摘 要 某三代核电站厂址废物处理设施首次从德国引进了一种锥型干燥装置，用于对核岛产生的放射性废树脂干燥减容处理。为了开展锥型干燥装置的国产化研究工作，自行设计了一套小型锥型干燥装置，并对含水率约为55%的非放射性树脂（含一定比例的活性炭）进行真空干燥试验。结果表明：树脂减容效果明显，减容比达到2.63，初步验证了锥型干燥装置对废树脂减容处理的可行性。
关键词 废树脂；锥型干燥装置；真空干燥；减容
中图分类号 TM6 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）167-0220-03
一台百万级核电机组每年将产生约10m3的放射性废树脂。如何实现对放射性废树脂减容处理，减小废物最终处置压力，是当前核电站放射性废树脂处理工艺研究的热点[ 1 ]。常见的废树脂减容处理工艺有湿法氧化法、蒸汽重整法、焚烧法、桶内干燥法等。我国某三代核电站的厂址废物处理设施首次从德国引进了热态超压工艺处理核岛产生的放射性废树脂（可能混有少量废活性炭），通过干燥和超压两道关键工序实现废树脂的减容处理[ 2 ]。在该工艺中，锥型干燥装置是关键设备之一，是通过真空干燥技术对含水率约为50%～60%的湿树脂在低温、真空状态下进行干燥，除去树脂中的游离水和大部分结合水，具有受热均匀、干燥速率快、传热效率高的特点。目前，真空干燥技术及锥型干燥装置在国内已广泛应用于制药、化工行业[3-5]，但废树脂的真空干燥试验尚无具体研究。本文基于设备国产化的需求，结合三代核电厂放射性废树脂的特点，自行设计了一套小型锥型干燥装置，并对非放射性湿树脂（含一定比例的活性炭）进行初步的真空干燥试验，为今后开展放射性废树脂锥型干燥装置国产化研究提供参考。
1 小型锥型干燥装置设计
1.1 锥型干燥器的设计
作为小型锥型干燥装置的主体设备，锥型干燥器由锥型容器、过滤器、混合搅拌器和卸料球阀组成，其结构示意图示于图1。锥型容器通过热油加热，外壁包裹一定厚度的保温层。为便于卸料，锥型容器锥体的锥度设计为38°。锥体的热油通道和保温层采用双夹套结构，内锥体与隔板之间设有螺旋导流板，导流板焊接在内锥外壁上，对夹套内的热油起到导流作用，提高传热效率。锥型容器顶盖的热油通道和保温层采用盘管夹套结构，盘管内通热油，盘管外为保温层，对顶盖进行保温，防止水分蒸发之后再次凝结。混合搅拌器的搅拌叶片采用双螺旋结构[4]。混合搅拌器的转速可调节。锥型容器内的压力和物料温度可监控。顶盖上设有带灯视镜，便于观察。锥型干燥器的有效容积为80L，约为工程机有效容积的1/5。考虑到耐腐蚀性、强度、韧性和去污要求，锥型容器、过滤器、搅拌叶片、卸料球阀和接管等材料均采用316L不锈钢。
1.2 试验台架设计
树脂真空干燥小试试验工艺流程示于图2。为了简化工艺流程及试验台架，锥型干燥器仅与真空泵和热油机组相连接，未设置物料计量系统、蒸汽冷凝系统、除水系统等辅助系统。非放射性湿树脂和活性炭经称重后通过锥型干燥器顶盖的加料口直接送入容器内。干燥过程产生的蒸汽经过滤后直接排到室外。真空泵向锥型干燥器提供最低50mbar的真空度。热油机组提供温度不高于300℃的热油。真空度和热油温度均可调节。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
树脂采用非放射性聚苯乙烯磺酸盐阳树脂，粒径为300μm～1？200μm，初始含水率为55%。活性炭采用非放射性椰壳基活性炭，初始含水率低于3%。
试验过程使用到XQ201型电子水分测定仪（上海良平仪器仪表有限公司）、磅秤和量筒等。
2.2 试验方法
1）往锥型干燥器先后加入35kg树脂和5kg活性炭（注：三代核电站核岛产生的放射性废树脂可能混有少量活性炭，试验时树脂和活性炭的混合比按7：1考虑）。启动混合搅拌器，观察并记录不同转速下（20r/ min，30r/min，45r/min，60r/min）容器内树脂和活性炭的混合效果。
2）启动真空泵，使锥型干燥器内真空度保持在60mbar～300mbar范围内。混合搅拌器保持在最佳转速。先将热油温度设置在80℃对锥型干燥器加热，观察热油压力和夹套进出口热油温度，待热油压力、油温达到稳定状态后，逐步提高油温至120℃；观察物料温度计，当物料温度在10min时间内不再上升，继续提高油温至160℃，观察物料温度计，当物料温度达到120℃时，停止热油加热，干燥过程结束。记录干燥过程容器内温度、压力和干燥时间等试验数据。干燥结束后，采用电子水分测定仪测定干燥产物的含水率。
3 结果与分析
3.1 物料混合效果
分别以20r/min，30r/min，45r/min，60r/min四个转速启动混合搅拌器，搅拌时间为30min，观察树脂与活性炭混合搅拌效果，以达到树脂与活性炭充分混合为最佳转速。经观察分析发现，若搅拌速度过慢，则树脂与活性炭不能充分混合，搅拌效率低；若搅拌速度过快，则离心力过大，物料之间易分层，不能产生位移交换，导致加热效率降低。最终确定最佳的转速为30r/ min，此转速下的物料混合效果最好。
混合搅拌器的搅拌叶片设计为双螺旋结构，相比于单螺旋结构，能使搅拌器受力更加均匀，物料混合更为充分。在树脂真空干燥过程中，搅拌叶片带动树脂沿着锥型干燥器内壁旋转并自下而上提升，物料到达最高点后依靠重力和惯性作用，自动流向旋涡中心并回流到锥型干燥器底部。在此过程中，物料在锥型干燥器内被强制扩散、对流和掺混，作全方位的不规则往复运动，从而完成物料与容器内壁表面高频率的传热交换。
3.2 真空干燥效果
图3是锥型干燥器内夹套进口热油温度（以下简称夹套温度）、干燥器内气相温度（以下简称气相温度）和物料温度随加热时间的变化曲线。从图3可以看出，三条温度曲线变化趋势一致，夹套温度、气相温度和物料温度由大到小依次排序。从物料温度变化曲线可以看出，树脂和活性炭的真空干燥过程经历了预热加热、恒速干燥和降速干燥三个阶段[2，6]。通过热油加热约50min后，干燥器内物料即进入恒速干燥阶段，此时物料温度稳定在约53℃。由于在真空负压条件下运行，物料中的游离水在很短时间内就能完全蒸发，干燥过程随即转入降速干燥阶段，开始蒸发物料中的结合水。在加热150min后进入降速干燥阶段，此时物料温度快速上升，表明物料中结合水的含量在快速下降。在加热240min后，物料温度加速上升，逐渐趋近于气相温度和夹套热油，表明物料中结合水的含量已经显著下降。在加热300min后，物料温度超过120℃，此时干燥效率很低，如果继续对干燥器加热，物料的水分含量应几乎无变化。
图4是锥型干燥器内压力随加热时间的变化曲线。从图4可以看出，干燥过程中干燥器内的压力始终保持在60mbar～300mbar区间内，变化趋势与物料温度的变化趋势基本一致。在加热开始阶段，由于锥型干燥器内持续抽真空，而物料水分蒸发较少，因此干燥器内的压力先下降，然后随着水分蒸发速率的增大而不断上升。在恒速干燥阶段，物料中的游离水均速蒸发，干燥器内的压力基本不变，维持在140mbar。进入降速干燥阶段后，物料中的游离水几乎蒸发殆尽，开始蒸发物料中的结合水，此时干燥器内的压力下降明显，至干燥结束时维持在约100mbar。
物料的恒速干燥过程可通过Antoine蒸汽压方程来表示[7]：
式中P为蒸汽压力（mbar），T为蒸汽温度（ C°），A、B、C为水蒸气相关常数。结合水蒸气相关常数的数据值，可得到饱和蒸汽压与饱和蒸汽压下温度值的对应关系如图5所示。从图5可以看出，蒸汽压140mbar对应的温度约为51℃，与干燥试验恒速阶段的物料温度基本一致。
干燥结束后，对从锥型干燥器卸出的干燥产物进行取样，并通过电子水分测定仪测得物料含水率约为3.75%（wt），表明游离水和结合水已基本除去，满足GB？ 12711-1991中游离水含量须小于固体废物重量的1%的放射性废物处置要求。从外观来看，干燥树脂仍保持为球状，但粒径缩小至干燥前的约70%，表明物料中的游离水和结合水已基本除去。
3.3 干燥产物减容效果
干燥前，树脂和活性炭的体积分别为42L和10L。由于树脂与活性炭充分混合后的体积会有一定损耗，干燥前物料总体积约为50L。干燥后物料体积约为26L，即减容至之前的52%。由于椰壳基活性炭的含水率低于3%，干燥后活性炭的体积几乎无变化，则干燥树脂的体积约为：
3 结论
1）真空干燥技术可实现对树脂有效减容处理。干燥产物含水率约为3.75%（wt），能满足废物处置要求。
2）锥型干燥器试验机采用双螺旋结构的搅拌叶片，能使树脂和活性炭充分混合均匀，满足物料与干燥器内壁进行高频率传热交换的要求。
3）干燥器内的物料温度和压力是树脂真空干燥工艺的2个重要技术指标，用于监控干燥工艺过程和判断干燥终点。
参考文献
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[2]周焱，张海峰.核电站低中放废树脂热态超压处理技术应用探讨[J].原子能科学技术，2012，46（Suppl）：142-146.
[3]孙盛敏，付常余，杨文意，等.立式锥形螺旋干燥器：中国专利，CN203375808[P].2014-01.
[4]陈永健，许琴，钱煜恺，张拥军.一种具有双螺旋搅拌器的单锥干燥器：中国专利，CN 201876086[P].2011-06.
[5]马锡林.一种高效多用途单锥干燥器：中国专利，CN 201417061[P].2010-03.
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