放射性废液水泥固化桶外搅拌装置设计

张海峰

摘 要：桶外搅拌工艺具有装桶率高、可连续式操作等优点，在放射性废液水泥固化处理领域中具有很好的应用前景。该文分析了设计桶外搅拌装置时应考虑的几个因素，并初步设计了两种简易的桶外搅拌装置，为今后设备国产化设计提供参考。

关键词：放射性废液 桶外搅拌装置 搅拌

中图分类号：TL941 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（a）-0026-03

国内核电站放射性废液水泥固化处理工艺主要有桶内搅拌工艺和桶外搅拌工艺，从发展趋势看，桶外搅拌工艺将逐渐占主导地位[1]。桶外搅拌工艺采用将放射性废液、添加剂和干水泥先送入特制的搅拌装置中搅拌均匀，然后装入包装容器的方式，该工艺具有装填率高、处理能力大和可连续式操作的优点。由于过去核电行业发展不景气，国内目前对桶外搅拌工艺的研究资料非常少，特别是对作为关键设备的搅拌装置的研究更是缺乏。该文从桶外搅拌工艺的特点出发，探讨桶外搅拌装置设计时应考虑的几个因素，并初步设计了两种简易的桶外搅拌装置，为今后设备国产化设计提供参考。

1 桶外搅拌装置设计应考虑的几个因素

通常，搅拌装置的设计应包含如下步骤：（1）确定搅拌条件；（2）选定搅拌桨型式及内构件；（3）确定搅拌桨尺寸及转速；（4）计算搅拌功率；（5）搅拌装置机械设计。其中，搅拌条件的确定和搅拌桨型式的选定是设计桶外搅拌装置的基础，也是比较难处理的两个环节。该文主要对搅拌条件的确定和搅拌桨型式的选定进行分析。

1.1 搅拌条件的确定

要确定的搅拌条件包括水泥浆的性质、搅拌的目的、搅拌装置的容积、搅拌装置的型式、操作方式等等。这些都是设计桶外搅拌装置的基础，尤其是水泥浆的性质和搅拌目的两项。

1.1.1 水泥浆的性质

在设计桶外搅拌装置之前首先须对水泥配方及水泥浆的流变特征仔细研究。水泥浆一般认为是高粘塑性流体（宾汉流体），其粘度在不同的搅拌阶段与剪切力有不同的数值关系，而剪切力与搅拌桨的型式和转速有关。

1.1.2 搅拌的目的

搅拌的目的不同，选定的搅拌桨型式也不同。搅拌桨的作用可粗分为两大类，一是对搅拌桨近旁或容器内物料产生的剪切作用，它决定了搅拌桨的分散能力（如对液滴和气泡的细分化）；另一个是通过搅拌桨泵出的流量所产生的循环作用，它决定了搅拌桨对物料的混合能力。

1.1.3 搅拌装置的容积

搅拌装置的容积越大，搅拌低效区问题就越严重。搅拌装置的容积主要由水泥固化体配方和操作方式决定。

1.1.4 搅拌容器的型式

目前，水泥固化处理技术使用的搅拌装置有两类，即卧轴式搅拌装置和立轴式搅拌装置。从连续式操作的特点来看，桶外搅拌工艺宜优先选用立轴式搅拌装置。

1.1.5 操作方式

对于连续式操作的桶外搅拌装置来说，为了使水泥浆在非常短的时间内混合均匀，要求搅拌桨必须高速旋转，这对搅拌桨的机械性能提出了很高的要求。

1.2 搅拌桨型式的选定

搅拌条件确定后，搅拌浆的选定是非常重要的一步，它是搅拌装置功率计算、流场分析和机械设计的基础。按流变特征分类，水泥浆一般归为高粘塑性流体一类。大量对高粘塑性流体混合的研究发现，高效的搅拌装置至少应具备两个条件：（1）搅拌桨能提供强有力的剪切，促进分子扩散，从而快速达到分子级的混合。（2）由于高效剪切区总是只占有容器体积的一部分，因此只有搅拌桨能使流体在搅拌容器内进行快速的循环，使高剪切区和低剪切区的液体快速交换，才能使整个搅拌容器快速地达到均匀混合。

以前国内核电站的放射性废液水泥固化系统经常采用平面型搅拌桨，用这种搅拌桨混合的固化体均匀性差，分层现象较为严重，且装桶率一般仅为70%左右。后来改用行星式双螺旋结构的搅拌装置，不但解决了废物均匀性的问题，而且最终废物的装填率提高到95%。设计立轴行星式搅拌装置时，可以考虑采用其他搅拌桨型式（比如铲片式搅拌桨）代替低转速的螺带式搅拌桨。铲片式搅拌桨的表面形状一般为平面，在搅拌过程中，物料对平面铲片的运动阻力很大，混合搅拌的功率消耗高。

2 桶外搅拌装置设计

2.1 立轴单轴式桶外搅拌装置

由于是连续式操作，干水泥和化学废液必须在较短时间内达到湍流状态，这要求搅拌桨转速必须非常高，且能提供强有力的剪切，使液滴瞬间分散在干水泥中。可以考虑采用桨式搅拌桨来获得良好的剪切作用，同时为了提高搅拌桨的循环作用，可使桨叶与水平面成一定角度，获得一定轴向流动的效果。基于上述分析，初步设计了立轴单轴式桶外搅拌装置如图1所示。图中只表示了干水泥进管接口和废液进管接口，未表示添加剂等其他物料的进管接口。搅拌容器设计为Φ500×450的圆桶，圆桶底部是与包装桶连接的对接工位。搅拌桨为一对短桨和一对长桨构成的组合桨。短桨直径与搅拌容器直径比值为0.5，长桨直径与搅拌容器直径比值为0.8，浆叶宽度与桨叶直径比值为0.2。

2.2 立轴行星式桶外搅拌装置

由于“边搅拌边出料”的连续式操作要求搅拌桨必须高速旋转，因此桨叶容易受到磨损，须经常检修。为了降低桨叶的检修频率，桶外搅拌装置可考虑先将计量好的物料一次性混合均匀，然后将混合好的水泥浆装入包装桶内并选择“先搅拌后出料”的操作方式。选用如图2所示的立轴行星式搅拌装置。此种搅拌装置与其他类型的搅拌装置相比具有如下明显优势[2]：（1）搅拌更均匀，更充分，槽壁无滞留料，无搅拌低效区。（2）可适用于多种装载量。（3）几乎可100%完全出料，卸料非常方便。（4）功率消耗低。（5）可提高固化体强度，减少干水泥用量。图2所示的立轴行星式搅拌装置采用的是犁式桨叶，每根轴上设置3～5片桨叶。其中一根轴的桨叶为正排列，另一根轴的桨叶为反排列。搅拌桨的直径应随著搅拌容器的直径增大而增大，即设计成近壁式搅拌桨，可减少搅拌容器壁附近的搅拌死区产生。

3 结语

桶外搅拌装置是放射性废液水泥固化处理技术桶外搅拌工艺的重要设备，其混合效率和搅拌质量直接影响着整个系统的运行和水泥固化体的性能。搅拌条件的确定是设计桶外搅拌装置的基础，尤其对水泥桨的流变特征研究是必不可少的。初步设计的两种桶外搅拌装置适用的操作方式不同，应根据具体的工艺要求确定混合效果最好的设备型号。如果工艺对混合时间无特别的要求，可考虑采用易于实现工程运用的立轴行星式桶外搅拌装置。

参考文献

[1] 李洪辉，范智文.核电站放射性废物水泥固化处理[J].辐射防护通讯，2010（3）：34-38.

[2] 高波，刘淑玲，王敏，等.危险废物水泥固化工艺的工程设计与探讨[J].环境工程，2010（3）：95-98.