钴-60高放废液处理装置研制及应用.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.17 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯钴-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)摘要：某钴-60密封源生产线整改过程中，化学去污产生的钴-60高放废液采用沉淀过滤的方法进行处理。根据现场情况与处理方法要求，研制了一套系统简单、操作方便、稳定性高、可靠性好、易去污的钴-60高放废液处理装置，该装置设有沉淀反应系统、过滤系统、固液回收系统，具备废液发生沉淀反应、固液过滤分离、固液回收的功能。通过冷、热调试验证了处理装置的可行性、可靠性和稳定性，获取了钴-60高放废液处理工艺参数，并成功将钴-60高放废液处理至低放水平，达到后续配套设施处理要求。关键词：钴-60 高放废液 处理装置 研制应用中图分类号：T-19文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)17-0094-04Development and Application of the Cobalt-60 High-level Radioactive Liquid Waste Treatment DeviceHUANG Zucheng(R&D and Innovation Center,CNNC Sichuan Environmental Protection Engineering Co.,Ltd.,Guangyuan,Sichuan Province,628000 China)Abstract:In the rectification process of a cobalt-60 sealed source production line,cobalt-60 high-level radioactive liquid waste that was produced by chemical decontamination is treated by the method of precipitation filtration.Based on the on-site condition and the requirements of the treatment method,a set of cobalt-60 high-level radioactive liquid waste treatment device with the simple system,convenient operation,high stability,good reliability and easy decontamination has been developed.The device is equipped with the precipitation reaction system,filtration system and solid-liquid recovery system,and it has the functions of the precipitation reaction of liquid waste,solid-liquid filtration and separation and solid-liquid recovery.The feasibility,reliability and stability of the treatment device are verified by cold and hot commissioning,the process parameters of cobalt-60 high-level radioactive liquid waste treatment are gained,and the cobalt-60 high-level radioactive liquid waste is successfully treated to low radioactive level,so as to meet the treatment requirements of follow-up supporting facilities.Key Words:Cobalt-60;High-level radioactive liquid waste;Treatment device;Development and application 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1011 Bq/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。DOI：10.16661/ki.1672-3791.2302-5042-2925作者简介：黄祖程（1983），男，本科，高级工程师，研究方向为核设施退役治理。94SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.17 工 业 与 技 术科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION1 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35 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。3.1.1 反应槽热室只设有一个25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 m1 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 m0.35 m0.35 m，下半为0.35 m0.35 m0.2 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。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-2.0016.00，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=gh+p0（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102 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。图1 沉淀反应系统布局示意图图2 反应槽锥部剖面示意图95SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.17 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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00.6 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102 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102 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。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。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 m0.3 m0.1 m，在锥形中部设置了一个0.15 m0.15 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102 mm的不锈钢管连接。3.2.2 滤布沉淀物的粒径约1.5 m7，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 m0.4 m0.4 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3 真空过滤示意图表1 过滤方法对比分析表过滤方法重力离心加压真空过滤速度慢快快快结构简单复杂复杂较简单系统可靠性较高较低较低较高沉淀物收集较易难较难较易滤液收集易易易易操作较方便不方便不方便较方便去污容易困难困难容易成本低一般一般一般安全性一般低低较高96SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.17 工 业 与 技 术科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION4.1.2 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。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18 Gy/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4.5105 Bq，系统残余率约为610-8。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。参考文献1 核工业第二研究设计院.放射性废物分类标准:GB 9133-1995S.北京:中国标准出版社,1995.2 朱珠,沈恒冠.去除含钴废水中钴的方法:103848490P.2014-06-11.3 汪海风,杨辉,陈显群,等.纳米钴蓝共沉淀法制备技术J.材料科学与工程学报,2021,39(2):235-238.4 于超,姜晔,秦传记.一种精密 PH 计:112683951AP.2021-04-20.5 李再有.浅谈生产车间压缩空气系统的设计J.液压气动与密封,2020,40(3):48-54.6 朱永昌,戴长友,杨德博,等.吹气式液位计:114166282AP.2022-03-11.7 张云河,张燕辉,乐绪清,等.大粒径氢氧化钴及其制备方法:105329954BP.2017-09-19.8 陈华.一种高强度耐磨损不锈钢滤网:217015733UP.2022-07-22.9 林炳义.一种立式真空过滤机及真空过滤方法:115155140AP.2022-10-11.表2 二级滤布选择试验一览表滤布型号2 000目5 000目滤穿时间/min1518滤穿时处理废液量/L2.23.4相对真空度/MPa-0.052-0.064表3 一级滤布选择试验一览表一级过滤滤网型号100目200目300目二级过滤滤布型号5 000目5 000目5 000目是否滤穿是否否30 L模拟料液处理完所需时间/h未完成过滤6.67.2相对真空度/MPa-0.063-0.061-0.062分析不可行可行可行，但时间较长图4 沉淀过滤装置局部图97