从液体和粉状物质组成的浆液中除去液体的系统的制作方法

专利名称:从液体和粉状物质组成的浆液中除去液体的系统的制作方法
本发明与一种从液体和粉状物质组成的浆液中除去液体的系统(方法和设备)有关，该系统特别适合除去离子交换树脂粉末、过滤介质和其它粉末物质浆液中的液体。而这类粉状物质在核电厂中对水进行净化和去污处理时常用，在处理后它含有低剂量的放射性。
本发明尤其适用于粉状浆液和泥浆。本发明能用在那些可对除去液体后的粉状材料进行压缩处理的地方。因此在这里称之为“粉末”的这一术语应当是指可进行压缩处理的颗粒状物体以及粉末浆液、泥浆和别的可进行压缩处理的物质。
诸如在核电厂水处理和过滤操作中所使用的离子交换树脂那样的粉末介质均含有放射性离子和其它的物质。这些介质用过和报废之后，必须用一种极为有效的方法来进行掩埋处理，因为掩埋的成本是由所用掩埋场地的体积大小决定的。因此，必须从浆液中除去水分得到待进一步处理的粉末。放射性粉末浆液中的水分必须保证去除到符合政府的规定自由驻留水极限以下。脱水过程不希望太缓慢，因为这会使工作人员可能受到较高剂量的辐射。
除水通常是要求在大家称之为屏蔽衬筒的容器内进行，由于容器(可以是一个钢筒)外衬一个铅套，所以可以屏蔽由这些污染过的材料里产生的核辐射。通常要求在衬筒内对浆液进行脱水处理，并与衬筒内的装置(容器的内部零件)一起进行掩埋处理。
在此以前，废弃的粉末介质浆液是利用分布在屏蔽衬筒内的多重过滤器组进行脱水的。通过这些过滤器组，水就过滤出来并被排走，但由于粉末会堵塞过滤器的表面，因而脱水的成功率各不相同。过滤器芯柱占据了容器的大部分空间，因此要求容器能占有更大的体积。扼要的说，就是容器化的容积效率很低。除非对位于衬筒底部的过滤器进行反复的冲刷或化学处理，否则它极易被某些粉状材料所堵塞而不能再使用。
即使未使用过的粉状离子交换树脂处在“标准”的状态下，亦含有58%到60%(重量)的水。这种水不是自由水，更确切地说这些水被束缚在树脂的结构内。即使对过滤器抽真空来脱水，在经过一个长时间的过滤处理之后，脱完水的粉状树脂仍含有72%到78%(重量)的水。这种树脂利用简单的加时脱水处理后，仍能继续放出自由水，这种现象是不希望发生的，因为要掩埋处理的容器被水占有一部分而造成容积的浪费，而在容器内有自由驻留水存在时，对环境保护来说也是不利的。
在真空过滤期间，当在过滤器表面形成一个物质实体(饼块)以后，脱出的水量才不再增加。当过滤处理继续进行时，饼块收缩，而且在过滤器表面产生足够大的应力，使得饼块突然与过滤器元件脱开，裂纹继续发展，很快扩展到饼块的表面，使空气可以自由流入过滤器，破坏了过滤器中的抽吸作用，当发生这种情况时，抽吸作用(在过滤器表面形成水封)的消失，一般可认为是过滤作用的结束。然而饼块里仍然含有水，数量级通常为72%-78%(重量)，而这些水可以通过时间更长的处理之后脱出。
本发明利用压缩物质实体(饼块)的方法来保持过滤器的水密封状态，这样就可以继续进行脱水而且使饼块中的含水量低于通常能接受的程度，例如过去为58-63%，而现在含水53%(重量)。另一个好处是在设有增加衬筒的体积(它完全为过滤介质所占用)的情况下，加大了过滤器的表面积，这就使得每单位体积粉末浆液占用的过滤器面积变大，从而加大脱水速率。此外在容器中过滤器占有的体积要比脱完水后密实的粉末占有的体积小得多，因而使掩埋处理的容积效率更高。
因此本发明的主要目的就是提供一种改进了的系统(方法和装置)，从液体和粉状介质浆液中，特别是从核电厂水处理和净化去污过程得到的那种废弃粉末介质浆液中把液体除去。
本发明的另一个目的在于提供一种能把粉末介质浆液进行压实处理的改进系统，这样在容器中除去的水分将此单独利用真空过滤所能达到的多得多。
本发明的另一个目的是对在核电厂运行过程中产生的离子交换树脂粉末、粉状过滤介质以及含粉料浆液进行的脱水及处理作业提供一个改进的系统。
本发明还有一个目的是对废弃的粉末状离子交换树脂和其他粉末介质进行预备处理，以在掩埋时提供一个容积效率很高的改进系统。
本发明还有一个目的是提供一种改进的系统，以对粉料浆液进行脱水、压实、和容器化处理，所有这些处理过程都可以在灌满浆液的容器内极快地完成。
扼要地说本发明可把像水那样的液体从液体和粉末浆液中脱出，而且在容器内的过滤器上把粉末压成一个像饼块那样的实体，使水像真空过滤时那样通过过滤器而被除去。尤其是在向着过滤器的方向上，这个饼块实体被压缩并紧靠着过滤器，因而可以保持液体密封并防止抽吸作用被破坏，液体也就可以连续不断地被排走。按照本发明提出的方法，利用减小过滤器周围区域的容积，就可以更好地进行压实处理。一种软质材料制成的口袋，安放在容器中粉末实体(或饼块)的周围。把此袋抽空，会将饼块紧压在过滤器上，以保持液体密封，并使液体不断排出。当所有的水(除了束缚在粉末结构内的水以外)基本上排净时，脱水处理结束。在饼块被压实后，容器里口袋内空出来的空间就可再装满另一些浆液，并重复上述过程，因此可以保持浆液脱液过程中有效地利用容器的体积。
读了下面与若干附图有关的文字说明后，就能更为清楚地了解前面所述本发明的另一些目的、特点、优越性以及目前所用的最好方法法，也就知道什么是实现本发明的最佳方案了。
图一是一个把水分从粉状树脂浆液中脱出的系统简图。这些树脂的颗粒大小平均为30到50微米。它们可以是在核电厂中水处理和过滤用的粉状介质浆液，这种粉末介质的商品名称为“Powdex”“Ecodex”和“Epifloc”。
图二是一个过滤器组单元的不完整的剖面图。这个过滤器组单元可以是图一中筒形容器或衬筒内的过滤器组中的一个。
图三是图二中沿3-3线的局部剖面图，但带有修正的镶板或鳍状的结构。
图四是根据本发明的另一方案制造的衬筒的前正视图，图中给出了一部分剖面，以显示容器的内部结构。
图五是图四右侧并沿着图六中衬筒5-5线的正侧视图，它的内部情况示于图四。这图同样是剖开的，以示出内部情况。
图六是图四中沿6-6线的局部平面图。
图七是把一根排放管联接到图四、五和六中所示容器内部零件或容器里一个镶板的凸缘上的不完整视图。
首先参考图一，那里示出了筒形容器或衬筒10，它可以是一个钢筒。所示出的筒形容器是典型的55加仑筒。这系统同样也可以利用更大些的筒，例如170到200立方呎容积的筒。这种筒可以是铅容器的内衬筒，放在铅容器里衬筒可以运到掩埋地点，在现场把衬筒(里面装满了除去水分的粉末介质)从铅容器中取出来然后掩埋掉。
筒10的匆部12有一个带有平板14的凹槽。一个联接器(环)16位于平板的开口中。此联接器装有一个带注入管20和排放管22及24的喷嘴。喷嘴内环绕注入管的环形空间26通过联接器环16与筒内相通。一个排气管28通过喷嘴壁联接到这个空间26，并与筒10的内部相通。一根电缆30从液面传感探头32通过环16和喷嘴18到达联接器或插座34，这探头32是容器内部零件之一部分，将与容器10一起被掩埋掉。液面显示器36将液面探头的输出(此输出是随着筒10内浆液液面高度变化而变化的电参数)转换成人们懂得的显示，例如市场上可购到的那种发光二极管(LED)型显示。
液面探头是一根导电材料制成的管或棒，它的底部用绝缘套管密封，例如用聚氧乙烯(PVC)套管来密封，这种套管可以紧贴在管子上。在图二中该管子为33而套管为31。管33的顶端和底端均用套管密封。传感探头的电容器随着浆液液面的变化而变化。液面高度可以显示出来，例如可以用一个体积充满程度的百分数值在显示器16上显示出来。有关液面探头32的设计，以及得到表示筒10内液面高度输出的电路的详细信息可以参考美国专利申请序列号_，于1986年2.26以John C.Homer的名字提出申请，并转让给与本申话相同的受让人(ST-112)。简要的说，探头32的电容器被转换成随筒10中浆液液面高度变化而变化的电压。这电压是由对电容重复充电得到，而利用在每一个重复周期内接通的计测器将电压变换成数字。记录在计数器中的记数是多位二进制信号，由它来驱动发光二极管显示器36。
喷嘴以及与它相联的管道可以与环形联接器16相接，以在将浆液脱水的同时向筒10输装浆液。当脱完水的浆液装满筒10时，就卸下喷嘴18，将一个盖子旋拧或压合到凹槽14上，以把钢筒10的顶部12密封住。已充满的钢筒速同它的内部零件一起运到处理现场并掩埋掉。
除液面探头外，筒的内部零件还有一个顶部和底部过滤器镶板或鳍板组40及42。图中示出的顶部组件40和底部组件42中只有一个要用到，最好使用顶部组件40。每个组件包括很多径向放置的过滤器镶板或鳍板44。由图一可以看出，组件40及42用了四个这样的鳍板。在图二的过滤器单元方案中，可以看出8个可以使用的附加过滤器鳍板。过滤鳍板是垂直安放的，以得到较大的过滤表面。当筒10装满浆液时，最佳过滤器镶板的面积为每立方呎浆液1平方呎。
过滤器镶板44最好采用蜂窝状塑料板48及50。这些板有球形部分，彼此由板钢联接在一起。在相邻的板中间球形部分互相错住住，以给基本上清洁的水提供一个通过镶板芯部的通路，而芯部则由板48及50提供。板的芯部还可以使用另一种结构，这种结构将提供一种迷宫式通路，例如这种通路可以用内部具有大量相互联通的空隙的泡沫塑料构成。过滤作用由纤维织物复盖层52及54所提供，它们最好是用若干多孔材料薄片组成，例如用聚丙烯做，这样就可以沿着镶板的顶部和底部边缘56和58以及外端部60(见图三)的边沿热封起来。在图四-七(尤其是图七)所示的本发明的具体方案中，所用过滤镶板的纤维复盖层沿着自己的全部边缘都是密封住的。
镶板很柔软而且可弯曲，因此可以卷成一个密实而又大致成园柱形的组件，它的直径要此镶板放开时的直径小，并且有要回到图一二三所示的位置上的径向弹性。将柔软的径向鳍板能卷绕成螺旋状十分重要，因为这样就得到一个直径变小了的组件，可以通过衬筒上的人工通道(孔道)，把它插进一个现成的空衬筒里。举例来说，用常规方法设计的170立方呎衬筒，它的直径是72吋，在它的顶部有一个22 1/2 吋直径的人工孔道，当鳍板44或46处于展开位置时，过滤器组件的直径大约为68吋，垂直取向的径向鳍板很柔软，可以卷绕成螺旋形，并用一根布带捆在每个鳍板组件的中部，就可将此园柱体的直径保持在一个较小的值，这样该组件就能通过人工通道装入衬筒，把布带切断或解开后，径向过滤鳍板就可展开。因此现有的衬筒可以与它的内部零件一起根据本发明重新改装后，就成了一个能使浆液脱水的装置。
鳍板44的组件40及42是组装在一个中心管或立管60上的。这管静放在筒10的底部13(它可以各呈园锥形)的中心，或是园锥形底13的顶部。这组件是按照鳍板44对中的，而且被在脱水过程中积累的已脱完水的粉末实体或饼块支撑住。液面探头利用支架62可以与管60接触并由它支撑住。管60可以是塑料管，例如聚氯乙烯(PVC)管，它由很多段组成并相互接合(螺纹联接或粘接)在一起。支持顶部过滤鳍板组40的一段与支持底部过滤鳍板组42的一段可以是相同的。每一个都包括一个管段62，它的二端接有管段64及66。这接合段66可以利用合适的粘合剂粘接一个与管段62相似的管段来加长和联接，而管段62则支撑住底部过滤鳍板组42。
过滤鳍板是用许多铆钉68铆接到管壁上的。在铆钉之间配置有许多过滤排泄孔70，通过多孔纤维板54与镶板44或46的内侧相通。在图二所示的e个鳍板组情况下，芯板48之间可以相通，此芯板要比另一个芯板50长一些，并夹在管62与相邻的镶板46之间。通过过滤器和通孔70，液流可以进入管段62。管段62上有一个开孔，在上面装有一个连接管74。例如，连接管74可以通过接头76接到管段78和80上，而78和80则伸进接合环16中。当喷嘴18插进联接器16中时，过滤导管22和24就联到底部过滤器的排泄管80和顶部过滤器组的排泄管78上。
园盘82和84将40和42每一组的管段62顶部和底部密封住。通过过滤器镶板组40及42、管60以及过滤排泄管22、24、78和80，用真空过滤就可将浆液脱水。
真空过滤只能使浆液部分脱水，例如仍有72%到78%可排除的水保留在粉末中。这主要是饼块中有收缩和开裂所造成的。这种收缩和开裂现象很快地发展到位于过滤器上的饼块表面，空气就可以自由地从裂口流入过滤器，至使真空过滤终止。
在本发明中，容器内部的零件包括有一个由软质材料制成的口袋90，围在过滤器鳍板组40和42四周。这个口袋在饼块实体和过滤器鳍板组周围圈定了一个可变容积区。如图一所示，这口袋可以扩展到罐的底部13，或者可以沿着低于底部过滤器鳍板组42的侧壁进行密封。口袋的颈部92被密封在联接器环16上。在盖12与口袋顶部之间的空间最好用一个多孔塞94与大气相通。口袋90可以用任何一种柔软而无孔的材料做成。最好是用塑料如聚乙烯制成。这口袋是用来将饼块压到过滤器单元的鳍板上，直到真空过滤作用达到极限为止。压紧后的饼块能在过滤器上保持住液体密封，使真空过滤作用继续下去，否则此液体密封就会由于饼块的开裂而破坏。更进一步的脱水处理可以一直进行到使饼块中的水分比“可接受的条件”更低为止，例如可接受的值是58%到63%，而实际达53%。这已经不止是脱掉自由驻留水，而且包括了树脂材料结构内的水。因此这种脱水处理方法能确保达到脱水极限，也可确保残留的自由驻留水符合政府规定的要求。此法的另一个优点是饼块一经压缩，在口袋内留出的空间就可加进新的浆液，因而新的浆液就可以进入筒内，并重复脱水的循环，直到筒10的整个容积基本上全部被利用完为止。这样就提高了掩埋处理和容器化的容积效率。
图一画出了与筒10及其内部零件的装置一起使用的脱水设备。主要的组件有一个风机或真空泵100(即一台旋转叶片式风机，它可以产生高速气流，例如速率可达每分钟300立方呎)，它由马达102驱动，并用手动开关(HS)104控制。真空泵接在水分离贮存罐106的顶部，而它的压力由表头101监测。罐内装有一个液面元件108(LE)，用导线与液面开关(LS)相联。此元件可以产生一个电讯号来控制还排量活塞泵(最好是用隔膜泵110)的起动或停止。
泵110是一个用压缩空气操纵的泵，利用一个普通的阀门可以使泵起动，控制部分在图中112处画出。当隔膜泵工作时，通入压缩空气打开旁通阀114，使得由真空泵100产生的压力降到低于15吋水银柱，并使泵100和110同时运行。这个泵也可以是旋转叶片泵，它可以产生高速空气流，例如可达到每分钟300立方呎的速率。通过阀门116把真空泵的回气管接到排气管28上。回气管及排气管28可以返回到设备的加热器、通风设备及空调(HVAC)回路，或是通过HEPA(高速粉尘过滤器)通入大气。
从浆液贮存罐来的浆液通过输入管118和阀门120送入喷嘴18上的注入管道内。隔膜泵110的排出物可以返回到浆液贮存罐。与浆液输入过滤排泄、压缩空气以及空调或大气返回管线的联接，最好用快速拆卸接头122、124、126及128。过滤管线22及24可用阀门130和132联接到水分离贮存罐106的顶部。
处理过程是以通过管118和阀门120将粉状介质浆液注满筒10开始的。浆液被泵出或在其重量压力下直接排到过滤镶板组40顶部上面的管60的顶部内。随着浆液的注入会引起明显的端流，这样就能防止过滤镶板的表面被堵塞。如果浆液中细颗粒量较高时就容易发生这种情况。因此希望在浆液沉淀以前就开始真空过滤。如果把过滤器组保持在筒10底部13的上方，就可以大大减少堵塞的可能性。应一边观察液面显示，一面继续注入浆液。当筒被注满后，浆液输入阀120就关闭。真空泵起动，阀130和132打开。在注入浆液和进行真空过滤期间叶片阀116一直开启。
真空泵工作时水就从浆液中脱出，通过过滤镶板和过滤排泄管80和78送到贮液罐106内。当贮液罐液面达到一定水准时，就会使液面之件和开关LE及LS108断开，压缩空气就被送进泵110，而滤出液被排到浆液贮存罐里。这一过程一直进行到在筒中形成较大的饼块时才停止。饼块在过滤鳍板44周围不断增大，随后由于自身重量或水流减弱而使之从过滤器上脱落下来。如果需要，可以通过管联接使真空泵反过来进行冲刷，并使饼块脱落到衬筒10的底部。绝大部分过滤作用产生于顶部镶板组40里。对于某些浆液来讲，最好只利用位于衬筒10上部的顶部过滤器组，例如在图四到七所示装置方案中画出的那样。
液面显示器36将会指示出真空过滤引起的流量下降情况，因为由液面传感器显示出来的液面将变化很小，同时也指示出留在筒10内基本上还是湿的饼块的液面位置。当然，如果浆液流动停止，真空泵100只泵空气，表101又返回指向大气压力时，就表明真空过滤处理已达到了极限。因此液面显示36和(或)没有过滤浆液排出都可以作为开始进行下一个处理过程的讯号。
于是排气管线28就关闭，在下一个处理过程开始时浆液输入阀120也关闭。这样就可对袋90的内部抽真空。抽真空时的气路和真空过滤处理时一样，但是在阀116处的排气口是关闭的，这样袋就用抽空而贴到饼块表面上，同时把大气压力传送到饼块表面。由围着饼块的口袋所圈定的可变体积区域就变小了。大气压力通过多孔塞94就可传递到饼块的表面，而真空泵100通过过滤鳍片组40和42继续将袋抽空。当表头101指示约为24吋水银柱压力时，饼块受到围在它外表面的袋的压力约为每平方吋12磅。由浆液或饼块中的水使此口袋提供了有限的密封，直到水流停止时为止。此压缩作用可以持续几个小时，例如4到5个小时。通过压缩使自由水经过滤板和排泄管60流入贮液罐，再由隔膜泵110将它排送到贮存罐。
经过一次压缩循环之后，在衬筒10内仍留出了一部分体积可以再注入浆液。这种循环可以重复下去，直到衬筒完全被脱完水的淤浆所充满为止。
参照图四到七，可以看到本发明的另一个具体方案，对于相似的部件标以相同的标记数字。在此方案中过滤板150设计得与图二和四中的板相同，它装在直立(焊在153上)在衬筒200的底部156上的框架“A”上。这些过滤板彼此互相平行。这些框架则由联结杆154固定成一条线。如图七所示，排放管160联接到过滤板上，并沿着边缘伸出。在过滤板的内部，管160开有孔162，管160沿着筒200的边缘在护板166下方引出。筒200装有浆液充满管路180和一个充填接头181，这样就可以利用向上延伸充填管路180(未示出)的方法，在过滤板附近筒的顶部提供高速液流，以增强湍流效应。排放管160可以接到一个复式排放集合管168上，这样就能通过排放管170联接到位于筒200顶部171上密封盖176(类似于图一中的盖14)的一个螺纹管接头172上。排气管182和它的接头同样亦位于筒200的顶部171上。接头172、181和182可以是快速拆卸接头，它们可以联接到如图一中所示的充填、排气和排放管20、28、22及24上。
过滤板组被一个由软质材料制成的袋所围住，袋的底部是敞开的，而且可以沿着袋的底边204密封到筒200的壁上。可用胶粘来进行密封。袋的颈部则与排气管相联。
图四到七中所示的装置的使用过程与前面有关图一的说明相同，而且可以利用同样的泵、贮存罐和管路系统。
从前面的叙述可以很清楚地了解到，这里提供了一种从浆液中脱除液体的改进系统(方法和装置)，特别是提供了一种能用于核电厂内水处理和过滤中对所用的粉末、树脂和过滤材料进行脱水的改进系统。这里提供了二种使本发明得以实现的具体方案，同时也对所用的设备和技术作了叙述，可以预期在本发明的范围内，对上述设备和技术作些变化和修改，在工艺上将毫无疑问地更为此熟。因此前面的叙述应当只看作是解说性的，而不应是规定性的。〉
权利要求
1.一种在容器内从液体和颗粒材料组成的浆液中排除液体并压实淤浆的方法，它的特点为通过过滤器把该液体排出，并在该过滤器上形成颗粒材料的实体；然后在向着该过滤器的方向上，将该实体压实，与此同时又能继续通过该过滤器把该液体排出。
2.按权利要求
1中所述方法的另一个特点是在该容器中，于该过滤器和该实体周围，圈定了一个体积可变的腔室。减少该腔室的体积就能压缩该实体，对该腔室抽真空就可以减少该腔室的体积。
3.根据权利要求
2中所述方法的另一个特点是用一个由软质材料制成的口袋，把该实体和过滤器围起来，对该口袋抽真空就能减少该腔室的体积。
4.根据权利要求
3中所述方法的另一个特点是通过该过滤器将该容器内的该液体泵出，直到该粒子群形成一个饼块为止;当通过该过滤器的该液体流停止时，就开始进行上述抽真空步骤并继续该泵出步骤。
5.按照权利要求
4中所述方法的另一个特点是终止该口袋的上述抽真空步骤，在该实体被压缩后，向该口袋内该容器的空间部分再次注入浆液，随后重复上述抽真空步骤，以增加该容器容纳该实体的体积。
6.对用来从水和粉末颗粒性材料组成的浆液中把水脱出的装置来讲，它的特点是容器具有一个上部和一个位于容器底部与上部之间的较低部分;为了从该浆液中过滤水而在容器顶部专门设置的装置;以及把浆液注填到该容器面向过滤设备的上部分内的装置。
7.根据权利要求
6中所述装置的特点是该过滤设备包括一组垂直地安放在该容器中的过滤镶板，以及在该设备中，该板组径向地展开在垂直地伸展在该容器中的一个轴的周围。
8.根据权利要求
7中所述装置的特点在于一根管道沿着该垂直轴延伸，该板组有若干内部联结端头与该管道相联，对液体有流通关系，该板组是可弯曲的，而且可以沿对着该管道的螺旋形路径移动，从而使它的直径比板组径向展开时的直径小，这样该管道和板组就可以通过比该容器直径小的开孔，装入该容器内。
9.对含有粉末材料的浆液进行脱水的装置有以下特点，它有一个用来填注该浆液的容器;当该湿的粉末实体在该容器中形成时，该装置可以使水从该容器里排出;该装置在该容器中上述实体的周围可形成一个容积可变的区域;而当把水从该实体中排出时该容积就减小。
10.根据权利要求
9中所述装置的特点在于限定该可变容积的装置就是一个由软质材料制成的口袋;可以用对该口袋抽真空的方法来减小该区域的体积。
专利摘要
把浆液注填进一个容器内，就可以从水和粉状材料组成的浆液中把液体排除掉。此容器包括有过滤器，排列在容器上部的特制过滤板组。通过这些板组就可以把水过滤掉，而在容器中留下一个粉状材料的实体(“饼块”)。至少要在过滤器的侧面和顶部用一个由软质材料制成的口袋围住，这口袋圈定了一个容积可变的区域，可以通过抽真空的方法把饼块压到过滤器上，以防止过滤器的抽吸作用被破坏，并可以使过滤器继续排出饼块中残留的水分。
文档编号B01D29/88GK87101678SQ87101678
公开日1987年9月30日 申请日期1987年3月4日
发明者约翰·斯·霍尔莫 申请人:通用信号公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan