废树脂料斗定量法计量验证试验

刘宇昊　陈先林　孙圣权

【摘 要】功能仪表结合自然溢流的方法进行树脂的计量适用性较差，废树脂料斗定量法计量是利用树脂密度比水略大这一特性，将计量装置设置为上下联体结构，利用底部的计量槽进行废树脂的定容计量。采取小试装置分别进行计量槽定容试验、6组树脂沉降试验和2组树脂下料试验，试验数据分析表明：在大气压和树脂自重的作用下，树脂自然沉降是完全可行的，若辅助压空反吹会有更好的效果；计量好的树脂通过水力输送可顺利下料。试验结果证明该技术是可行的，并且具有较好的工程实用性。

【关键词】树脂；料斗定量；沉降；下料

Hopper Quantitative Method Validation Test of Spent Resin

LIU Yu-hao CHEN Xian-lin SUN Sheng-quan

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】Functional instrument combined with natural overflow method for the measurement of resin is poor. The hopper quantitative method of resin measurement is to use the characteristic that the resin density is slightly larger than the water， and the metering device is arranged on the upper and lower body structure. Take the test device is respectively metering tank constant volume test， six groups of resin settlement test and two groups of resin unloading test， the test data analysis showed that： under the weight of atmospheric pressure and resin， the resin of natural subsidence is completely feasible， if the auxiliary pressure air reverse blowing will have a better effect； the measured resin through the hydraulic conveying smooth feeding. The experimental results show that the technique is feasible and has good engineering practicability.

【Key words】Resin； Hopper quantitative； Settlement； Unloading

0 概述

自上世紀五、六十年代以来，随着我国核事业的发展，相继建成、运行了诸多核设施，这些核设施运行期间产生了较多的放射性废物[1]，废树脂其中的一类重要废物[2]，废树脂的处理方法有很多[3]，其中水泥固化是当前最主要的处理方法[4]，此外国内也开放了一些其他的处理技术[5]。在废树脂的处理过程中，其计量是一个重要环节，目前国内主要采用树脂界面计[6]和液位计等功能仪表结合自然溢流的方法进行树脂的计量，根据其的调试和运行经验，这种方法计量树脂误差较大，很难做到精确计量，而且在计量槽内又不适宜使用机械搅拌，导致树脂自然下料时容易堵塞管道。料斗定量法计量废树脂采用定量料斗的方式进行较为精确的树脂计量，本文通过小试装置用非放树脂进行试验，并根据试验结果探索其影响因素。

1 试验原理及装置介绍

1.1 试验原理

树脂为颗粒状（0.4～0.7mm）或者粉末状（<0.03mm），干燥状态下有静电作用，其密度约为0.6～0.7g/cm3；树脂经水浸泡后会溶胀，浸水溶胀的树脂密度可达到约1.08g/cm3，比水略大。废树脂为充分浸泡过的树脂，其含水量一般在50%～60%之间，属于放射性湿废物；废树脂在有压输送时其流动性较好，但在无压状态下极易造成管道等堵塞，会给废树脂的输送和计量造成一定的困难。

根据废树脂的相关特性，料斗定量法计量废树脂的装置由接收槽、计量槽和补水槽三部分及相应管道阀门组成，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料斗；补水槽用于蒸残液计量，同时可以辅助计量好的树脂顺利排出。如果接收槽内盛放一定量的含水树脂，由于树脂密度略大，在静态时二者会自然分层，树脂在底部，水在上部。当开启接收槽与计量槽之间连通的阀门时，树脂便会自然沉降并完全充满计量槽，连通阀门关闭后，计量槽内的废树脂即为定量计量过的树脂。

1.2 试验目的及内容

由于本套装置没有任何工程实用数据参考，需要进行验证试验，验证该方案的可行性，记录相关的数据，并检验该方案是否存在缺陷或不足，为后续的工程应用提供依据。试验采用小试装置，用非放树脂和自来水进行试验，主要验证两个方面的内容：

1）检验树脂从接收槽沉降至计量槽时是否顺利，沉降后树脂能否完全充满整个计量槽；

2）由于树脂从计量槽内下料时要关闭顶部阀门，需要检验其下料过程能否完全排空。

1.3 试验装置

本次试验拟验证该技术的可行性，试验装置各个容器的容积在原设备的基础上按照一定的比例进行相应缩小，其中接收槽容积定为约80L，计量槽容积定为约15L，补水槽容积定为约60L；将接收槽和补水槽顶部做成敞口式，树脂或自来水直接从容器顶部注入，下料排除后的树脂用塑料桶接收，通过去皮称重的方式得出桶内树脂的质量，然后转化为体积。如图1所示。

图1 树脂实验装置图

2 试验流程

2.1 試验内容

2.1.1 计量槽容积测量

关闭进料槽的所有出口阀门，向槽内加入约70L自来水。然后开启计量阀，使计量槽内充满水后关闭计量阀。开启下料阀，使计量槽内的水流至塑料桶内，测量桶内水的体积，测量值即可作计量槽的容积值。

2.1.2 树脂沉降验证

为充分验证树脂的沉降情况，确保找到最为理想的树脂沉降方式，试验过程安排六组方式进行树脂沉降情况的验证：

a）关闭排气阀和压空阀，开启计量阀，在计量槽内充满空气的状态下让树脂在静态时靠自重沉降；

b）保持计量槽联通的所有阀门关闭状态下将补水槽内注满水，开启补水阀使计量槽内充满水后关闭补水阀，然后开启计量阀，在计量槽内充满水的状态下让树脂在静态时靠自重沉降；

c）关闭排气阀和压空阀，开启计量阀，然后用棍棒在进料槽内搅拌，使接收槽内的树脂处于动态，再靠其重力自然沉降；

d）关闭排气阀和压空阀，开启计量阀，然后用棍棒插入接收槽直至计量槽内，破坏连通管内树脂的整体性，再靠树脂重力自然沉降；

e）关闭压空阀，开启排气阀和计量阀，让树脂在静态时利用其自重和大气压双重作用沉降；

f）关闭排气阀，开启压空阀和计量阀，将压缩空气自下而上鼓入接收槽，排走计量槽内存留的空气，同时使收槽内的树脂处于动态，然后使其沉降。

2.1.3 树脂下料导出验证

树脂每次沉降试验完成后都要对计量槽内的树脂进行测量，因此需要将这些树脂导出至塑料桶内，树脂下料导出方法有两种：

a）关闭压空阀和补水阀，开启排气阀和下料阀，使树脂靠自重下料导出；

b）关闭压空阀和排气阀，开启下料阀和补水阀（补水槽内有水），使树脂借助水流下料导出。

2.2 试验数据

2.2.1 计量槽容积测量数据

接收槽内加入的约70L自来水可测量三次计量槽容积，三次测量数据如表1所示，根据实际测量，计量槽容积为17.4L。

表1 计量槽容积测量数据表

2.2.2 树脂沉降与下料试验数据

根据实测的计量槽容积，为保证每次向接收槽内加入废树脂可供进行三次沉降和下料导出试验，试验设定在所有阀门关闭状态下向进料槽内加60L充分浸泡过的树脂和15L的水，并向补水槽加入40L水，此时接收槽内的树脂和水会自然分层，如图2所示。

图2 树脂和水自然分层示意图

由于在试验时，树脂每次沉降试验完成后都需要进行下料导出验证，六组沉降试验结合两组下料试验结合测量得出12组数据，如表2所示。

表2 树脂沉降与下料实验记录数据表

2.3 试验总结分析

2.3.1 试验结果总结

对表2测量出的12组数据绘制条形图，如图3所示，从图中可以看出：

1）每一组试验测到的数据都比较稳定，树脂沉降与下料的结果与补水槽和接收槽内的液位几乎没有关系；

2）树脂采用a种沉降方式效果最差，c种沉降方式也比较差，这两种方式计量的树脂体积尚不及计量槽容积的一半；

3）另外四种沉降方式计量的树脂体积都达到了计量槽容积的85%以上，其中d种效果稍差，其余b、e、f三种方式计量的树脂体积都达到了计量槽容积的90%以上；

4）从下料方式来看，b方式效果略好，但二者差别不大。

图3 树脂沉降与下料实验数据柱形图

2.3.2 试验结果分析

1）树脂沉降试验结果分析

a种沉降方式是在进料槽内湿树脂和水自然分层后打开计量阀，此时湿树脂和水便会在重力的作用下向计量槽内沉降，而计量槽内原本充满的空气无法排除，虽然空气的密度较湿树脂和水都要小，但在此种条件下树脂的流动性极差，并且树脂浸泡溶胀后其间隙并不足以使空气溢出，反而会导致计量槽内的空气压缩，因此此种情况下，树脂沉降效果极为不理想，如图4所示。

树脂b中沉降方式作为a中沉降方式的对比验证，该种方式是在计量槽内充满水的情况下开启计量阀，此时树脂上方和下方水的作用力持平，树脂便会在自重的作用下沉降，沉降结果如图5所示。该种方式虽然沉降效果较好，但不具备工程实用性，仅能用作试验时的对比分析。

c、d沉降方式是为了进一步检验a种沉降方式的结果，其中c方式是在a方式的基础上增加进料槽内的搅拌，但这种搅拌方式无法破坏连通管内的树脂沉积层结构，因此树脂沉降效果仅比a方式略好，效果仍然比较差，如图6所示；d方式将搅拌棒插至计量槽内，这样可以完全破坏连通管内的树脂沉积层，此种沉降方式效果比较理想，沉降的树脂几乎可以充满计量槽，如图7所示。

e种沉降方式是在a方式的基础上将排气阀打开，这样可以将计量槽内的空气排出，接收槽内的树脂便可以靠重力的作用沉降，该方式沉降效果较为理想，如图8所示；f沉降方式是在a方式的基础上打开计量槽底部的压空阀，鼓入压缩空气，增大计量槽内部的气压，使其内部的空气冲破连通管内树脂层的密封作用，因此，树脂也可以沉降至计量槽内，如图9所示。

2）树脂下料试验结果分析

树脂a种下料方式是将计量槽的下料阀和排气阀打开，除了计量槽内表面附着了少量的树脂，计量好的大部分树脂会在其自重影响下顺利排除，总体来讲下料效果比较好，如图10所示。

树脂b种下料方式是将计量槽的下料阀和补水槽的补水阀打开，树脂下料的动力除了其自重外，还有补水槽内水流的冲击作用，该种方式不仅能实现树脂顺利下料，还能依靠水流的作用冲刷掉计量槽内表面附着的大多数树脂，其下料效果要比a方式好，如图11所示。

3 结论

1）总体来讲，料斗定量法计量废树脂是能够满足树脂计量要求的，计量数据比较准确，且几乎不受装置内树脂和水的数量及比例影响；

2）对比六种树脂沉降方式的验证试验，a方式与c方式效果较差，不宜采用；b方式与d方式都不具备工程实用性；e方式与f方式试验效果都比较好，且在实际工程都具有可操作性，相比较而言，e方式更适宜作为树脂沉降的实际应用方案，f方式增加了压空环节，操作略微复杂，但考虑该装置需要用压缩空气进行反吹，因此压空环节也不能取消，可作为树脂沉降的备用方案。

3）两种树脂下料导出方案都是可行的，且树脂的导出效果也都比较好，b方式效果更好一些；从工程实际来看，废树脂与蒸残液是混合固化处理的，树脂下料b方式所用的输送水可用蒸残液代替，实用性较好。

【参考文献】

[1]叶奇蓁，等.我国核电厂放射性废物管理进展及挑战[J].中国核电，2010，12（9）：194-199.

[2]马宝成，等.核电厂放射性固体废物处理[J].南华大学学报：自然科学版，2010，24（1）：17-20.

[3]中华人民共和国国家标准.轻水堆核电厂放射性固体废物处理系统技术规定[S].GB9134-1988.

[4]陈良，等.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，2009，4：113-116.

[5]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.

[6]孙益晖，孙琳.放射性废树脂界面测量装置.CN，CN2911661Y[P].2007.

[责任编辑：朱丽娜]