桶内微波干燥处理技术研究_李绪平.pdf

第 3 期收稿日期:20220817作者简介:李绪平，高级工程师，主要从事放射性废液处理。桶内微波干燥处理技术研究李绪平，寇子琦，柴世全，刘建鹏，靳东奎，张玉华，靳小军(中核四 0 四有限公司第二分公司，甘肃 兰州732850)摘要:采用桶内微波干燥技术，对高盐分废水进行了干燥试验。经过蒸发和深度脱水两个阶段的验证，蒸发能力达到了 6 L/h，干燥产品中的含水率小于 1%，满足了国家标准，从而使该技术具有了工程应用意义。关键词:微波;干燥;高盐废水中图分类号:TQ028文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03017503Study on Microwave Drying Technology in BarrelLi Xuping，Kou Ziqi，Chai Shiquan，Liu Jianpeng，Jin Dongkui，Zhang Yuhua，Jin Xiaojun(The Second Branch of 404 Co，Ltd，Lanzhou732850，China)Abstract:The drying experiment of high salinity wastewater was carried out by using microwave drying technology in barrelThrough the verification of evaporation and deep dehydration，the evaporation capacity reaches 6 L/h，and the moisture content inthe dried product is less than 1%，which meets the national standard，so the technology has engineering application significanceKey words:microwave;drying;high concentration salt wastewater当前，核能的使用低碳、环保的重要产业，给人类社会带来较好的经济效益和社会效益，但同时也产生了一定的放射性废物。由于其危害持续时间长而被认为是最危险的环境污染物，因此安全、有效地处置放射性废物是影响核能可持续发展的关键因素，其中低放射性废水的最小化是主要的问题之一。常见的低放射性废水最小化的方法有蒸发浓缩、反渗透、连续电除盐等。这些方法都产生了一定的浓缩液，这些浓缩液常常具有盐分高、沉淀物多等特点，若采用常用的水泥固化技术处理，则存在两个主要缺点:其一是水泥固化技术为增容过程，并且产生大量的存储费用，不符合废物最小化的原则1;其二，由于浓缩液的成组分复杂，成分不固定，无法用一种固定的配方来处理，需要根据不同的源项，研发不同的配方。特别针对含有泥浆、高盐、高钙放射性废水时，水泥固化技术存在较大的问题，从而给生产运行带来了一定的困难，制约了放射性废水治理的发展。采用桶内干燥技术是近年来研究的重要方向之一，该技术通过对浓缩液进一步脱水、减容，使盐分析出成盐饼，并通过干燥，使其中的游离水含量满足了小于 1%的国家标准要求(低、中水平放射性固体废物近地表处置安全规定(GB 91322018)。与当前常用的桶内水泥固化技术相比较，其减容效果可以达到 10 倍以上，故该技术不仅可以解决当前放射性泥浆、高盐废水的处理等行业难点，而且可以大大减小废物存储、处置容积，对于我国核行业的“退役以及三废治理”产生的废物的最终处置、推进可持续发展具有重要意义。常见的桶内微波干燥技术有热风干燥、电加热干燥、微波干燥等，其中热风干燥的生产规模较高，但是耗能较高。电加热干燥虽然可以干燥，但是时间太长。这两种干燥方式都有一个共同的缺点，就是盐饼内部存在“溏心”现象，含水率不易达到要求。相比较而言，微波干燥不同于传统干燥方式，由于微波能透入物料内部对物料进行加热，与传统干燥方式相比，微波干燥具有干燥速度快、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产和易于实现自动化控制等优点，因而在放射性废液的处理领域越来越受到重视。目前，微波桶内干燥技术已在德、美等国的核电站、后处理厂完成了试验并建立处理设施。德国 Kraftanlogen，Heidelberg公司2、德国 Linn High Therm 公司3、美国 ocky Flats4、美国能源部5 和美国的 Oak 国家实验室6 均研究和开发了微波桶内干燥技术。在国内，中国辐射防护院也开展了广泛的研究79，取得了一定的成果，但是含水率约为 25%175%(质量分数)，低于 1%国家标准10。针对目前国内外桶内干燥技术含水率不足的缺点，提出来一种针对 200L 标准桶(EJ 10422014 低、中水平放射性固体废物容器钢桶 中 LIDb 型不锈钢桶)的桶内微波干燥技术，利用微波对废水可以有效作用的原理，对浓缩液或高盐废水中的水分进行加热，实现了废液的脱水。同时利用辅助电加热，加快桶底部盐层中水分扩散至表层，从而实现盐饼中残留水分的深度脱水，干燥指标远远低于了含水率小于 1%的国家标准。1基本工艺原理11干燥过程如图 1 所示，桶内微波干燥分为两个阶段，分别为蒸发阶段和深度干燥阶段。图 1桶内微波干燥基本过程(1)蒸发阶段:待处理的浓缩液(或高盐废水)经计量后进入废物桶，经微波加热后，开始表面蒸发。随着蒸发的逐渐进行，废液中盐分的浓度逐渐增加，超过溶解度之后，盐分逐渐沉积，并逐渐增高。待达到指定高度后，形成一定高度的盐饼，蒸发阶段完成。(2)深度干燥阶段:降低微波功率，启动底部的辅助电加热器。随着底部温度的逐渐增高，底部的水分逐渐向桶上部扩散，同时降低微波的功率，并辅助以电加热，对盐饼内的残余水571李绪平，等:桶内微波干燥处理技术研究DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.055山东化工分进行多次气化。使盐饼中的游离水含量小于 1%，从而满足了国家标准要求，从而实现盐饼的深度干燥。12工艺流程如图 2 所示，待处理的浓缩液(高盐分废液)暂存于供料槽，搅拌后在供料泵的作用下，进入干燥箱内的废物桶，在微波的作用下，首先经过蒸发阶段，使废液中盐分析后沉积于桶底形成盐饼;待盐饼的高度逐渐增高(观测液位不再下降，且有上升趋势)，停止供料，启动电加热，使桶底部的水分扩散至上部，利用微波的穿透性能，对上部的水分进行气化。经过多次的脱水处理，盐饼内的残余水分逐渐减小，待连续 3 次观察到湿度的显示结果小于 10%时，深度干燥阶段结束。图 2工艺流程框图蒸发和干燥过程中产生的尾气经过冷凝冷却器，将水蒸气进行冷却，并经过汽液分离器进行汽液分离，产生的气体进入尾气排入尾气处理系统，液体排入冷凝液收集槽，若满足排放限值，则排入生产下水系统，若不满足，则排入专用低放废液处理系统处理。13主要设备及功能(1)供料槽，用于收集和处理浓缩液(高盐分废液)，带有搅拌浆，对沉淀物或废液中的泥浆进行搅拌。(2)供料泵，用于将废液泵入废物桶。(3)干燥箱，用于放置废物桶，并用屏蔽材料进行屏蔽射性。(4)微波源，提供微波能，15 kW。(5)冷凝冷却器，对二次蒸汽进行冷凝冷却，用生产水进行冷却。(6)气液分离器，对冷凝液和不凝性气体进行分离。(7)冷凝液收集槽，收集冷凝液。(8)排风机，对不凝性气体进行抽吸，并排放至尾气处理系统。(9)辅助电加热，使盐饼中的残留水分扩散至中、上部。2试验方法21模拟料液的配制本次试验采用硝酸钠、硫酸钠、氯化钠为主的混合盐，其中硝酸钠的含量约 70%、硫酸钠的含量约 20%、氯化钠的含量约10%。总质量浓度约为 300 g/L 各种盐的具体加入量如表1 所示。表 1模拟料液配制序号组分含量说明1硝酸钠/kg21032硫酸钠/kg6053氯化钠/kg3054生产水/L1 0006盐浓度:278 g/L将各种盐溶解后，溶液的体积为 1 086 L，体积增长了约86%。22试验过程(1)首先准备好 200 L 标准桶，放置在辊道上，启动进桶操作，将桶放置到指定位置;(2)启动搅拌泵，通过连续进料的方式，在供料泵的作用下，将配制好的模拟料液倒入废物桶，并达到特定高度;(3)启动微波源，在该特定高度上。通过在线摄像头，观察桶内壁，以冷凝液滴消失为标准，逐步增加功率，直至液面出现沸腾;(4)当液面下降一定高度后(约 10 mm)，再批次补充加入一定量的废液，直至桶内废液的浓度逐渐增加，待盐析出后逐渐沉积为盐饼;(5)当盐饼高度沉积一定高度，且表面大面积出现盐沉积现象，则蒸发阶段结束;(6)降低微波功率至 3 kW，间歇对盐饼进行深度干燥，待桶内湿度多次降低至 10%以下时，完成深度干燥。3试验结果及讨论31蒸发能力的验证通过两种方式，对蒸发能力进行了验证。待功率加载至9 kW时，液体表面开始沸腾，如图 3 所示。图 3微波作用下料液的沸腾对单位时间内计量槽的供料次数进行了统计，其中计量槽经过标定后的容积为 213 L，平均每小时的加料量约 3 次。另外，根据一定时间内，供料槽的液位的供料量进行了统计，在扣除了检修时间的情况下，10 h 内的处理量为 6115 L，平均每小时的处理量约为61 L。因此，在微波功率达到9 kW 的情况下，该系统在蒸发阶段的废液处理能力达到了 6 L/h。32干燥终点的判断如图 4 所示，不考虑检修时间，整个处理过程共分为两个阶段，第一个阶段为蒸发阶段，主要特点是湿度大于了 100%;第二个阶段为深度干燥阶段，主要特点是间歇式蒸发，最终湿度下降至 10%以下，即完成了深度干燥。671SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷第 3 期图 4湿度运行趋势图33干燥产品形状及效果完成深度干燥后，对盐饼进行自然冷却，约 36 h，将盐饼倒出，盐饼的形状如图 5 所示。图 5干燥产品(盐饼)的形状由图 5 可以看出，干燥产品表面及整体结构致密，有明显收缩痕迹。无明显水分，干燥效果良好。减容后的体积的高度约 600 mm，直径 560 mm，经过计算，体积约为 148 L，减容比为 73 倍。需要说明的是，料液的密度不同，减容比也不同。盐分越小，减容比越高。34含水率的验证分别对产品用冲击钻进行打孔取样，取样位置分别为上(距离顶部 150 mm)、中(距离顶部 350 mm)、下(距离顶部550 mm)三个位置，距离外表面的位置分别为 10，100，230 mm(中心轴)。取样量20 g，取样过程如图 6 所示。图 6取样过程完成取样后，用烘箱对样品烘烤 2 h(温度 105)，对烘烤前后的重量进行测量，依据式(1)测算干基含水率。=w1 w2w2100%(1)式中:含水率，%;w1 样品烘干之前的质量，g;w2 样品烘干之后的质量，g。结果如表 2 所示。表 2干燥产品含水率序号含水率/%备注100562004630058400495005260051表 2(续)序号含水率/%备注70053800590052100056110052120054130054140053150049160057170055180053190054210058平均0053标准偏差0003由表 2 可以看出，通过本次试验，干燥产品的含水率为0053%，远小于 1%的国家标准，表明该技术具备了工程应用意义。4小结通过桶内微波干燥试验，实现了将高浓度盐分废水的处理。通过对微波蒸发，使盐分沉淀析出，蒸发能力达到了 6 L/h，并通过深度脱水。对于含盐量为 278 g/L 的高盐废液，其浓缩倍数达到 73 倍。产品盐中的含水率(游离水含量)达到了0053%，远小于 1%的国家标准，具备了工程应用的意义。参考文献 1 陈良陈莉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):113116 2 GENTHE H，BEST A，LINS WSolidification of low level saltsolutions with microwavesJ/OL Materials Science，19882022 06 25 https:/www semanticscholar org/paper/SolidificationoflowlevelsaltsolutionswithGenthnerBest/dd0797f0b5cb77434cf1c66f044c879f52fd7a3b 3 WETTEBON K，GUTMANN A，LINN HAppratus for concentrating salt containing solution with microwave energy:US06080977 P 20000627 4GIESSMANN CMicrowave in drum dryingJ adwasteSolutions，2007，14(1):2124 5DIXON D，ELE，ESCHEN V Microwave solidificationdevelopment for rocky flats waste EG G ockyFlats，Inc，1994 6PETESEN D Microwave waste processing technologyoverview EG and G ocky Flats，Inc，1993 7 贾梅兰，梁栋，程伟，等放射性废物桶内干燥整备研究进展 J 装备环境工程，2012，9(5):5661 8 贾梅兰，高超，党在清，等微波桶内干燥装置结构初步模拟分析 J 环境科学与技术，2015，38(增刊 1):499502+513 9 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