CN107887047A - 核电厂放射性废物处理*** - Google Patents

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张亚楠
姚兵
刘昱
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Abstract

本发明公开了一种核电厂放射性废物处理***，其包括：混合气体输送装置、流化床、过滤器和氧化器，其中，流化床、过滤器和氧化器依次通过管线串联连接在混合气体输送装置的下游，流化床入口还通过管线连接有添加剂供给装置。相对于现有技术，本发明核电厂放射性废物处理***结构简单、制造成本低、放射性泄漏风险小、废物排放量少、能同时处理废树脂和有机液体废物，具有很好的市场应用前景。

Description

核电厂放射性废物处理***
技术领域
本发明属于核电领域，更具体地说，本发明涉及一种核核电厂放射性废物处理***。
背景技术
核电厂放射性有机固体废物如废树脂、纤维类物质(抹布、纸、衣物类、木材等)、塑料、橡胶类等物质或有机液体废物如废油、废油脂等主要通过焚烧进行处理，将废物作为燃料送入焚烧炉中，在高温条件下(一般为900℃左右)，废物中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈化学反应，放出热量，最终转化成高温烟气和固体残渣。但高温焚烧技术存在一些缺陷：
1)存在燃爆现象，当焚烧炉内可燃气体浓度瞬间骤增，或可燃气组成成分处于***范围内而又突遇明火时，会使焚烧炉出现瞬间超压或燃爆；
2)焚烧后产生的固体废物包括细渣、底灰、锅炉灰、飞灰等灰渣，废物中大部分的核素进入了这些灰渣中，但灰渣的稳定性低，需对灰渣进行进一步固化或其他处理；
3)有机固体废物废树脂中含有较多水分，在焚烧前需要进行干燥处理，且废树脂热值不高，增加了处理难度；
4)焚烧过程中产生二噁英等二次废物，处理过程难，而且费用高；
5)装置投资成本高，公众接受难度大，不利于推广。
有鉴于此，确有必要提供一种装置简单、制造成本低、放射性泄漏风险小、废物排放少、有利于工业推广的能同时处理废树脂和有机液体废物的核电厂放射性废物处理***。
发明内容
本发明的发明目的在于：克服现有技术的不足，提供一种装置简单、制造成本低、放射性泄漏风险小、废物排放少、有利于工业推广的能同时处理废树脂和有机液体废物的核电厂放射性废物处理***。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂放射性废物处理***，包括混合气体输送装置、流化床、过滤器和氧化器，其中，所述流化床、过滤器和氧化器依次通过管线串联连接在所述混合气体输送装置的下游，所述流化床入口还通过管线连接有添加剂供给装置。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述混合气体输送装置包括混合气体发生器和加热器，加热器入口与混合气体发生器出口通过管线连接，加热器出口与流化床入口通过管线连接。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，还包括与氧化器出口通过管线连接的后处理装置，所述后处理装置包括酸性气体吸附装置和空气过滤装置，酸性气体吸附装置入口与氧化器出口通过管线连接，酸性气体吸附装置出口与空气过滤装置入口通过管线连接。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述酸性气体吸附装置连接有转运容器。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述空气过滤装置包括风机和高效空气过滤器，所述风机入口与酸性气体吸附装置出口通过管线连接，风机出口与高效空气过滤器入口通过管线连接。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述空气过滤装置通过管线与烟囱连接，空气过滤装置与烟囱之间的管线上设置有放射性监测装置。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，还包括与流化床通过管线连接的废物储存和输送装置，所述废物储存和输送装置包括并联连接的固体废物装置和液体废物装置，所述固体废物装置包括固体废物储罐和与固体废物储罐通过管线连接的固体废物给料泵，所述液体废物装置包括液体废物储罐和与液体废物储罐通过管线连接的液体废物给料泵。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述流化床在微负压下运行。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述过滤器底部出口连接有固体废物收集罐。
作为本发明核电厂放射性废物处理***的一种改进，所述加热器将温度加热到600～750℃。
与现有技术相比，本发明核电厂放射性废物处理***具有如下优点：
1)能同时处理放射性废树脂和有机液体废物，解决了核电厂放射性有机液体废物长期贮存的问题；
2)能有效减少废物排放，对放射性有机液体废物可完全实现无机化；
3)可将99％以上的放射性核素束缚在固体残渣矿物中，形成的最终产物稳定性好，核素浸出率优于水泥固化体和玻璃固化体，可收集在处置容器中直接进行安全处置，不需二次处理；
4)整个***在非富氧环境下进行，没有燃烧，不会产生二噁英等剧毒物质，尾气产物主要为N2、CO2、H2O等无机物，对环境影响小；
5)无废水排放，避免了二次废水污染和再处理的问题；
6)***在负压环境下运行,减小了放射性泄露的风险，酸性气体最终经碱液中和处理，对***中设备腐蚀性小。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电厂放射性废物处理***进行详细说明，其中：
图1为本发明核电厂放射性废物处理***的结构示意图。
附图标记：
10-混合气体输送装置 100-混合气体发生器 102-加热器
12-流化床 14-过滤器 16-氧化器
18-添加剂供给装置 180-添加剂储罐 20-废物储存和输送装置
200-固体废物装置 200a-固体废物储罐 200b-固体废物给料泵
202-液体废物装置 202a-液体废物储罐 202b-液体废物给料泵
22-后处理装置 220-酸性气体吸附装置 222-空气过滤装置
222a-高效空气过滤器 222b-风机 224-转运容器
226-放射性监测装置 24-固体废物收集罐
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1所示，本发明核电厂放射性废物处理***包括：混合气体输送装置10、流化床12、过滤器14和氧化器16，其中，流化床12、过滤器14和氧化器16依次通过管线串联连接在混合气体输送装置10的下游，流化床12入口还通过管线连接有添加剂供给装置18。
混合气体输送装置10包括混合气体发生器100和加热器102，加热器102入口与混合气体发生器100出口通过管线连接，加热器102出口与流化床12下部入口通过管线连接，加热器102的入口设置在下部，加热器102的出口设置在上部，从混合气体发生器100中出来的混合气如水蒸气、氮气、氧气等从加热器102的下部进入，经过加热器102加热至600～750℃后，从上部出来进入流化床12，用以控制流化床12中的反应氛围和温度。加热器102采用下进上出的设置方式，便于对混合气体进行充分加热。
流化床12下部的入口分别通过管线与混合气体输送装置10和添加剂供给装置18通过管线连接，流化床12的出口设置在顶部，并通过管线与过滤器14下部入口通过管线连接。***工作时，流化床12内的压力为微负压，压力值约为-0.01MPa，用于保证待处理废物、添加剂以及混合气体顺利进入流化床12，在流化床12中，放射性废物在水蒸汽、氧气、氮气、炭和添加剂存在的气氛下发生水汽重整反应，放射性废物裂解成小分子物质如有机酸、芳香烃、焦油、甲烷、氢气、一氧化碳等。发生的反应主要如下：
CxHyOz→C+CH4+CO+H2+烃类等其他产物；
CH4+H2O→CO+3H2；
C+H2O→H2+CO；
CO+H2O→CO2+H2。
在流化床12中，放射性废物发生热解后，其携带的放射性核素60Co、137Cs、99Tc等与添加剂反应生成新的矿物岩，生成的矿物岩属于长石类矿物，这种矿物结构可将放射性核素牢牢捕获于晶格间，最终使核素浸出素低，长期稳定性高，利于储存，在此过程中，可去除绝大多数放射性核素。
放射性废物在流化床12中经过水汽重整后，由于混合气体的气流压力，将重整后的混合物从流化床12顶部的出口排往过滤器14进行过滤粗分离。
过滤器14为高温过滤器，用于分离气体和固体，下部的入口通过管线与流化床12的顶部出口通过管线连接，顶部和底部各设有一个出口，顶部的出口用于将气体物质通过管线输送到氧化器16进行氧化分解，底部的出口用于将生成的固体物质收集到固体废物收集罐24。在***运行过程中，流化床12中生成的矿物岩和二次气体在混合气体水蒸气、氧气和氮气的作用下经流化床12流向过滤器14，固体颗粒经过滤器14截留，在重力作用下聚集在过滤器14的底部，然后通过管线经固体废物收集罐24收集处理，二次气体分离后进入氧化器16进行氧化分解。
氧化器16的入口设置在顶部，出口设置在底部，因为产生的二次气体中氢气、甲烷、一氧化碳等气体的密度比空气小，因此将入口设置在顶部，便于二次气体充分反应。氧化器16的工作温度约为1050℃，压力为负压，约-0.02MPa。氧化器16对二次气体中未完全氧化的物质(H2、CO、CH4等)进一步氧化，由于氧化器16内属于非富氧环境，各物质不发生燃烧，而是被缓慢氧化，最终生成二氧化碳、氮氧化物、水蒸汽等物质。发生的反应主要有：
2CO+O2→2CO2；
2H2+O2→2H2O；
CH4+2O2→CO2+2H2O；
2SO2+O2→2SO3；
4NH3+3O2→2N2+6H2O。但不局限于这些，具体根据放射性废物的主要成分而定。
添加剂供给装置18包括添加剂储罐180和输送电机(未示出)，通过管线与流化床12的下部入口连接，添加剂储罐180用于储存添加剂，添加剂选自高岭土、含有Cl-的盐、含有OH-的碱、含有SO4 2-的盐中的一种或几种，根据需要，也还可以含有F-的盐，含有Cl-的盐主要为NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2等，优先选用NaCl；含有OH-的碱主要为NaOH、KOH、Ba(OH)2等，优先选用NaOH；含有SO4 2-的盐主要为Na2SO4、K2SO4等，优先选用Na2SO4。添加剂储罐180中添加剂以高岭土为主要原料，加入少量的NaCl、NaOH、Na2SO4等盐类物质，通过输送电机(未示出)输送到流化床12中，使放射性废物热解后脱离的放射性核素与添加剂发生反应生成性能稳定的矿物质，实现对放射性核素的包裹。添加剂供给装置18输送到流化床12中的添加剂量可通过现场处理废物量的多少进行控制。
本发明核电厂放射性废物处理***还包括与流化床12下部入口通过管线连接的废物储存和输送装置20，废物储存和输送装置20包括并联连接的固体废物装置200和液体废物装置202，固体废物装置200包括固体废物储罐200a和与固体废物储罐200a通过管线连接的固体废物给料泵200b，液体废物装置202包括液体废物储罐202a和与液体废物储罐202a通过管线连接的液体废物给料泵202b。
固体废物储罐200a中储存的固体废物通常为废树脂、活性炭等浆液，固体废物储罐200a上设置有固体废物入口(未示出)，用于往固体废物储罐200a储存废物，固体废物储罐200a具有一定的屏蔽功能，能够防止放射性物质泄漏。
固体废物给料泵200b用于将固体废物储罐200a中的固体废物输送到流化床12中进行反应，并可通过管线上设置的阀门对固体废物的输送量进行控制。
液体废物储罐202a中储存的液体废物通常为废油和废油脂，液体废物储罐202a上设置有液体废物入口(未示出)，用于往液体废物储罐202a储存废物，液体废物储罐202a也具有一定的屏蔽功能，能够防止放射性物质泄漏。
液体废物给料泵202b用于将液体废物储罐202a中的液体废物输送到流化床12中进行反应，并可通过管线上设置的阀门对液体废物的输送量进行控制。
为了使***的废物处理功能更加完善，本发明核电厂放射性废物处理***还包括后处理装置22，后处理装置22与氧化器16出口通过管线连接，后处理装置22包括酸性气体吸附装置220和空气过滤装置222，酸性气体吸附装置220入口与氧化器16出口通过管线连接，酸性气体吸附装置220出口与空气过滤装置222入口通过管线连接。
酸性气体吸附装置220主要为盐溶液储罐，通过加入一定浓度的NaOH溶液去除酸性气体，并通过测试溶液中的pH值来检验酸性气体的去除程度，酸性气体吸附装置220的下部设置有出口，并与转运容器224通过管线连接，待盐溶液与酸性气体反应一段时间后，溶液的pH值会逐渐减小，其吸附酸性气体的能力会逐渐减弱，需对盐溶液进行更换，因为经流化床12、过滤器14和氧化器16处理后，盐溶液的放射性含量极低，因此将反应后的盐溶液通往转运容器224，并送至核电厂的蒸发装置进行后处理，然后往盐溶液储罐中增加新配置好的NaOH溶液，继续对酸性气体进行吸附。
空气过滤装置222包括风机222b和高效空气过滤器222a，风机222b入口与酸性气体吸附装置220上部出口通过管线连接，风机222b出口与高效空气过滤器222a下部入口通过管线连接。空气过滤装置222的高效空气过滤器222a出口管线与烟囱通过管线连接，空气过滤装置222的出口管线上还设置有放射性监测装置226。
***尾气通过高效过滤器222a处理后，经放射性监测装置226监测放射性水平和放射性核素后，如达到环境排放要求，则直接通过烟囱对空排放。
风机222b的作用是将酸性气体吸附装置220吸附后的气体通过风力作用输送到高效空气过滤器222a进行处理，风机222b的另一个作用是用来使流化床12的压力维持在-0.01MPa，使氧化器16的工作压力控制在约-0.02MPa，确保整个***处于微负压。
本发明核电厂放射性废物处理***的运行过程为：
1)放射性废树脂和放射性废油分别从核电厂相应的贮存点转运至固体废物储罐200a和液体废物储罐202a；
2)打开混合气体发生器100，混合气体经加热器102加热至约600～750℃后进入流化床12，用以控制流化床中的反应氛围和温度；
3)利用固体废物给料泵200b和(或液体废物给料泵202b)将废树脂(或废油)泵入流化床12，并控制添加剂供给装置18中的添加剂流量，往流化床12中输送添加剂；
4)在流化床12中，废有机物在水蒸汽、氧气、氮气、炭和添加剂存在的气氛下发生水汽重整反应，废有机物裂解成小分子物质如有机酸、芳香烃、焦油、甲烷、氢气、一氧化碳等；
5)在流化床12中，废有机物发生热解后，其携带的放射性核素60Co、137Cs、99Tc等与添加剂反应生成新的矿物岩，生成的矿物岩属于长石类矿物，矿物结构将放射性核素牢牢捕获于晶格间；
6)生成的矿物质和二次气体在混合气体的作用下经流化床12流向过滤器14，固体颗粒经过滤器14截留，并从过滤器14底部出口输送到固体废物收集罐24进行收集，二次气体分离后进入氧化器16；
7)氧化器16的工作温度约为1050℃，氧化器16对二次气体中未完全氧化的物质(H2、CO、CH4等)经进一步氧化，生成二氧化碳、氮氧化物、水蒸汽等物质；
8)氧化器16氧化后产生的酸性气体经酸性气体吸附装置220去除，盐溶液最终经转运容器224送至核电厂的小型蒸发装置处理；
9)***尾气通过高效空气过滤器222a处理后，经放射性监测装置226监测放射性水平和放射性核素后，流向排放烟囱实现可控排放。
结合以上对本发明实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明核电厂放射性废物处理***具有如下优点：
1)能同时处理放射性废树脂和有机液体废物，解决了核电厂放射性有机液体废物长期贮存的问题；
2)能有效减少废物排放，对放射性有机液体废物可完全实现无机化；
3)可将99％以上的放射性核素束缚在固体残渣矿物中，形成的最终产物稳定性好，核素浸出率优于水泥固化体和玻璃固化体，可收集在处置容器中直接进行安全处置，不需二次处理；
4)整个***在非富氧环境下进行，没有燃烧，不会产生二噁英等剧毒物质，尾气产物主要为N2、CO2、H2O等无机物，对环境影响小；
5)无废水排放，避免了二次废水污染和再处理的问题；
6)***在负压环境下运行,减小了放射性泄露的风险，酸性气体最终经碱液中和处理，对***中设备腐蚀性小。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种核电厂放射性废物处理***，其特征在于，包括混合气体输送装置、流化床、过滤器和氧化器，其中，所述流化床、过滤器和氧化器依次通过管线串联连接在所述混合气体输送装置的下游，所述流化床入口还通过管线连接有添加剂供给装置。
2.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述混合气体输送装置包括混合气体发生器和加热器，加热器入口与混合气体发生器出口通过管线连接，加热器出口与流化床入口通过管线连接。
3.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，还包括与氧化器出口通过管线连接的后处理装置，所述后处理装置包括酸性气体吸附装置和空气过滤装置，酸性气体吸附装置入口与氧化器出口通过管线连接，酸性气体吸附装置出口与空气过滤装置入口通过管线连接。
4.根据权利要求3所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述酸性气体吸附装置连接有转运容器。
5.根据权利要求3所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述空气过滤装置包括风机和高效空气过滤器，所述风机入口与酸性气体吸附装置出口通过管线连接，风机出口与高效空气过滤器入口通过管线连接。
6.根据权利要求5所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述空气过滤装置通过管线与烟囱连接，空气过滤装置与烟囱之间的管线上设置有放射性监测装置。
7.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，还包括与流化床通过管线连接的废物储存和输送装置，所述废物储存和输送装置包括并联连接的固体废物装置和液体废物装置，所述固体废物装置包括固体废物储罐和与固体废物储罐通过管线连接的固体废物给料泵，所述液体废物装置包括液体废物储罐和与液体废物储罐通过管线连接的液体废物给料泵。
8.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述流化床在微负压下运行。
9.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述过滤器底部出口连接有固体废物收集罐。
10.根据权利要求1所述的核电厂放射性废物处理***，其特征在于，所述加热器将温度加热到600～750℃。
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