呂海雷，初麗麗，張存平

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射性三廢設(shè)施治理工程部，北京 102413)

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放射性固體廢物一維應(yīng)力壓縮的應(yīng)用研究

呂海雷，初麗麗，張存平

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射性三廢設(shè)施治理工程部，北京 102413)

通過(guò)對(duì)放射性固體廢物桶內(nèi)壓縮過(guò)程的研究，建立了廢物桶內(nèi)一維應(yīng)力壓縮模型，并根據(jù)模型設(shè)計(jì)最優(yōu)壓縮策略對(duì)放射性固體廢物裝填進(jìn)行指導(dǎo)。結(jié)果表明，不同的壓縮策略廢物的裝填總量以及壓縮后的桶內(nèi)裝填效率差別較大，裝填總量相差1倍左右，裝填效率相差20%～30%。采用壓縮策略的裝填方式較無(wú)序裝填方式在廢物減容方面提高10%左右，且廢物裝填次數(shù)也顯著降低，符合工程應(yīng)用與廢物最小化要求。

放射性固體廢物；預(yù)壓縮；一維應(yīng)力壓縮；壓縮策略；廢物最小化

壓縮減容是放射性固體廢物重要的處理方式，廣泛應(yīng)用于廢物產(chǎn)生場(chǎng)所以及廢物處理設(shè)施。根據(jù)壓縮方式的特點(diǎn)，分為桶內(nèi)壓縮和超級(jí)壓縮，二者的不同在于桶內(nèi)壓縮主要減小的是桶內(nèi)廢物間孔隙，超級(jí)壓縮主要減小的是廢物內(nèi)部孔隙。中國(guó)原子能科學(xué)研究院(簡(jiǎn)稱原子能院)放射性固體廢物回取與整備處理示范設(shè)施是含桶內(nèi)壓縮與超級(jí)壓縮的完備的放射性固體廢物整備處理生產(chǎn)線。廢物經(jīng)分揀預(yù)壓縮后送去超級(jí)壓縮以及水泥固化形成可最終處置的包裝體。

超級(jí)壓縮是廢物桶及其內(nèi)裝的固體廢物在高壓下被壓成穩(wěn)定的壓餅，廢物可被壓縮至接近其理論密度，但有研究[1]表明固體廢物超級(jí)壓縮初期，壓力主要是克服桶壁的強(qiáng)度，桶內(nèi)廢物間的孔隙并未受到壓縮。如何合理有效地在廢物桶受壓變形前在廢物桶中裝填更多的廢物以提高廢物桶的使用效率，是廢物最小化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。另一方面，桶內(nèi)壓縮通常需要多次投料、多次壓縮，廢物種類的不同、裝填位置的不同均會(huì)對(duì)減容效果產(chǎn)生影響，因此合理的裝填方式方可滿足廢物最小化的要求。

本文通過(guò)建立模擬放射性廢物桶內(nèi)壓縮數(shù)學(xué)模型，分析廢物桶內(nèi)壓縮的特點(diǎn)，獲得各類廢物桶內(nèi)壓縮的規(guī)律，并選取最合理的廢物裝填策略，以達(dá)到廢物的最大裝填量，滿足廢物最小化要求。

1 模擬放射性固體廢物桶內(nèi)一維應(yīng)力壓縮數(shù)學(xué)模型

一維應(yīng)力壓縮是指僅考慮模擬廢物在垂直方向應(yīng)力作用下的豎向壓縮，而不考慮側(cè)向擠出。采用分層總和法計(jì)算模擬廢物的壓縮量，將模擬廢物分成若干層依次進(jìn)行壓縮，假定模擬廢物層不發(fā)生側(cè)向擠出(壓縮機(jī)在裝填廢物前預(yù)先放置套桶，防止側(cè)向擠出)，采用側(cè)限壓縮指標(biāo)計(jì)算每層的壓縮量，然后求和計(jì)算模擬廢物的預(yù)壓縮效率。

1.1 基本假定

1) 模擬固體廢物豎向壓縮時(shí)不產(chǎn)生側(cè)向變形；

2) 假定模擬廢物中，各種廢物的尺寸已滿足裝填要求；

3) 不考慮上層裝填廢物重力對(duì)下層廢物的壓縮作用。

1.2 模擬廢物壓縮量的計(jì)算

模擬廢物中孔隙的體積與模擬廢物體積之比稱為孔隙比，用e表示，表達(dá)式為：

(1)

其示意圖如圖1所示。

圖1 孔隙比示意圖Fig.1 Sketch map of pore-solids ratio

從圖1可知，孔隙率ε與孔隙比e的關(guān)系如下：

(2)

1) 裝填1層模擬廢物后壓縮量的計(jì)算

(3)

(4)

2) 裝填第2次模擬廢物后第1層廢物壓縮量的計(jì)算

(5)

(6)

3) 裝填第n次模擬廢物后第1層廢物壓縮量的計(jì)算

(7)

則第1層模擬廢物經(jīng)n次壓縮后的壓縮量為：

(8)

4) 裝填n次廢物后第1層廢物累計(jì)壓縮量的計(jì)算

裝填第n次模擬廢物后，在n層模擬廢物自身重量與預(yù)壓實(shí)設(shè)備的共同作用下，第1層廢物累計(jì)壓縮量為：

(9)

5) 裝填第n層廢物后第j層廢物壓縮量的計(jì)算

(10)

則第j層模擬廢物經(jīng)n-j次壓縮后的壓縮量為：

(11)

6) 裝填n次廢物后第j層廢物累計(jì)壓縮量的計(jì)算

裝填第n次模擬廢物后，在n-j層模擬廢物自身重量與預(yù)壓實(shí)設(shè)備的共同作用下，第j層廢物累計(jì)壓縮量為：

(12)

7) 廢物桶裝填效率的計(jì)算

(13)

2 孔隙率測(cè)定

根據(jù)原子能院在科研和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢物和其他廢物庫(kù)中廢物及今后在核設(shè)施退設(shè)中產(chǎn)生的廢物的組成情況，本實(shí)驗(yàn)選取了棉制品(如布、棉紗等)、紙、木材、磚、金屬管道等模擬廢物。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用原子能院放射性固體廢物回取與整備處理示范設(shè)施預(yù)壓工作箱內(nèi)20 t預(yù)壓機(jī)。

各模擬物料的物理密度列于表1。

表1 模擬廢物的物理密度Table 1 Physical density of simulation waste

1) 初始孔隙率的測(cè)定

將一定量單一或按比例混合的模擬廢物，分別裝入實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)200 L廢物桶中，通過(guò)多次裝填并記錄裝填高度，與理想狀態(tài)下模擬廢物體積對(duì)比，計(jì)算獲得模擬廢物的初始平均孔隙率。

2) 分次壓縮后模擬廢物孔隙率的測(cè)定

通過(guò)對(duì)單一或按比例混合的模擬廢物進(jìn)行多次裝填，獲得20 t壓力下各類廢物在不同分層上的孔隙比。

對(duì)常用的廢物進(jìn)行反復(fù)裝填與壓縮，并通過(guò)計(jì)算獲得孔隙率，結(jié)果列于表2。

由表2可看出，廢物在經(jīng)過(guò)3次壓縮后，孔隙率基本趨于穩(wěn)定，可壓縮性大幅減弱，在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用3次壓縮是相對(duì)合理的壓縮方式。

3 壓縮策略研究

由表2可看出，廢物經(jīng)過(guò)3次桶內(nèi)壓縮后，基本可達(dá)到較理想的壓縮狀態(tài)。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，在實(shí)際廢物預(yù)壓縮過(guò)程中，采用3次填裝壓縮方式，且每次裝填高度不低于桶高的1/3。

表2 孔隙率測(cè)定結(jié)果Table 2 Measurement results of porosity

注：預(yù)壓實(shí)后分層廢物高度測(cè)量以被壓縮模擬廢物反彈后數(shù)據(jù)測(cè)量為準(zhǔn)

假設(shè)廢物經(jīng)過(guò)3次裝填，裝填高度分別為x1、x2和x3，根據(jù)不同分層上的孔隙率變化量，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的廢物裝填方式，使廢物裝填的效率達(dá)到最高。

根據(jù)一維應(yīng)力壓縮模型設(shè)計(jì)壓縮方式，圖2為廢物3次裝填壓縮的一般規(guī)律，最下層廢物經(jīng)過(guò)3次壓縮達(dá)到理想的壓縮狀態(tài)，上層廢物也達(dá)到一定的壓縮，滿足廢物壓縮減容的目的。

圖2 廢物裝填過(guò)程Fig.2 Process of waste filling

針對(duì)模擬放射性固體廢物，廢物經(jīng)過(guò)3次裝填，各層的壓縮符合該類固體廢物壓縮特征，僅需考慮廢物每次的裝填高度即可。

按照設(shè)計(jì)的廢物壓縮思路，利用最優(yōu)化方法，要使廢物桶裝填量最大，須滿足以下條件：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(14)

將上式整理后，可得：

max(x1+x2+x3)

x1≤h

(15)

通過(guò)計(jì)算，可獲得廢物裝填的理論高度等參數(shù)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算得到廢物在壓縮的不同階段的孔隙率變化量，如表3所列。

表3 廢物在不同壓縮階段的孔隙率變化量Table 3 Variety of porosity in variant steps

4.1 單種廢物壓縮試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)廢物在不同壓縮階段孔隙率變化量，利用MATLAB對(duì)單種廢物的裝填進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果列于表4。

從表4數(shù)據(jù)可看出，經(jīng)過(guò)初次壓縮后孔隙率變化較大的廢物(如木、紙、棉等)，在經(jīng)過(guò)3次裝填壓縮后，會(huì)產(chǎn)生較大的空間，影響廢物桶的裝填效率。而壓縮后孔隙率變化不大的廢物(如金屬管、磚等)經(jīng)過(guò)3次裝填后可達(dá)到較為理想的裝填效果。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)將壓縮過(guò)程中孔隙率變化相差較大的廢物進(jìn)行混合裝填，以達(dá)到理想的壓縮減容效果。

表4 單種廢物裝填仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of single waste filling

4.2 2種混合廢物裝填結(jié)果

根據(jù)單種廢物壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取孔隙率變化量較大的棉與金屬管進(jìn)行混合裝填，利用MATLAB對(duì)兩種廢物混合裝填進(jìn)行仿真(兩種廢物混合共有6種裝填方式)，仿真結(jié)果列于表5。

表5 兩種廢物混合裝填仿真結(jié)果Table 5 Simulation results of two types of wastes mixed filling

從表5可看出，將棉與金屬管兩種廢物進(jìn)行混合后，可有效提高廢物桶的裝填效率，綜合考慮減容效果與廢物桶裝填效率分析，第1種與第3種裝填方式為最優(yōu)裝填方式，可滿足廢物最小化目的。兩種優(yōu)化裝填方式的區(qū)別在于，對(duì)于給定的固體廢物，其中存在孔隙率變化量不同的兩種固體廢物，根據(jù)兩種廢物的比例進(jìn)行選取。給定廢物中孔隙率變化量大的廢物占多數(shù)時(shí)，選用第1種裝填方式，反之選取第3種裝填方式。

此外，從試驗(yàn)結(jié)果也可看出，在裝填過(guò)程中，應(yīng)將孔隙率變化量較大的廢物(如棉、紙等)裝填在廢物桶的最下層，能達(dá)到較理想的減容效果和減小廢物桶的使用。

4.3 3種混合廢物裝填結(jié)果

根據(jù)單一廢物壓縮試驗(yàn)結(jié)果，選取孔隙率變化量較大的棉、紙與金屬管進(jìn)行混合裝填，利用MATLAB對(duì)3種廢物混合裝填進(jìn)行仿真(3種廢物混合，共6種裝填方式)，仿真結(jié)果列于表6。

從表6可看出，棉、紙與金屬管3種廢物進(jìn)行混合，從廢物壓縮總量及廢物桶裝填效率綜合分析，第2種與第5種裝填方式廢物減容效果較好，而在這2種裝填方式中，雖廢物桶的裝填效率一致，但廢物裝填量卻不相同，廢物孔隙率變化量最大的裝填在最下層，孔隙率變化量較小的裝填在中間層，孔隙率變化量最小的裝填在最上層，廢物減容效果與廢物桶的裝填效率達(dá)到最優(yōu)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同廢物的孔隙率變化量的大小對(duì)廢物的裝填次序進(jìn)行調(diào)整，將孔隙率變化量遞增的次序作為廢物的裝填順序，達(dá)到廢物最小化的目的。

表6 3種廢物混合裝填仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of three types of wastes mixed filling

5 算例分析

原子能院放射性固體廢物回取與整備處理示范設(shè)施工藝系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中對(duì)預(yù)壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，按木、棉、混凝土的質(zhì)量比為1∶1∶8選取模擬廢物，共計(jì)135 kg，經(jīng)預(yù)壓后桶內(nèi)壓縮密度為0.71 g/cm3。利用本文設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型對(duì)該比例混合廢物進(jìn)行復(fù)核，達(dá)到驗(yàn)證模型有效性的目的。

根據(jù)本文3種混合廢物的壓縮策略，按廢物的孔隙率大小進(jìn)行排序，依次裝填棉、木和磚，并與實(shí)際裝填進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表7。實(shí)際裝填過(guò)程中未使用壓縮策略對(duì)壓縮過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。由表7可看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的裝填方式在廢物減容方面可提高10%左右，且裝填的次數(shù)也小于實(shí)際的裝填次數(shù)(表中棉實(shí)際裝填量為2次裝填結(jié)果)，滿足工程需要。

表7 模擬裝填與實(shí)際裝填結(jié)果對(duì)比Table 7 Results comparison of reality filling and simulated filling

6 結(jié)論

通過(guò)建立放射性固體廢物桶內(nèi)一維應(yīng)力壓縮模型，分析模擬固體廢物在不同壓縮次數(shù)下的壓縮變化規(guī)律，并根據(jù)廢物在各階段的壓縮規(guī)律，設(shè)計(jì)合理的裝填壓縮策略，實(shí)現(xiàn)廢物壓縮減容過(guò)程中最優(yōu)的裝填方式。利用壓縮策略對(duì)各種放射性固體廢物混合裝填方式進(jìn)行仿真計(jì)算后可看出，不同的廢物裝填方式對(duì)最終廢物桶的裝填效率及裝填量影響較大。因此，在工程應(yīng)用中選取合理的壓縮策略對(duì)廢物的裝填壓縮進(jìn)行指導(dǎo)，不但可提高廢物處置效率，還可實(shí)現(xiàn)廢物最小化的目的。

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Research on One-dimension Stress Compression of Radioactive Solid Waste

LV Hai-lei, CHU Li-li, ZHANG Cun-ping

(EngineeringDepartmentofNuclearFacilities’ConstructionandDecommissioning,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The one-dimension stress compression model was built through the research on compression in drum for radioactive solid waste. The compression process was optimized by taking advantage of that model, and filling process of radioactive solid waste was guided. The test results show that big differences exist in total volume of filling and efficiency of filling after pre-compression for different models. Comparing the best model with the worst model, the volume of filling can double and the efficiency of filling increases 20%-30%. The volume reduction ratio increases 10% and times of waste filling obviously decreases guided by compression strategy compared with random filling. It can well meet the requirements of waste minimization and future operation.

radioactive solid waste; precompression; one-dimension stress compression; compression strategy; waste minimization

2014-01-24;

2014-05-21

呂海雷(1979—)，男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，控制理論與控制工程專業(yè)

TL941.31

A

1000-6931(2015)06-1137-06

10.7538/yzk.2015.49.06.1137