一種放射性廢物的處理系統及含其的處理方法與流程

本發明涉及放射性核廢料處理領域，具體涉及一種放射性廢物的處理系統及含其的處理方法。

背景技術：

放射性廢料的處置安全要求高，費用昂貴并高度取決于被處置廢料的體積。其中常見的有機廢物包括：放射性樹脂、可燃干廢物和化學廢液等，成分形態復雜。因此，可靠性、減容比和適應性是評價放射性廢料處理工藝的重要指標。

固化工藝通過選擇穩定性很高的固化介質，通過高溫等條件與放射性廢物生成類礦物物質，固定放射性核素。該方法能在極長的時間內固定放射性核素，是放射性廢物安全處置的關鍵。其優點包括：浸出率低、包容比大，抗輻射性能良好，是目前公認最好的高放廢物處理發展方向。

位于美國田納西的蒸汽重整技術THOR采用流化床技術集中處理放射性廢料，單套裝置為100噸/年的規模。目前，流化床技術存在著對原料要求嚴格，易磨損，飛灰量大，溫度低，設備和操作復雜等缺點。

我國由于交通等條件限制，適合于采用在核電站、核燃料加工廠和相關科研單位等就近分散處理的方法。所以，需要一種操作靈活、簡單可靠的放射性廢物處理技術。

技術實現要素：

本發明旨在解決的技術問題在于克服現有的放射性廢物的處理方法存在的對原料要求嚴格，易磨損，飛灰量大，溫度低，設備和操作復雜的缺陷，而提供了一種放射性廢物的處理系統及含其的處理方法。所提供的處理系統和方法高效、節能、簡便、安全，為放射性廢物的安全處置、核能的可持續發展提供了重要保障。

發明人在研發之初就發現，單一使用固化工藝(即簡單焚燒)易產生SO₂、NO_x和二噁英等二次污染物。并通過大量實驗證實了：如果將固化工藝與蒸汽重整工藝結合，蒸汽重整可提供固化工藝的熱源，并提供無氧或還原性氣氛，并最終收獲較好的技術效果。

本發明提供了一種放射性廢物的處理系統，其特點在于，所述處理系統包括依次連接的一固定床氣化爐、一細灰分離設備、一二燃室、一急冷塔和一凈化系統；所述固定床氣化爐的爐頂、爐膛上段、爐膛下段和爐底分別設有一進料口、一粗燃氣出口、一氣體入口和一固化渣出料口，所述粗燃氣出口與所述細灰分離設備相連，所述細灰分離設備的氣體出口與所述二燃室連接，所述二燃室的氣體出口與所述急冷塔連接，所述二燃室還設有一換熱通道，所述換熱通道包括一冷水入口管道和一熱水出口管道，所述熱水出口管道依次與一蒸汽發生器、一氣體混合器和固定床氣化爐的氣體入口連接，所述蒸汽發生器用于產生過熱蒸汽，所述氣體混合器用于將過熱蒸汽和氧氣混合均勻后，送至固定床氣化爐的氣體入口。

下面，對固定床氣化爐的結構作進一步描述：

所述的固定床氣化爐較佳地為耐火磚固定床氣化爐。采用耐火磚可以較經濟地提高設備壽命、降低熱損失。

所述的進料口、所述的固化渣出料口較佳地設于所述固定床氣化爐的爐身的中心軸向上。其中，所述的固化渣出料口較佳地還與一固化渣收集裝置直接相連。

所述的進料口的正下方較佳地還設有一分布器，所述分布器的結構為本領域常規結構，其用于提高氣化過程中物料與氣化氣體的接觸面積。

所述的固化渣出料口的正上方、所述爐膛的中下段較佳地還設有一爐箅，所述爐箅與所述氣體入口相連通，所述爐箅的結構為本領域常規結構，其用于使從固定床氣化爐的氣體入口進入的氣化氣體在爐箅上均勻分布，然后參與化學反應。

本發明中，所述細灰分離設備較佳地還設有一細灰出口。所述的細灰分離設備較佳地為一旋風分離器，其用于初步分離粗燃氣中的細灰。

本發明中，按照本領域常識，所述的二燃室還設有一空氣入口管道，用于為燃燒過程提供空氣。所述二燃室的換熱通道的作用是使燃燒過程產生的熱量被重新利用，使水加熱為熱水。

其中，所述蒸汽發生器用于將熱水轉換為過熱蒸汽。

本發明中，所述的急冷塔用于為從二燃室的氣體出口得到的煙氣快速降溫，防止產生二噁英。

較佳地，所述的氣體混合器還設有一氧氣入口。所述氣體混合器與所述固定床氣化爐的氣體入口連接，用于將蒸汽發生器產生的過熱蒸汽與氧氣的混合氣體，作為氣化氣體，送至所述固定床氣化爐中參與氣化反應。

下面，對凈化系統作進一步介紹：

較佳地，所述的凈化系統包括依次連接的一除塵器、一洗滌塔和一煙囪。其中，所述洗滌塔用于進一步除去煙氣中的可溶性物質和細顆粒。

其中，較佳地，所述的除塵器為一陶瓷過濾膜或一布袋除塵器。

其中，較佳地，所述洗滌塔與所述煙囪之間還設有一輻射監測設備，用于檢測排放的尾氣是否達標。

其中，所述煙囪為本領域常規設備，較佳地，其設有一合格煙氣出口。

本發明中，所述的“連接”具有本領域常規含義，均指以工藝管線的方式連接。

本發明還提供了一種放射性廢物的處理方法，其特點在于，所述的處理方法采用上述處理系統進行，其具體步驟包括：

(1)將放射性廢物、固化介質和固體燃料混合均勻后得混合料，所述放射性廢物中的放射性核素與所述固化介質的摩爾比為1:(1.5～100)，將所述混合料從所述固定床氣化爐的進料口進料，從氣體入口通入氣化氣體，氣化反應后，生成的粗燃氣從爐膛上段的粗燃氣出口排出，固化渣從爐底的固化渣出料口排出；

(2)將粗燃氣導入所述細灰分離設備，分離出細灰后得燃氣；

(3)將燃氣導入所述二燃室，燃燒后得煙氣；

(4)將煙氣通入所述急冷塔冷卻后，導入所述凈化系統，凈化后排出，即可。

步驟(1)中，所述放射性廢物中的放射性核素與所述固化介質的摩爾比較佳地為1：20。

步驟(1)中，所述固體燃料為本領域常規物質，較佳地為炭塊。所述的炭塊的加入量由放射性廢物的性質決定，包括：熱值、有機物含量和含水率等。所述放射性廢物與所述炭塊的質量比較佳地為1：(0.02～5)。炭塊可以提供熱量，同時產生氫氣或一氧化碳等提供還原性氣氛，塊狀結構作為骨架還可以優化反應器內氣體的流動，炭塊中的灰分極少，也有利于減容。

步驟(1)中，所述的放射性廢物具有本領域常規含義，包括具有放射性(受放射性沾污)的樹脂、塑料、衣物布料、化學廢液、泥漿和蒸殘液等固體廢物和液體廢物，其中含有放射性核素。

步驟(1)中，所述的固化介質為本領域常規物質，較佳地為粘土、方鈉石、霞石、黝方石、鈉硅鋁酸鹽和稀土鋯酸鹽中的一種或多種。

步驟(1)中，所述的氣化氣體中氧氣所占的體積比較佳地小于35％。

步驟(1)中，所述的固定床氣化爐的反應溫度較佳地為700℃～1600℃，更佳地為800℃～1300℃，進一步更佳地為850℃～1050℃。所述的固定床氣化爐的工作壓力較佳地為-100KPa～10MPa。混合料在固定床氣化爐中的停留時間較佳地為1h～30h。

其中，固定床氣化爐中發生的為蒸汽重整反應，主要反應為：

H₂O+C→H₂+CO

H₂O+CO→H₂+CO₂

3H₂+CO→CH₄+H₂O

C_xH_yO_z+NaNO₃+Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O→NaAlSiO₄+N₂+CO₂+H₂

C_xH_yO_z→C+CH₄+CO+H₂

C+O₂→CO₂

2CO+O₂→2CO₂

2H₂+O₂→2H₂O

步驟(2)中，所述的細灰具有本領域常規含義，其粒徑較佳地大于10μm。

其中，從爐底排出的固化渣為放射性廢物中的放射性核素和固化介質反應生成的穩定產物。

在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。

本發明所用試劑和原料均市售可得。

本發明的積極進步效果在于：本發明的處理方法是將固定床氣化技術與蒸汽重整技術相結合，用來處理放射性廢物，能使放射性有機廢物大幅減容并穩定固化。

(1)采用蒸汽重整技術，該技術主反應溫度較焚燒低(《危險廢物焚燒污染控制標準》要求焚燒溫度大于1100℃)，尾氣處理更簡單，廢渣較玻璃固化體更為穩定，不產生液體廢物，安全可靠。

(2)本發明利用固定床氣化爐對放射性廢物進行高溫減容固化處理，無需將放射性廢物預先處理，整個系統適用范圍廣，可處理廢樹脂、干活性廢物、衣物、化學廢液、廢油和污泥等，操作簡單靈活。

(3)固定床大幅減少了燃氣中飛灰的攜帶量，減輕了后續凈化系統的負擔，極大的降低了放射性核素泄露的風險。

(4)固定床熱解氣化爐內物料停留時間長，有利于蒸汽重整和氣化反應，使有機物充分轉化為燃氣、放射性核素完全固化，減容比高。

(5)本發明方法使放射性廢物在高溫和還原性氣氛下進行反應，不會生成SO₂、NO_x和二噁英等污染物，潔凈環保。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的放射性廢物的處理方法的工藝流程圖。

圖2為本發明實施例1的放射性廢物的處理系統的結構示意圖；

其中，1為固定床氣化爐；101為進料口；102為分布器；103為粗燃氣出口；104為爐箅；105為氣體入口；106為固化渣出料口；2為旋風分離器；201為細灰出口；3為二燃室；301為空氣入口管道；302為冷水入口管道；303為熱水出口管道；4為急冷塔；5為陶瓷過濾膜；6為洗滌塔；7為煙囪；701為合格煙氣出口；8為輻射監測設備；9為氣體混合器；901為煙氣入口；10為蒸汽發生器；11為固化渣收集設備。

具體實施方式

下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，按照常規方法和條件，或按照商品說明書選擇。

實施例1

本實施例的處理系統的工藝流程圖、結構示意圖如圖1～2所示。

本實施例提供的放射性廢物的處理系統，包括依次連接的一固定床氣化爐1、一旋風分離器2、一二燃室3、一急冷塔4和一凈化系統；所述固定床氣化爐1的爐頂、爐膛上段、爐膛下段和爐底分別設有一進料口101、一粗燃氣出口103、一氣體入口105和一固化渣出料口106，所述粗燃氣出口103與所述旋風分離器2相連，所述旋風分離器2的氣體出口與所述二燃室3連接，所述二燃室3的氣體出口與所述急冷塔4連接，所述二燃室3還設有一換熱通道，所述換熱通道包括一冷水入口管道302和一熱水出口管道303，所述熱水出口管道303依次與一蒸汽發生器10、一氣體混合器9和固定床氣化爐1的氣體入口105連接，所述蒸汽發生器10用于產生過熱蒸汽，所述氣體混合器9用于將過熱蒸汽和氧氣混合均勻后，送至固定床氣化爐1的氣體入口105。

下面，對固定床氣化爐1的結構作進一步描述：

所述的固定床氣化爐1為耐火磚固定床氣化爐；所述的進料口101、所述的固化渣出料口106設于所述固定床氣化爐1的爐身的中心軸向上。其中，所述的固化渣出料口106還與一固化渣收集裝置11直接相連。

所述的進料口101的正下方還設有一分布器102，所述分布器102的結構用于提高氣化過程中物料與氣化氣體的接觸面積。

所述的固化渣出料口106的正上方、所述爐膛的中下段還設有一爐箅104，所述爐箅104與所述氣體入口105相連通，所述爐箅104用于使從固定床氣化爐1的氣體入口105進入的氣化氣體在爐箅104上均勻分布，然后參與化學反應。所述旋風分離器還設有一細灰出口201。

所述的二燃室3還設有一空氣入口管道301，用于為燃燒過程提供空氣。所述的急冷塔4用于為從二燃室3的氣體出口得到的煙氣快速降溫，防止產生二噁英。

所述的氣體混合器9還設有一氧氣入口901。所述氣體混合器9與所述固定床氣化爐1的氣體入口105連接，用于將蒸汽發生器10產生的過熱蒸汽與氧氣的混合氣體，作為氣化氣體，送至所述固定床氣化爐1中參與氣化反應。

下面，對凈化系統作進一步介紹：

所述的凈化系統包括依次連接的一陶瓷過濾膜5、一洗滌塔6和一煙囪7。其中，所述洗滌塔6用于進一步除去煙氣中的可溶性物質和細顆粒。其中，所述洗滌塔6與所述煙囪7之間還設有一輻射監測設備8，用于檢測排放的尾氣是否達標。所述煙囪設有一合格煙氣出口701。

本實施例中放射性廢物的處理方法的具體步驟包括：

(1)將放射性廢物、固化介質(為粘土)和炭塊混合均勻后得混合料，將所述混合料從所述固定床氣化爐1的進料口101進料，從氣體入口105通入氣化氣體，氣化反應后，生成的粗燃氣從爐膛上段的粗燃氣出口103排出，固化渣從爐底的固化渣出料口106排出；

(2)將粗燃氣導入所述旋風分離器2，分離出細灰后得燃氣；

(3)將燃氣導入所述二燃室3，燃燒后得煙氣；

(4)將煙氣通入所述急冷塔4冷卻后，導入所述凈化系統，凈化后排出，即可。

步驟(1)中，放射性廢物為：放射性樹脂6m³/天、放射性可燃干廢物10m³/天。所需炭塊為：800kg/天。固化介質為(粘土)：300kg/天。固定床氣化爐1中的反應溫度為1000℃。固化渣產量為：450kg/天。所述放射性廢物中的放射性核素與粘土的摩爾比為1：20。所述放射性廢物與所述炭塊的質量比為1：0.07。

步驟(1)中，所述的氣化氣體中氧氣所占的體積比小于35％。

步驟(1)中，所述的固定床氣化爐1的工作壓力為5MPa。混合料在固定床氣化爐中的停留時間為15h。

其中，固定床氣化爐1中發生的為蒸汽重整反應，主要反應為：

H₂O+C→H₂+CO

H₂O+CO→H₂+CO₂

3H₂+CO→CH₄+H₂O

C_xH_yO_z+NaNO₃+Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O→NaAlSiO₄+N₂+CO₂+H₂

C_xH_yO_z→C+CH₄+CO+H₂

C+O₂→CO₂

2CO+O₂→2CO₂

2H₂+O₂→2H₂O

步驟(2)中，所述的細灰的粒徑大于10μm。

從煙囪排放的煙氣的主要成分：N₂、CO₂、O₂、H₂O等，滿足國標《鍋爐大氣污染物排放標準GB13271-2014》的排放要求。

對本實施例產生的固化渣進行穩定性測試，具體地，依據《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法HJ/T299-2007》對固化渣進行測試，結果表明其重金屬等有害物質的浸出實驗結果滿足環保要求。同時還采用了其它方法進行穩定性測試，具體是，參照《放射性廢物固化體長期浸出試驗GB 7023-86》和美國PCT(product consistency test)法進行測試，其結果也能滿足環保要求。

可見，本實施例產生的廢渣較玻璃固化體更為穩定，玻璃固化體雖然具有較高的抗化學介質侵蝕的能力和良好的輻照穩定性、熱穩定性和機械穩定性。不足之處是玻璃是一種自由能較高的亞穩態物質，它有通過析出晶體，釋放能量而到達穩定態的自發傾向。析出晶體的玻璃體在抗水浸出等性能上有所下降，這是安全上所不希望的。

由此可見，本發明可對核工業中產生的放射性有機廢棄物進行高效減容固化處理，處理后產生穩定的固化渣和煙氣。通過本發明的實施，可以為放射性有機廢棄物的安全處理探索一條新的途徑，具有顯著的經濟和環境效益，符合我國發展循環經濟和生態工業的需求。

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護范圍。