气力输送技术在放射性废液暂存设施中的应用

邵延江，李 维，马聪聪，冯春晓

(中国原子能科学研究院 退役治理工程技术中心，北京 102413)

工业上常用的液体输送方式主要分为机械式(如泵输送)和非机械式(如气力输送)两大类。其中，气力输送技术因其具有良好的物料适应性、设备结构简单、自动化控制程度高、安全度高等优点，被国内外广泛应用[1-2]。在核行业中，气力输送技术也有所应用，如在高温气冷堆(HTR-10)吸收球停堆系统、燃料球装卸系统、核燃料后处理前端固体料液输送中的应用等[3-4]，但在液体料液输送中的应用公开报道相对较少。

中国原子能科学研究院(简称原子能院)放射性废液暂存设施(简称暂存设施)采用气力输送技术设计，即将投入使用。为验证设施气力输送技术及装置设计是否满足原子能院放射性废液输送需求，投入使用前需进行冷调试试验。由于设计方仅提供了气力输送设备(如空压机和真空泵)的性能参数，而未提供设计工艺计算书、推荐的工艺操作参数等。若直接进行调试试验，存在工艺参数不确定、调试工作量大、安全风险高等问题，故本文在冷调试前，先利用理论计算方法得到工艺操作参数，进而通过冷试验验证气力输送系统设计的安全性和可靠性，并结合冷试验和理论计算进一步优化并确定最佳工艺操作参数。在此基础上提出技术改进方法及建议，旨为今后同类设施的设计提供参考。

1 气力输送原理及操作参数理论计算

1.1 气力输送原理

气力输送是根据固-气或液-气两相流原理，利用压缩空气静压和动压高效率地沿管道输送物料[5]。压缩机与管道等组成气力输送系统，在管道内，利用气体作为承载介质，将物料从一处输送至另一处[6]。气力输送环节由进料、流化、输送、吹扫4个阶段组成[7]。

气力输送系统按气流在管道中的压力状态，可分为正压压送式和负压吸送式两大类[8]。正压压送式气力输送系统主要用于从1个物料源取样，并将其输送至1个或若干个收集点，此种输送方式风机设置在系统前端，故物料无法自由进入管道，需借助风机的作用进行输送。负压吸送式气力输送系统是将若干个物料源中的1个或多个与物料一起输送至1个收集点，此种输送方式引风机械装置设置在系统末端，启动引风机械装置，整个系统形成负压，在负压的带动下进行物料输送[9-11]。

1.2 操作参数理论计算

放射性废液气力输送系统的主要工艺操作参数包括：输送废液的体积流量、输送压力、管道流速、贮罐液位、呼排气量、过滤器压差等，其中最核心的是输送定量废液所需的压力。因此，基于本工程系统装置设计，采用伯努利方程计算输送定量料液所需的压力，计算条件为已知输送废液黏度、废液密度、管道直径、管壁粗糙度、管道长度、输送的体积流量、通过管道的水头损失。伯努利方程为：

(1)

∑hf=hf1+hf2=

(2)

式中：u1、u2为截面1-1′和2-2′处流体的平均流速，m/s；p1、p2为截面1-1′和2-2′处流体的压力，Pa；Z1、Z2为截面1-1′和2-2′中心至基准水平面的垂直距离，m；g为重力加速度，m/s2；ρ为密度，kg/m3；We为外功，J/kg；∑hf为机械能损失，J/kg；hf1为管道沿程阻力；hf2为管件与阀门的局部阻力；λ1为摩擦系数；L1为输送管路长度，m；d1为管道内径，m；ξ1为管道进出口阻力系数；∑Le1为管件与阀门等当量长度，m。

已知输送废液黏度、废液密度、管道直径、管壁粗糙度、管道长度、输送压力及通过管道的水头损失，而通过管道的平均流速、雷诺数均未知的条件下，采用伯努利方程试差法计算管道输送的体积流量[12]。具体步骤为：1) 设定摩擦系数λ的初始值λ0；2) 将λ0代入λ与平均流速u的关系式，求解u；3) 由u及管道直径d等求解雷诺数Re；4) 由管壁相对粗糙度ε/d和Re查莫迪摩擦系数图，求解新的λ1；5) 重复上述步骤，直至λ0与λ1相近为止，此时的u即为所求；6) 采用公式qv=0.785d2u计算通过管道输送的体积流量。

2 气力输送技术的应用

2.1 气力输送系统流程设计

本工程气力输送系统总流程设计如图1所示。该系统主要由废液的收集、暂存、输送3部分组成。流程设计为：各设施废液经输送管道(设计坡度为0.3%)自流至扬液器收集；收集后的废液采用正压压送方式输送至贮罐暂存。

图1 气力输送系统总流程设计简图Fig.1 Process flow design diagram of pneumatic conveying system

当需要将废液输送至处理设施时，先采用负压吸送方式将废液由贮罐吸送至扬液器，再以正压压送方式输送至处理设施。

其中，扬液器作为废液收集、转运的中间设备，是系统重要的组成之一。其采用中间筒体、两头椭圆形封头连接的结构设计，主要材质为0Cr18Ni9，板材厚度为8 mm；具有强耐腐蚀性、耐压等特点。根据结构设计，扬液器在废液暂存或转运时，具备承受正压压力或负压抽吸的力学特性，其结构如图2所示。

图2 扬液器结构Fig.2 Structure design drawing of liquid lifter

1) 正压压送式流程设计

设计的正压压送式流程如图3所示。

图3 正压压送式流程Fig.3 Flow chart of positive pressure and pressure feeding

流程设计为：启动空压机，压缩空气由顶端进入扬液器，使扬液器顶端压力高于底端管道进口处压力，废液由扬液器底端管道进口进入管道，被输送至贮罐。

在贮罐中，废液与压缩空气分离，废液在贮罐内暂存，压缩空气由气体净化系统净化后排入大气。主要设计参数为：输送压力0.1～0.5 MPa、输送预期需求废液的体积流量18 m3/h。工况设计为：输送管路总长30 m、输送管φ57 mm×3.5 mm、途经截止阀2个、弯头14个、料液输送与接收截面竖直高度7 m。本设计主要设备及布置列于表1。

表1 正压压送式主要设备规格型号及布置Table 1 Main equipment specification and layout of positive pressure feeding

2) 负压吸送式流程设计

所设计的负压吸送式流程如图4所示。

图4 负压吸送式流程Fig.4 Flow chart of negative pressure suction

流程设计为：启动真空泵，气体由扬液器顶端进入，整个系统形成负压；由于贮罐进液管道口内外存在压差，空气被吸入管道，与此同时，废液被空气带入管道，并输送至扬液器。

在扬液器中，气体与废液分离，废液在扬液器中暂存，气体由过滤系统净化后排入大气。主要设计参数为：真空输送压力-0.01～-0.09 MPa、输送预期需求废液的体积流量10 m3/h。工况设计为：输送管路总长25 m、输送管φ57 mm×3.5 mm、途经截止阀2个、弯头17个、料液输送与接收截面竖直高度1.5 m。本设计主要设备及布置列于表2。

表2 负压吸送式主要设备规格型号及布置Table 2 Main equipment specification and layout of negative pressure suction

2.2 操作参数

根据设计，取扬液器上液面为截面1-1′并作为基准水平面，贮罐管道入口内截面为下游截面2-2′，取管道绝对粗糙度e=0.2。

1) 正压压送方式

由公式u=4qv,s/πd2(qv,s为体积流量，m3/s；d为管道内径，m)可得u2=2.55 m/s；由雷诺数Re=duρ/μ可得Re=1.27×105；绝对粗糙度e=0.1时对应的λ=0.025，则∑hf=175.31 J/kg。将u2=2.55 m/s、Re=1.27×105、∑hf=175.31 J/kg代入伯努利方程，求得输送压力p=246 kPa。

用伯努利方程试差法求得设计压力分别为150、200、225、250、275、300 kPa时，相应输送废液体积流量分别为12.18、15.47、16.88、18.81、19.39、20.53 m3/h。可见，输送体积流量为18 m3/h时，输送压力为250 kPa。这与利用伯努利方程计算所得输送压力246 kPa相符，说明这两种理论计算方法均可行。

2) 负压吸送方式

由公式u=4qv,s/πd2可得u2=1.42 m/s；由公式Re=duρ/μ可得Re=7.03×104；绝对粗糙度e=0.1时，负压吸送方式下对应的λ=0.031，则∑hf=56.02 J/kg。将u2=1.42 m/s、Re=7.03×104、∑hf=56.02 J/kg代入伯努利方程，求得输送压力p=-42.2 kPa。

用伯努利方程试差法求解不同输送压力下的体积流量，结果列于表3。由表3可见，体积流量为10.27 m3/h时的输送压力为-45 kPa，与伯努利方程计算结果相符。

表3 负压吸送方式不同输送压力下的体积流量Table 3 Volume flow of negative pressure suction under different pressures

3 结果与讨论

以操作参数理论计算为依据，两种输送方式下，不同输送压力时，废液输送体积流量理论计算值与冷试验实测3次的平均体积流量对比示于图5。由图5可知，虽然废液输送体积流量的实测值与理论计算值之间存在一定的差异，但总体变化趋势一致，且二者间的偏差较小。正压输送方式下，试验压力范围内，输送料液预期需求体积流量为18 m3/h，实测值与理论计算值之间的相对偏差为3%～20%；负压输送方式下，试验压力范围内，输送料液预期需求体积流量为10 m3/h，实测值与理论计算值之间的相对偏差为2%～5%。对于工程装置的冷试验，该偏差是可接受的，即本文推荐的理论计算方法可作为冷试验的技术支持；设计的气力输送工程装置基本合理。

图5 输送压力与体积流量的关系Fig.5 Relationship between conveying pressure and volume flow

现有工程装置条件下，为满足输送预期需求废液的体积流量，初步确定工艺操作参数如下：正压压送方式输送压力为225～275 kPa；负压吸送方式输送压力为-40～-50 kPa。

4 优化建议

4.1 影响因素

对于已建成的废液气力输送系统，进行废液输送理论计算时，主要影响因素包括：废液的密度、黏度以及管道绝对粗糙度等，其中密度及黏度等由废液温度决定，因此，本文主要考察废液温度和管道绝对粗糙度对理论计算与设计的影响。

1) 温度

根据北京市房山区天气及暂存设施设计，设定系统工作温度为18～22 ℃时，计算两种输送方式、不同输送压力下的废液输送体积流量，并与实际测量值进行对比，结果示于图6。由图6可知，两种输送方式下，输送压力相同时，不同温度下的理论计算值基本相同，与实测值的偏差(正压压送式为0～20%，负压吸送式为2.5%～6%)及整体变化趋势一致。因此，理论计算时可忽略温度的影响。

图6 温度对体积流量理论计算的影响Fig.6 Effect of temperature on theoretical calculation value of volume flow

2) 管道绝对粗糙度的影响

工程设计中，新无缝钢管管道的绝对粗糙度e取值为0.1～0.2[13]。本文验证时e分别取0.1和0.2，对应的相对粗糙度为0.002和0.004，计算两种输送方式、不同输送压力下的废液输送体积流量，并与实测值对比，结果示于图7。由图7可知，对于正压压送式设计，当管道粗糙度分别取0.1与0.2时，体积流量的理论计算值与实测值整体变化趋势一致；当管道粗糙度取0.1时，理论计算值与实测值偏差较大，约为10%～29%；管道粗糙度取0.2时，理论计算值与实测值偏差较小，约为0～20%，与实测值更接近，此时理论计算值更能真实反映流体在管道内的流态。

图7 绝对粗糙度对体积流量理论计算值的影响Fig.7 Effect of absolute roughness on theoretical calculation value of volume flow

对于负压吸送式设计，管道粗糙度取值不同时，呈现出与正压压送式设计相同的变化趋势。当管道粗糙度取0.1时，理论计算值与实测值偏差较大，为12%～14%；管道粗糙度取0.2时，理论计算值与实际偏差为2%～7%，与实测值更接近。

因此，进行理论计算时，管道相对粗糙度是

影响理论推荐参数的主要因素。在工程设计，或对已建设完成的装置进行气力输送参数计算时，应重点考虑管道绝对粗糙度的影响。

4.2 系统设计优化

1) 管径选择

流体的体积流量一般由生产任务决定[14]，平均流速需综合考虑各种因素后再合理选择[15]。工程设计中，输送正压在3×105Pa(与实测输送压力相符)时，管路设计参考流速为1～1.5 m/s[13]。本文正压压送方式输送平均流速按最大参考流速设计，则有：参考管径d=(4q/πu)1/2=(4×18÷3 600/(3.14×1.5))1/2=0.065 m=65 mm。

利用伯努利方程求得的参考管径下输送实测体积流量料液所需压力列于表4。

表4 输送实测体积流量料液所需压力Table 4 Pressure required for conveying measured volume flow material liquid

由表4可知，采用参考管径，输送实测体积流量废液所需压力较设计输送压力小，且输送废液体积流量越大节能越明显，因此今后的技术改进中，可采用增大管径的方式进行废液输送节能试验。

2) 真空系统设备安全性

本文负压吸送式真空系统设计中，真空泵为水环真空泵，其抽吸的气体为来自扬液器的气水混合物，湿气大，易使叶轮生锈、腐蚀；泵轴冷却由水箱自来水提供，增加了放射性废液产生量，易造成放射性泄漏。

为避免上述问题，建议更换真空泵类型；同时可在泵前增设管道过滤器，除去气水混合物中的水分，以延长真空泵的使用寿命。

5 结论

1) 在理论计算支持下，开展了气力输送系统应用验证。结果表明，本文建立的放射性废液气力输送装置设计基本合理，设计技术指标满足原子能院预期需求体积废液输送要求。

2) 通过应用验证确定了废液输送压力、废液输送体积流量等工艺操作参数，为系统热调试和生产运行奠定了基础。

3) 在同类设施设计和工艺计算中，应重点关注管道绝对粗糙度的影响。

4) 今后的技术改进中，可采取增大管径的方式进行输送节能试验。

5) 真空系统设计中，应尽量选择相对安全度高的设备，并在泵前增加一级过滤器。