放射性环境下的有机废液提取分离装置研制及工程应用

赵玲君，陈继钊

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

放射性环境下的有机废液提取分离装置研制及工程应用

赵玲君，陈继钊

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

从放射性有机废液的特点和工程处理的相关要求，分析了影响有机废液提取分离的关键因素。结合现场实际，通过技术调研，研制了有机废液提取分离装置，经冷热试验和工程应用，采用该装置提取分离有机废液是安全有效的，可为工程实施提供技术支持。

放射性环境；有机废液；提取分离装置

某核燃料后处理厂生产期间产生了大量的中放废液和有机废液（TBP/OK），由于历史原因有机废液与中低放废液混合贮存在地下贮罐中。两种废液各自有明确的后续处理技术路线，中低放废液采用水泥固化技术处理，有机废液采用热解焚烧技术处理[1-2]。目前，中低放废液提取输送的工程装置已经建成。如何将与中低放废液混合贮存的有机废液有效分离并尽可能多地提取出来是有机废液处理处置需要解决的前提条件。因此，结合有机废液的特点和有机相热解焚烧的供料要求，研制一种结构简单、高效稳定、安全可靠且与工艺配套的适用于放射性环境下的油水提取分离装置（以下简称分离装置），对于有机废液后续处理具有重要的意义。

1 分离装置技术要求

鉴于贮罐内混存废液具有放射性、易燃爆、进入贮罐通道的结构尺寸小以及需到达的油水分离效果（达95%）等因素，分离装置研制时主要考虑以下几点技术要求：

1) 对油水界面准确定位；

2) 分离尽量采用物理分离，不在罐内引入其他物质和额外动力，避免可能导致的燃爆；

3) 结构应简单、安装方便、维护简单；

4) 不会产生明显的涡流或扰动，可以较平稳地吸入有机相，避免对罐内贮存的放射性物质产生扰动；

5) 受安装条件限制，装置进入罐内最大直径≤500 mm；

6) 具备过滤、自排、放空功能；

7) 提取完有机相后残余有机相高度不大于2 cm。

2 技术调研及分析

根据分离装置的技术要求，对国内现有油水分离提取技术进行了调研，目前国内未见用于放射性环境下有机废液与中放废液分离提取的相关报道。但在石油工业和食品行业有溢油回收设备，这些溢油回收设备的结构及形式多样，但都是利用密度差原理，使浮球浮于油面中，将油水一起抽入容器后再进行分离。这种方式不适合放射性厂房大体积油水分离，也无法得知残余有机相厚度。根据调研结果，对分离装置进行分析设计，确定装置的原理结构，并进行验证试验，改进装置结构，最终完成装置定型。

3 分离装置的研制及结构

为了达到油水分离提取目标及效果[3]，将整套装置分为油水界面定位设备、吸入提取设备、残余有机相探测设备三部分考虑。通过界面定位设备将有机相吸入提取设备安装在界面处，以便尽可能多地吸入有机相并转移出贮罐，最后利用残余有机相探测设备测量剩余有机相厚度，可以计算出提取率。

3.1 界面定位设备

界面定位设备需要选择合适的界面计，为项目实施提供可靠的技术支持，经过对市场上界面计的原理、现场适应性、精度等进行调研，选用磁致伸缩液位计对有机相与水相进行界面测量。该类型液位计可同时测量产品的液位、界面。既可以作液位计使用，又可以作界面计使用，精度高，特别适合易燃易爆液体的测量，并且可以离线标定。根据罐内的两种介质的实际密度确定磁致伸缩式液位计浮子的密度，密度介于上下两种介质的密度之间。

3.2 有机相吸入提取设备

有机相吸入提取设备是整套装置的关键设备，利用两介质密度不同，不互溶的物理特性，采用重力分离的方式实现有机相与水相的隔离。采用结构分解的方法进行吸入提取设备的原型设计，工作分解结构见图1。

图1 吸入提取设备研制的工作分解结构Fig.1 The breakdown for the development of the suction extraction equipment

（1）吸入机构

由于两介质存在分界面，因此在确定界面的情况下，可以直接对有机相和水相进行隔离。过滤部件主要是对介质中的较大颗粒物、污物等进行粗过滤，防止堵塞泵的吸入口，考虑使用平面网状结构。

（2）过流机构及供料机构

过流机构为有机相从吸入机构中流向供料机构的通道，由于吸入提取设备不要求自身提供动力对介质进行提升，为方便供料机构与提取泵的对接，过流机构与供料机构考虑圆形结构。在有机相液位较低时，流体表面易形成漩涡，导致气体进入提取泵内造成“气蚀”。因此，设计时考虑装置内增设扰流板状。

（3）排空机构

排空机构主要实现吸入提取设备内残存有机相或废液的排出，为便于维修，考虑利用重力自排原理进行排空结构的设计。由于有机相与水相存在密度差，因此排空结构考虑采用浮子阀的形式。

（4）清洗机构

清洗机构主要是在对吸入提取设备进行检修时，使用水或其他清洗剂完成吸入提取设备的清洗。对于吸入提取设备而言，外表面可以直接冲洗，因此主要考虑内表面的清洗。为覆盖吸入提取设备内部大部分面积，清洗结构考虑环形清洗结构。综上所述，对吸入提取设备原型设计见图2。

图2 吸入提取设备原型设计示意图Fig.2 The design schematic of the suction extraction equipment

完成吸入提取设备的原型设计后，需要对吸入提取设备的过流能力、浮子阀密封与排空效果、与选定的液下泵进行总成性能验证试验，最后对设备定型。

3.2.1 性能试验

（1）过流能力试验

试验目的：根据吸入提取设备直径、排放口径与液位关系观测漩涡产生状况，在要求的尺寸范围内通过试验确定设备水力学结构尺寸。

试验原理及过程：在装置内装入水，观测介质流出状况。根据漩涡产生状况增设扰流板重复进行试验，试验确定了扰流板的尺寸，见图3。

图3 吸入提取设备过流能力试验原理图Fig.3 The schematic of the overflow capacity test for the suction extraction equipment

（2）浮子阀性能试验

浮子阀密封结构形式主要有硬密封和软密封两种，主要测试其单位时间内的泄漏量（即泄漏率），从而确定采取哪种密封形式。试验原理见图4。

图4 浮子阀性能试验原理图Fig.4 The schematic of float-controlled valve performance test

1）密封试验：将吸入提取设备及其底部浮子阀缓慢放置于储水容器中，使设备底部恰好没入水中，浮子阀浮球依靠浮力慢慢升起，最终完全将排放通道关闭；再用针管将设备内部液体全部清除，并开始计时；1小时后用带刻度的针管将设备内部的液体抽出，读取数据并记录。由此，可测算出浮子阀的泄漏率，并由此推算提取输送系统单位时间内的有效输送率。

2）排空试验：将吸入提取设备内灌满液体，且浮子阀处于关闭状态，缓慢提起，浮子阀依靠重力作用开启排空通道，使内部液体排出；试验重点在于测试浮子阀启闭的灵活性，及能否排空设备内部液体。

（3）提取泵总成性能试验

总成性能试验介质分别为水、水+煤油的总成试验，检验吸入提取设备与泵连接后的总体性能能否满足要求。煤油密度0.83 g/cm3；黏度0.7 mPa·s。试验时将煤油倒入容器内，保持煤油高度的稳定，同时将吸入提取设备至于界面上20 mm。启动泵，调节泵出口阀门，在泵的额定流量范围，改变泵输出流量，测量提取后残留的煤油高度。

3.2.2 试验结果

（1）过流能力试验结果

在无扰流板的情况下的试验数据表明：对于相同的排放阀门通径，吸入提取设备半径越大，其排放流量越大，产生漩涡的高度越高。对于相同直径的吸入提取设备，排放阀门通径越大，其排放流量越大，产生漩涡的高度越高。

在加设扰流板的情况下的试验表明，装置产生的漩涡得到了极大的抑制，均降至50 mm以下才观察到漩涡的产生。

（2）浮子阀性能试验结果

试验进行了硬浮子和软浮子两种结构的密封性能试验，结果见表1、表2。

试验数据显示，浮子阀软、硬密封两种形式均可达到良好的密封效果，且启闭灵活，吸入提取设备内液体排空效果良好。考虑检修频次，选择硬密封的方式进行定型。

（3）总成性能试验结果

1）液下泵对液面处无特殊要求[4]，在启动运行方面对泵而言无影响，在液面位置在3～4 m之间时，液下泵启动在3～6 s之内即可达到输送压力、输送流量的稳定。

2）吸入提取设备与液下泵形成了一个总成系统装置，为了便于整体的调节，在液下泵泵体基座底部设计±5 cm可调的螺栓，可以适应调节。

3）无滤网的测试试验，发现滤网对吸入提取设备过流能力、过流速度无影响，同时对残留量也无影响。

通过总成性能试验，获取了有机相吸入提取设备的主要功能要求及样机参数评价见表3。

表1 浮子阀硬密封性能试验Table 1 Hard seal performance of the float-controlled valve

表2 浮子阀软密封性能试验Table 2 Soft seal performance of the float-controlled valve

表3 主要技术要求与吸入提取设备样机参数评价Table 3 Main technical requirements and parameters of the prototype suction extraction equipment

（4）有机相吸入提取设备制造

根据以上试验数据和结论，进行了有机相吸入提取设备的制造，见图5设备结构图及图6实物图。

1) 考虑到现场特性，要求装置使用时间长，减少维修，浮子阀采用硬密封结构；

2) 吸入提取设备与泵的连接采用焊接形式，以保证吸入提取设备的牢固性；

3) 吸入提取设备与泵的传动轴的轴线垂直度不大于1 mm，吸入提取设备平面度控制在0.1 mm以内，吸入提取设备滤网及环形入口表面光洁度控制在0.8 mm以下，以保证有机相的平稳过流与汇集。

3.3 残余有机相测量设备

图5 有机相吸入提取设备结构图Fig. 5 The structure of the organic phase suction extraction equipment

在有机相提取结束后，需测定提取后罐内残余有机相厚度及其界面形态，为下一步残余有机相的处理提供必要的资料。通过市场调研，市场上没有直接用于放射性场所测量残余有机相的设备或仪器，因此残余有机相的测量考虑直接对其厚度进行观察和测量。结合现场实际，利用内窥镜开展残余有机相厚度测量设备研制，设备由摄像头，控制系统和标尺构成，有机相厚度测量原理见图7。工作时，将摄像头和标尺放置于残余有机相界面，由摄像头观察残余有机相界面形态，标尺测量残余有机相厚度，测量数据通过显示屏显示。

图6 有机相吸入提取设备实物图Fig. 6 The real organic phase suction extraction equipment

图7 有机相厚度测量原理图Fig. 7 The schematic of organic wastewater thickness measurement

表4 台架试验参数Table 4 The rig test data

4 应用效果

4.1 冷台架试验

建立试验台架[5]：液下泵型号LAY25-200 C型，流量7 m3/h，扬程20 m，转速2 900 r/min，界面计选用MBT/T1S1AFA3A2/4150安装法兰DN100带配对法兰。贮槽模拟料液初始高度为2 560 mm，有机相模拟料液高度为1 757 mm。开展了三轮试验，试验结果如表4所示。

通过三轮试验及试验参数可知：

1) 整套装置适用于油水分离提取，运行平稳，表面未观察到漩涡，沿途管线没有漏点；

2) 提取率大于95%，残余有机相小于1 cm；

3) 界面计能够准确显示界面位置，测量误差小于1%；

4) 提取输送平均流量5.23 m3/h，能够满足工艺要求。

4.2 工程热试验及应用

热试验在S-1205/7贮槽内进行，原有0.5 m有机废液，将磁致伸缩界面计通过仪表孔安装于待提取贮罐内，确定有机废液与中放废液的界面，吸入提取设备壳体和液下泵通过贮罐内人孔放入贮罐内界面处，液下泵出口管线插入收集贮罐液面下。开启液下泵，将待提取贮罐中低放有机废液倒入收集贮罐中。热试验共运行8小时10分钟，提取泵能力满足要求。通过测量残余有机相厚度小于20 mm，计算有机相提取率为95.4%。

5 结束语

针对罐内油水界面相对稳定的特点，设计研制的有机废液分离提取装置，通过精确定位，确定油水界面，能大大提高油相回收效率，采用直接向提取泵供料，在工程应用过程中运行稳定，利用本装置首次实现了放射性环境下的有机废液与中放废液的分离并提取出来，有机废液提取率大于95%，且在试验及工程应用的过程中充分考虑了有机废液易燃爆的特点，采取了相应的措施，确保了全过程的安全。

[1] 吴明建.含油废水处理技术浅谈[J]. 水工业市场，2012(04).

WU Ming-jian. Brief Probe into Oil-bearing Waste Water Treatment Techniques [J] .Water Industry Market， 2012(04).

[2] 孙莉英. 含油废水处理技术进展[J]. 华中科技大学报（城市科学版），2002，19(3):88-90.

SUN Li ying. Progress of Oil-bearing Waste Water Treatment Techniques [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Urban Science Edittion), 2002，19(3):88-90.

[3] 李铁峰.核电厂非放射性含油废水处理系统调试[J]. 中国核电，2015，(4). 368-370

LI Tie-feng. Commissioning of the Oily Waste water System of Nuclear Power Plant [J]. Nuclear Power Plant 2015，(4). 368-370

[4] 王晓华.化工原理[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

WANG Xiao-hua. Principles of Chemical Industry [M]. Beijing: Chemical Industry press，2009.

[5] 华梅芳.低放有机废液提取输送工程装置设计. 中国核电工程有限公司，2012，6.

HUA Mei-fang. The Design of Engineering Installation for Sucking and Piping Low Level Radioactive Organic Liquid Waste. China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd., 2012，6.

Radioactive Organic Waste Liquid Extraction and Separation Equipment Development and Engineering Application

ZHAO Ling-jun，CHEN Ji-zhao
(Sichuan Environment and Protection Engineering Co., Ltd., CNNC, Guangyuan, Sichuan Prov. 628000, China)

From the characteristic of organic radioactive waste water processing and engineering requirements, the key factors influencing the extraction and separation of organic waste water are analyzed, combined with the actual situation on site. Through technical study, the extraction and separation device for the organic waste water is developed. Through the cold and hot tests and engineering application, it is demonstrated that to adopt this device to extract and separate the organic waste water is safe and effective, which can provide technical support for the project.

radioactive environment; organic waste water; extraction and separation device

TL249 Article Character: A Article ID: 1674-1617（2016）04-0374-07

TL249

A

1674-1617（2016）04-0374-07

2016-10-20

赵玲君（1975—），女，四川南充人，高级工程师，工学硕士，现从事放射性废物治理工作。