核电厂桶外水泥固化工艺搅拌功率研究及试验验证.doc

核电厂桶外水泥固化工艺搅拌功率研究 及试验验证 刘国彪王兵臣石兵 中国核电工程有限公司核设备所堆本体与非标设备 宣中国核电工程有限公司核设备所设备结构分析室 摘要： 本文主要论述了通过对核电厂固体废物处理系统桶外工艺200L混合器搅拌功率 的实测，然后根据200L混合器实测功率数据，推导计算出结构相似的400L混合 器搅拌功率，并对一些影响等比放大功率计算的关键因素进行了分析计算，对 计算出的400L混合器搅拌功率进行/搅拌试验验证，在搅拌介质一致和搅拌转 速相近的情况下，其推导计算结果与实测结果非常相近。通过验证表明，对本文 所论述的搅拌桨结构，今后在搅拌介质与配方一致时，进行比拟放大或缩小设 计系列化产品，均可按照上述推导公式进行搅拌功率设计计算。 关键词： 混合器;搅拌奖;水泥搅拌;固体废物处理;试验验证; 作者简介：刘国彪（1979.7~），男，内蒙古呼和浩特人；中国核电工程有限公司 核设备所堆本体与非标设备室高级工程师;研宄方向:核电站闹体废物处理系统 工艺、设备设计及研发 作者简介：王兵臣（1983.8~），男，河北人；中国核电工程冇限公司核设备所设 备结构分析室高级工程师;研宂方向：核电站非标设备的力学分析计算 作者简介：石兵（1970.6~），男，山东人；中国核电工程有限公司核设备所堆本 体与非标设备室高级工程师;研宄方向：核电站固体废物处理系统工艺、设备设计 及研发 引言 引言 由于水泥具有优良的物理、化学及力学性能，且价格低来源广泛等优点，目前国 内核电或核设施中低放浓缩液、废树脂、废活性炭以及废过滤器芯子主要采用水 泥固化和固定的方式进行处置。目前国内核电厂固体废物处理系统主要采用桶内 水泥固化工艺，即将搅拌桨在废物包装容器内完成搅拌。本文所述工艺为桶外水 泥搅拌工艺，即在搅拌容器内利用搅拌桨完成废液和水泥干混料的搅拌混合， 然后排入废物包装容器内。 桶外混合器整个搅拌过程，实际上为搅拌桨对流体介质做功并使之发生流动， 这时需要搅拌器具有一定功率来驱动流体介质连续运转，但被搅拌的水泥浆介 质实际上是含硼和多种化学成分的废液与水泥干混料以及多种添加剂的混合物， 其成分十分复杂。搅拌过程实际上除了完成水泥干混料与废液的混合外，还是一 个复杂的化学反应过程，在搅拌过程中物料的特性除了与物料的化学成分和水 灰比有关外，还会随着搅拌吋间、搅拌速度以及介质温度等变化而变化。因此不 同的搅拌过程、不同物料特性和物料量在完成其搅拌过程时需要的动力也不同， 搅拌作业功率实际上与物料的物性参数、物料量、搅拌桨的几何参数、搅拌桶体 的儿何参数、搅拌速度等均有关系。很显然过小的搅拌器功率会使搅拌无法完成 或延长搅拌过程，过大的搅拌器功率会造成浪费动力，但是目前还没有一个比 较准确的办法来计算搅拌器功率。 目前搅拌器功率计算方法棊本上是对常用的一定形状搅拌器进行一系列试验， 在试验基础上得到试验曲线，整理出算阁，或从理论推出了与实验基本吻合的 数学关系式，但是试验和公式均有限定条件，应用时必须是桨型和同而且符合 算图或公式所限定的几何相似条件。 二、400L混合器功率等比放大计算分析 （一）等比放大计算试验装置简介 由于搅拌器功率与流体介质在搅拌器内的流动状态有关，所以凡是影响流动状 态的因素必然也是影响搅拌器功率的因素。影响流动状态的因素主要有搅拌桨的 几何参数与运转参数、桶体的几何参数、流体介质物性参数等。因此在后续利用 现有的试验或理论公式计算时，需要对限定条件逐一进行分析，确保计算结果 相对准确。 本文主耍是通过前期200L桶外混合器试验过程中的实测功率，在搅拌介质和水 泥固化配方基本和似的情况下，对400L混合器搅拌功率进行等比放大的推导计 算和试验验证。在完成200L混合器研制和试验研宄后，400L混合器的搅拌桨结 构与200L混合器的搅拌桨结构相同，尺寸进行了等比放大，后续将利用200L 混合器搅拌试验实测功率确定400L混合器搅拌功率，200L/400L桶外混合器的 主要结构示意图，如图1所示。 图1 200L/400L桶外混合器结构示意图 下载原图 由图1可知，200L混合器搅拌桨除丫直径、方向、尺寸不同外，其余均相似，即 儿何相似、运动相似、动力相似、流体介质相同，满足相似理论相似条件。 搅拌桨在运转过程中，搅拌轴承受的扭矩载荷主要来自于搅拌桨旋转过程中克 服流体阻力和流体介质作用在桶壁的摩擦力而做功。但通过定性分析认为流体介 质作用在桶壁的摩擦力矩二者区别较小。 （二）桶壁摩擦力分析计算 为了进一步分析验证400L与200L混合器因流体介质作用在桶壁上的摩擦力矩大 小不同而引起功率的差异，对作用在桶壁的摩擦力矩进行计算。物料在混合器内 搅拌流场可近似看作库塔双圆筒流场，根据流体力学理论可知，库塔双圆筒实 验