金属桶内的水泥密实，结构包括振动电机和空气弹簧，空气弹簧起提升和减震的作用。

2.3.4 移动辊道
移动辊道实现废物桶进入车间以及在车间辊道之间的对接。

移动辊道在轨道上移动，在移动过程中要防止脱轨，结构采用电机驱动行走轮转动，带动辊道沿着轨道移动。

辊道在移动到位后设有定位、锁定装置。

3 总结
在水泥固化线设计中，桶内固化运行灵活方便，根据需要可随时开停，是目前核电站水泥固化普遍采用的固化方式。

在水泥固化设备关键设备选型过程中，对于输送装置、搅拌装置、自动开封盖装置等复杂的工艺设备，目前主要采用成熟的进口设备，国内有待进一步研发。

对于辊道传输线以及加注装置等，经过自主研发，技术基本成熟，设计、加工产品可投入核电站水泥固化线中应用。

参考文献
［1］陈良，陈莉，李均华.压水堆核电站放射性废液水泥固化技术分析［J］.核动
力工程，2009，30(2):113－116.
［2］车春霞，腾元成，桂强.放射性废物固化处理的研究及应用现状［J］.材料导报，2006，20(2):94－101.
［3］王玉，刘化建.升降辊道装置的设计与研究［J］.冶金设备管理与维修，2003，21(4):4，5.。