钴-60高放废液处理装置研制及应用

黄祖程

(中核四川环保工程有限责任公司创新研发中心 四川广元 628000)

某钴-60 密封源生产线整改过程中，采用化学去污方法在热室内对不锈钢包壳、锆靶件、机械手等可酸洗的废物进行清洗去污，产生去污液表面剂量率高于1 Gy/h，经计算废液放射性浓度大于1011Bq/L，按照放射性废物分类标准[1]，该废液属于高放废液。通过对废液处理方法分析及评价[2]，最终选定沉淀过滤的方法进行废液处理，使废液中的绝大部分钴-60 离子与添加剂反应形成沉淀[3]，同时加入钴-59 作为载带体，进一步提高废液的净化效率，降低废液中钴-60 离子的含量，使处理后的废液达到低放水平。然后通过过滤实现固液分离，分离后的液体为低放废液达到配套处理设施的要求。为了安全可控地进行钴-60高放废液处理，根据现场情况与工艺要求，进行了钴-60高放废液的处理装置的研制与现场应用。

1 处理装置基本功能及要求

根据钴-60 高放废液沉淀过滤工艺要求，处理装置应设有沉淀反应系统、过滤系统、固液回收系统等，具备废液发生沉淀反应、固液过滤分离、固液回收的功能。

针对处理的钴-60 高放废液具有强辐射性，处理装置应满足结构简单、操作方便、稳定性高、可靠性好、易去污等要求。

2 处理装置的主要技术指标

每批次清洗产生钴-60 高放废液约30 L，为了确保现场废物清洗产生的废液能够及时、顺利地处理，满足下个批次废物清洗的需要，以及处理装置的去污、拆除的需要，处理装置应满足每个清洗批次废液的接收和处理；处理能力达到3～5 L/h；经清洗去污后，系统残余放射性低于百万分之一。

3 处理装置研制

处理装置主要包括沉淀反应系统和过滤系统，其中固体回收系统主要通过操作机械手实现过滤物的收集及装容，因此主要对沉淀反应系统和过滤系统进行了以下研究。

3.1 沉淀反应系统研究

根据沉淀工艺的要求，沉淀反应系统主要包括反应槽、加料槽、pH 计、液位计，各设备、部件布置如图1所示。主要设备、部件要求如下。

图1 沉淀反应系统布局示意图

3.1.1 反应槽

热室只设有一个Φ25的预留孔，与反应槽、过滤槽相接的管道、线缆均需通过该孔道敷设，为尽量减少热室内管道、线缆的长度，反应槽的位置应与预留孔相近。与预留孔相近的热室台面尺寸为1.2 m×1 m，预留孔为该台面的中心位置，距台面高0.3 m，同时考虑机械手操作的能力（离机械手安装侧墙体0.3 m），确定了反应槽的尺寸：上半部尺寸为0.35 m×0.35 m×0.35 m，下半为0.35 m×0.35 m×0.2 m锥形体，由4根高均为0.6 m的不锈钢角钢做支撑。

为了使钴-60高放废液与添加液反应生成的沉淀能够顺利、彻底地排出，反应槽底部设计为锥形，混合液从锥形底部排出，排出部位布局剖面如图2所示，锥度大于钴-60沉淀物的“安息角”45°。

图2 反应槽锥部剖面示意图

3.1.2 pH计

钴属于两性元素，过酸、过碱环境均能生成钴离子，同时根据沉淀工艺要求，“先加入适量溶度的NaOH 溶液，调节废液pH 值到适当的数值，然后加入适量的钴-60 沉淀物反应剂，使绝大部分钴-60 离子形成沉淀”。因此沉淀反应系统必须设置pH 值监测系统，可实时对废液的pH 值进行测量。根据pH 计[4]的调研情况，选用的pH 计测量范围为-2.00～16.00，精度为±0.01 pH，可远程液晶显示。

3.1.3 搅拌

为了使钴-60 离子与沉淀物反应剂充分反应，需设置搅拌装置，同时考虑检修方便和二次废物量小，选用了压空吹气搅拌，压空吹气位置如图2 所示。为减少废液往压空管道串流，根据液体压强公式：p=ρgh+p0（ρ为液体密度取1.08 g/mL；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为液面高度，取0.55 m；p0为热室气压，为101.125 kPa），经计算压空吹气的最小压力应大于106.946 kPa，为了确保搅拌效果，压空吹气压力应可调节。经市场调研选用了压力为0.7 MPa，排气量为120 L/min，储气罐容量为50 L 的空压机为搅拌提供气源，并建立了压空系统[5]。

搅拌吹气管道采用Φ10×2 mm的不锈钢管道，为了防止废液从吹气管道串流出热室，管道在热室内按“几”字型安装，最高点高于反应槽顶部。

3.1.4 液位计

根据沉淀工艺要求，须通过液位计测量液位，计算废液体积，并根据pH 值，最终计算出废液中的氢离子（H+）总量，方可计算添加沉淀剂溶液的量。同时考虑检修方便、二次废物量小以及耐强辐射的要求，选用了吹气式液位计[6]。经市场调研选用的吹气液位计量程为0～0.6 m，精度为±1 mm，可实时远程液晶显示。吹气式液位计的气源由上述的空压机提供。

吹气管道采用Φ10×2 mm的不锈钢管道，为了防止废液从吹气管道串流出热室，管道在热室内按“几”字型安装，最高点高于反应槽顶部。

3.1.5 尾气处理系统

反应槽整个装置位于热室内，反应槽运行产生的尾气通过Φ10×2 mm的不锈钢管道排入热室排风口。

3.2 过滤系统研究

过滤收集的沉淀物具有强放射性、高污染性等特点，对过滤系统要求：结构简单、可远距离操作、有效收集沉淀物、系统可靠性好、易去污、产生的二次污染物少等，针对目前固液过滤主要采用重力、离心、加压、真空过滤，通过不同的过滤方式在过滤速度、成本、沉淀物收集、滤液收集、结构、操作性、安全性等方面的对比分析如见表1 所示。经过对比分析，真空过滤具有过滤速度快，结构较简单，沉淀物收集较易，运行过程管道、阀门难以漏液安全性高等特点，因此选择了真空过滤对强辐射混合液进行过滤。

表1 过滤方法对比分析表

真空过滤系统主要包括过滤槽、滤布、真空泵、滤液收集箱、管道、阀门等组成，各设备、部件布置如图3所示。主要设备、部件要求如下。

图3 真空过滤示意图

3.2.1 过滤槽

由于沉淀物具有强放射性，因此过滤槽选用结构简单的倒锥形设计，便于滤布的放置及收集；同时为了加快过滤速度及确保过滤效果，拟用两级过滤，因此在过滤槽内设置了栅板平台，用于安装一级过滤滤网袋。

过滤槽采用不锈钢板制成倒锥形，尺寸为0.3 m×0.3 m×0.1 m，在锥形中部设置了一个0.15 m×0.15 m的不锈钢栅板平台，并用4根高均为0.3 m的不锈钢角钢做支撑。锥形底部与Φ10×2 mm的不锈钢管连接。

3.2.2 滤布

沉淀物的粒径约1.5 μm[7]，且混合液为强碱性，因此，为了加快过滤速度及确保过滤效果，拟用两级过滤，其中一级过滤拟用100 目、200 目、300 目的不锈钢滤网[8]进行过滤，二级过滤拟用2 000 目、5 000 目耐酸碱滤布进行二次过滤，最终通过冷调试确定一、二滤网和滤布的参数。

3.2.3 滤液收集箱

滤液收集箱应容量须大于每个批次滤液收集量，采用不锈钢板加工制作了尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m滤液收集箱，并采用4 根高为0.2 的不锈钢角钢做支撑；箱体一侧设置了玻璃管液位计，判断箱体内收集的滤液量；箱体底部设置取样、排放阀门。

3.2.4 真空泵

经过调研选用了双真空室过滤机[9]，抽气速率为4 L/s，极限真空为0.06 Pa。

4 处理装置现场应用

4.1 处理装置安装及调试

4.1.1 装置加工及安装

根据现场热室布局的情况，以及机械手夹持能力和操作范围，现场加工制作了不锈钢废液反应槽、加料槽、过滤槽、滤液收集箱，并和管道、阀门、真空泵、pH计、空压机等进行了组装，组装完成的装置见图4。

图4 沉淀过滤装置局部图

4.1.2 处理装置冷调试

处理装置冷调试主要包括pH 计、液位计标定工作，其中pH 计标定参考智能pH 计测量原理及稳定性试验[5]开展标定试验；系统水试运行获取搅拌系统压空压力参数，验证系统的稳定性与可操作性；模拟料液沉淀、过滤冷调试确定了沉淀物真空过滤滤布以及过滤级次。关键点为滤布和过滤级次的确定，其中通过二级滤布选择试验结果如表2 所示，可知采用单级过滤时，当滤物积累到一定量时，过滤速度下降，当提高真空度时2 000 目和5 000 目滤布滤穿，因此单级过滤无法满足需求，需增加过滤级数；用5 000 目滤布过滤时间稍微长些，但处理的废液量多，且更耐负压，因此采用5 000 目滤布进行二级过滤。通过一级滤布选择试验结果如表3所示，可知采用两级过滤，可实现混合液的过滤，一级过滤采用200目不锈钢滤网过滤，二级过滤采用5 000目滤布过滤效果最好。

表2 二级滤布选择试验一览表

表3 一级滤布选择试验一览表

4.2 处理装置热运行

现场进行了3个批次钴-60高放废液处理，共处理废液约100 L，废液总活度约200 Ci，历时约28 h。处理后的滤液经取样分析达到低放水平，系统去污后残余的放射性极少，反应槽的表面剂量率达到1～8 μGy/h,取反应槽内表面样分析，并估算处理装置残余放射性总活度约4.5×105Bq，系统残余率约为6×10-8。

5 结语

通过钴-60高放废液处理装置的研制、调试，成功接收、处理了3 个批次清洗废液，将钴-60 高放废液处理至低放水平，处理装置的处理能力和系统放射性水平残余率达到了预期目标。受现场布局的影响，此次处理装置未考虑过滤收集的湿废物烘烤研究，现场采用烤灯进行烘烤，建议进行过滤、烘干一体机的研究。