一种中低放废物热化学一体化处理装置的制作方法

本发明属于中低放射性废物处理设备技术领域，涉及一种废物处理装置，特别是一种中低放废物热化学一体化处理装置，用于处理医院、科研机构以及核电单位所产生的包含放射性物质的中低放有机可燃类废弃物，实现中低放射性废物的减容化和无害化处理。

背景技术：
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从技术层面分类，放射性废物主要分为高放射性和中低放射性两类。高放射性放射性废物主要包括核燃料在发电后产生的乏燃料及其处理物；中低放射性废物一般包括核电站的污染设备、检测设备、运行时的水化系统、交换树脂、废水废液；还包括医院、工厂、研究机构以及核电厂等产生包含放射性物质的废弃物，如衣物、纸类、试验器具等，中低放射性废物占到了所有放射性废物的99％，其中，大部分为核电厂产生的包含放射性物质的废弃物，中低放射性废物的危害性较低，但放射性废物具有独特性质，使其在处理中非常麻烦：①放射性：放射性废物的放射性不能用一般的物理、化学和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变而减少。②射线危害：放射性废物放出的射线通过物质时，发生电离和激发作用，对生物体会引起辐射损伤。③热能释放：放射性废物中放射性核素通过衰变放出能量，当放射性核素含量较高时，释放的热能会导致放射性废物的温度不断上升，甚至使溶液自行沸腾，固体自行熔融。焚烧是对可燃废物减容及稳定化处理的常用技术方法之一。常规焚烧方法是将中低放可燃性废物置于高温焚烧炉内焚烧，产生惰性熔渣或灰烬供进一步固定，以实现对废物的减容化、稳定化、安全化等目的。该方法可以获得显著的减容和减重效果，符合国家放射性废物管理原则中所要求的废物最小量化的要求，是可燃废物减容的常用措施。可燃放射性废物的焚烧处理减容系数可达40～200，减重系数可达20～200。然而常规的中低放废物焚烧设备是在空气量高于化学计量值条件下，使主燃烧过程中氧气过量，从而使气态和固态成分能够在同一燃烧室内直接燃烧。废物通常是间断地从上方投入，废物在炉排上燃烧。助燃空气一部分从炉排下方送入(称一次风或火下风)，一部分从炉膛的适当位置以适当的方向送入(称二次风或火下风)。该焚烧设备比较简单，目前应用最广。但中低放可燃废物自身组分的特殊性，在常规通用燃烧炉进行燃烧处理的过程中，不可避免的会产生大量的焦油和烟炱，导致处理难以达标。为保证燃烧完全，需要炉膛满足温度高、空气供应量大、停留时间长和气流扰动强烈等必要条件，即炉膛体积足够大，以确保充足的燃烧时间，因此，炉膛中空气供应量大于理论量，且空气过剩系数高达20～30倍，同时为增加燃烧气流的湍流，炉膛常设计成各种流道形式，并在燃烧炉之后建立多个后燃烧室并配以大量的辅助燃料，其严重增大能耗且热解产物易堵塞管道。即使如此，也很难保证中低放可燃废物处理达标。一方面，在废物焚烧过程中，焦油、烟炱含量依然较高；另一方面，为保证充分燃烧，需要炉膛中气流扰动程度足够大，而这样则会导致气流携带的飞灰较多，而废物中的不挥发核素大量附载在飞灰上面，因而造成烟气放射性浓度高，增加了烟气后处理净化系统的负担和难度；再一方面，这种燃烧炉对废物的热值也有限定，如果热值过高或过低，焚烧过程的炉温就会过高或变化幅度较大，会导致炉膛的耐火衬里损坏，因此在焚烧前要对中低放可燃废物进行重新分拣配比，不仅难以实现自动化，还会增加操作人员的受辐照的风险。因此，传统焚烧炉的上述改进仍然不能从根本上解决传统燃烧炉存在的问题。显然，传统焚烧炉无法满足中低放可燃废物的处理要求，而放射性可燃废物的处理难题依然已经成为制约我国核工业的迅速发展的瓶颈，因此，研发一种可靠的装置，实现对中低放可燃废物减容化无害化处理已经迫在眉睫。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种中低放废物热化学一体化处理装置，解决中低放可燃有机废物热解焚烧处理时燃烧不充分、热解产物易堵塞管道、热灼减率较高的难题，实现中低放射性废物的减容化和无害化处理。

为了实现上述目的，本发明涉及的中低放废物热化学一体化处理装置的主体结构包括热解装置和燃烧装置，热解装置和燃烧装置采用无管道直接对接的一体式结构；所述热解装置的主体结构包括密封进料段、大口储料段、动密封、驱动电机、螺旋推进器、变径进料段、加热装置、热解输送段和控温仪；水平设置的管状螺旋推进器的输入端处竖直设有管状密封进料段，螺旋推进器的前端设有用于暂存中低放可燃有机废物的大口储料段，大口储料段与动密封采用两盘对向布置的角接触球轴承密封方式或者采用磁流体密封方式连接，用于推动中低放可燃有机废物运动的螺旋推进器通过动密封与驱动电机轴连接，驱动电机用于控制螺旋推进器推进速度；螺旋推进器的输出端与变径进料段的输入端相连，所述变径进料段用于把物料在缩小的口径处聚拢起来形成料封；变径进料段的输出端与热解输送段的输入端相连，热解输送段的外部设有用于提供热解物料所需热量的加热装置；加热装置由内至外依次包含耐火层和保温层，加热装置与控温仪电信息连接；控温仪用于控制加热装置维持热解输送段内的热解温度实现物料充分热解；；所述螺旋推进器内部主体结构包括驱动轴和螺旋叶片，驱动电机通过动密封与驱动轴连接并带动驱动轴转动，动密封用于保障热解装置的气密性，确保螺旋推进器在运行过程中不泄漏，所述螺旋推进器的叶片尺寸与大口储料段、变径进料段和热解输送段的直径尺寸相对应，呈逐渐减少趋势；所述燃烧装置的主体结构包括烟气出风口、气液燃烧室、炉排、固体燃烧室、排渣口、气液助燃燃烧器、二次助燃风口、固体助燃燃烧器、一次助燃风口、第一风门、第二风门和烟气监测装置；气液燃烧室通过炉排与固体燃烧室相隔；气液燃烧室用于给热解得到的气液产物提供燃烧空间；所述固体燃烧室用于给热解得到的固体产物提供燃烧空间；气液燃烧室的直径大于固体燃烧室直径，气液燃烧室的下部与热解装置的热解输送段相连通；气液燃烧室中部设有气液助燃燃烧器用于燃烧辅助燃料使气液产物充分燃烧，气液助燃燃烧器上设有二次助燃风口和第二风门；固体燃烧室中部设有固体助燃燃烧器用于燃烧辅助燃料使固体产物充分燃烧，固体燃烧室下部侧方设有一次助燃风风口和第一风门；气液助燃燃烧器自带的二次助燃风口使用第二风门来调节开度，通过烟气出风口的氧含量确定二次助燃风口的第二风门开度；固体燃烧室开设的一次助燃风口使用第一风门来调节开度，通过气液燃烧室内部的氧含量确定一次助燃风口的第一风门开度；气液燃烧室顶部设有用于排放燃后烟气的烟气出风口和烟气监测装置，烟气出风口与烟气后处理系统相连；固体燃烧室底部设有用于排出不燃的固体残渣的排渣口，排渣口与固废收集装置相连；所述驱动电机依据烟气监测装置反馈回的监测信号控制进料速率；所述气液助燃燃烧器采用燃油燃烧器。

所述驱动电机依据烟气监测装置反馈回的烟气风量、烟气成分、飞灰含量、污染物含量等参数的监测信号控制进料速率；

所述气液助燃燃烧器采用燃油燃烧器；选用的燃烧器根据辅助燃料来选型，若辅助燃料为柴油，则选用轻油燃烧器；若辅助燃料采用废机油与柴油配比后的混合油，则选择燃油燃烧器中的重油燃烧器。

所述气液燃烧室直径与固体燃烧室直径的比值为1.2-3最佳，减缓烟气风速效果最好，降低飞灰产生量最大。

本发明涉及的中低放废物热化学一体化处理装置的工作原理为：所述螺旋推进器的叶片尺寸与大口储料段、变径进料段和热解输送段的直径尺寸相对应，呈逐渐减少趋势，有利于传输废料快速充满通道；所述燃烧装置气液燃烧室的直径大于固体燃烧室直径，用于减缓烟气风速，降低飞灰产生量；所述热解装置和焚烧装置采用无管道直接对接的一体化结构，用于提高装置密封性且有效解决热解产物中焦油和灰渣等被抽吸到管路中并粘附在管壁上造成管道堵塞的难题，并提高热解产物输送的顺畅性；采用热解装置与燃烧装置组合处理装置，将大分子、难燃烧的大分子中低放可燃有机废物先进行中温绝氧热解，得到短链的小分子气液产物和热解固体残渣产物，然后对热解产物进行燃烧处理，改善废物与空气混合环境，使得废物的处理更加彻底充分，大幅提高废物的减容率；并且热解装置与燃烧装置的气液燃烧室下部相通，热解产物通过炉排落入固体燃烧室中进行充分灼烧，大幅降低热灼减率；热解气液产物和热解固体产物分别在气液燃烧室和固体燃烧室中燃烧，固体燃烧室温度明显低于气液燃烧室温度，有效减少了放射性物质在燃烧过程中的飞出，绝大部分的放射性物质聚集到不可燃残渣中并排到固废收集器中，改善了烟气后处理的难度；热解装置的变径进料段能够实现料封功能。

采用本发明涉及的中低放废物热化学一体化处理装置处理中低放可燃有机废物的具体工艺步骤为：

(1)启动驱动电机：首先启动驱动电机，驱动电机驱动螺旋推进器转动，转速为1-5r/min；

(2启动热解装置：接着启动热解装置，设定热解输送段的温度为400～700℃，控温仪控制加热装置开始给热解输送段加热升温；

(3)启动燃烧装置：然后分别启动气液燃烧室内的气液助燃燃烧器和固体燃烧室内的固体助燃燃烧器，使气液燃烧室内温度维持在800～1300℃的温度区间，固体燃烧室内温度维持在400～600℃的温度区间；

(4)废料进料：再将中低放可燃有机废物加入热解装置的密封进料段和大口储料段；

(5)废料输送：在螺旋推进器的推动下，废料依次经过大口储料段、变径进料段和热解输送段，废料流在变径进料段缩颈并填充满通道形成料封，随后废料被送入热解输送段；

(6)废料热解：接着中低放可燃有机废物在热解输送段被热解为气体、液体和固体三种产物，在整个输送及热解过程中，燃烧装置依据反馈的烟气各项参数信号调节驱动电机改变转速，便于废料的充分彻底热解；

(7)热解产物燃烧：热解产物通过热解输送段进入燃烧装置内，热解固体产物经由炉排落入固体燃烧室中，在固体助燃燃烧器的辅助下在固体燃烧室内充分燃烧，产物为由二氧化碳和水组成的烟气及残渣热解气体产物和液体产物进入气液燃烧室中，并在在气液助燃燃烧器的辅助下充分燃烧，产物为由二氧化碳和水组成的烟气；

(8)后处理：最后将0.1-1％的放射性物质随燃烧产生的烟气经由烟气出风口排出至烟气后处理系统进行处理，99％-99.9％的放射性物质随残渣通过固体燃烧室下端的排渣口排出，统一封存并处理；通过气液燃烧室内部的氧含量确定一次助燃风口的第一风门开度；通过烟气出风口的氧含量确定二次助燃风口的第二风门开度，确保热解产物均能充分彻底燃烧完全，中低放有机可燃类废物的减容率达到97％-99％。

本发明与现有技术相比，能够将医院、科研机构以及核电单位产生包含放射性物质的中低放有机可燃类废物处理热解焚烧处理成为固体残渣，方便后续的封存、填埋处理，减容率超过97％，99％以上的放射性物质并固定在最终不可燃残渣中，不仅能够减少中低放有机可燃类废物的体积，而且能够减少核放射污染和大气环境污染；其不仅具有参数设置灵活，过程控制精度高，连续投料，受热均匀，物料密封，运行平稳，飞灰烟尘量少的工艺优势，还具有设备紧凑，占地面积小，减少泄露，热解产物不粘壁，排放顺畅等设备优势；其整体结构简单，原理可靠，减容率高，固化效果好，二次污染低，应用环境友好，投资及运营成本低，节能环保，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

附图说明：

图1为本发明涉及的中低放废物热化学一体化处理装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的热解装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的燃烧装置的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的中低放废物热化学一体化处理装置的主体结构包含热解装置1和燃烧装置2，热解装置1和燃烧装置2采用无管道直接对接的一体式结构；所述热解装置1的主体结构包括密封进料段101、大口储料段102、动密封103、驱动电机104、螺旋推进器105、变径进料段106、加热装置107、热解输送段108和控温仪109；水平设置的管状螺旋推进器105的输入端处竖直设有管状密封进料段101，螺旋推进器105的前端设有用于暂存中低放可燃有机废物的大口储料段102，大口储料段102与动密封103采用两盘对向布置的角接触球轴承密封方式或者采用磁流体密封方式连接，用于推动中低放可燃有机废物运动的螺旋推进器105通过动密封103与驱动电机104轴连接，驱动电机104用于控制螺旋推进器105推进速度；螺旋推进器105的输出端与变径进料段106的输入端相连，所述变径进料段106的直径尺寸从前到后呈逐渐减少趋势，有利于废料在缩小的口径处聚拢起来形成料封；所述变径进料段106用于把物料变径进料段106的输出端与热解输送段108的输入端相连，热解输送段108的外部设有用于提供热解物料所需热量的加热装置107；加热装置107由内至外依次包含耐火层和保温层，加热装置107与控温仪109电信息连接；控温仪109用于控制加热装置107维持热解输送段108内的热解温度实现物料充分热解；所述螺旋推进器105内部主体结构包括驱动轴2051和螺旋叶片2052，驱动电机104通过动密封103与驱动轴连接并带动驱动轴2051转动，动密封103用于保障热解装置1的气密性，确保螺旋推进器105在运行过程中不泄漏；所述螺旋推进器的叶片尺寸与大口储料段、变径进料段和热解输送段的直径尺寸相对应，呈逐渐减少趋势；所述燃烧装置2的主体结构包括烟气出风口201、气液燃烧室202、炉排203、固体燃烧室204、排渣口205、气液助燃燃烧器206、二次助燃风口207、固体助燃燃烧器208、一次助燃风风口209、第一风门211、第二风门210和烟气监测装置212；气液燃烧室202通过炉排203与固体燃烧室204相隔；气液燃烧室202用于给热解得到的气液产物提供燃烧空间；所述固体燃烧室204用于给热解得到的固体产物提供燃烧空间；气液燃烧室的直径与固体燃烧室直径的比值为1.5，气液燃烧室202的下部与热解装置1的热解输送段108相连通；气液燃烧室202中部设有气液助燃燃烧器206用于燃烧辅助燃料使气液产物充分燃烧，气液助燃燃烧器206上设有二次助燃风口207和第二风门210；固体燃烧室204中部设有固体助燃燃烧器208用于燃烧辅助燃料使固体产物充分燃烧，固体燃烧室204下部侧方设有一次助燃风口209和第一风门211；气液助燃燃烧器206自带的二次助燃风口207使用第二风门210来调节开度，通过烟气出风口201的氧含量确定二次助燃风口207的风门开度；固体燃烧室204开设的一次助燃风口209使用第一风门211来调节开度，通过气液燃烧室2内部的氧含量确定一次助燃风口309的风门开度；气液燃烧室202顶部设有用于排放燃后烟气的烟气出风口201和烟气监测装置212，烟气出风口201与烟气后处理系统相连；固体燃烧室204底部设有用于排出不燃的固体残渣的排渣口205，排渣口205与固废收集装置相连；

所述驱动电机104依据烟气监测装置212反馈回的烟气风量、烟气成分、飞灰含量、污染物含量等参数的监测信号控制进料速率；

所述气液助燃燃烧器206采用轻油燃烧器。

采用本发明涉及的中低放废物热化学一体化处理装置处理中低放可燃有机废物的具体工艺步骤为：

(1)启动驱动电机104：首先启动驱动电机104，驱动电机104驱动螺旋推进器105转动，转速为1r/min；

(2)启动热解装置1：接着启动热解装置1，设定热解输送段108的温度为400℃，控温仪109控制加热装置107开始给热解输送段108加热升温；

(3)启动燃烧装置2：然后分别启动气液燃烧室202内的气液助燃燃烧器206和固体燃烧室204内的固体助燃燃烧器208，使气液燃烧室202内温度维持在900-1000℃℃的温度区间，固体燃烧室204内温度维持在430-520℃℃的温度区间；

(4)废料进料：再将中低放可燃有机废物加入热解装置1的密封进料段101和大口储料段102；

(5)废料输送：在螺旋推进器105的推动下，废料依次经过大口储料段102、变径进料段106和热解输送段108，废料流在变径进料段106缩颈并填充满通道形成料封，随后废料被送入热解输送段108；

(6)废料热解：接着中低放可燃有机废物在热解输送段108被热解为气体、液体和固体三种产物，在整个输送及热解过程中，燃烧装置2依据烟气监测装置212反馈的烟气各项参数信号调节驱动电机改变转速，便于废料的充分彻底热解；

(7)热解产物燃烧：热解产物通过热解输送段108进入燃烧装置2内，热解固体产物经由炉排203落入固体燃烧室204中，在固体助燃燃烧器208的辅助下在固体燃烧室204内充分燃烧，产物为由二氧化碳和水组成的烟气及残渣热解气体产物和液体产物进入气液燃烧室202中，并在在气液助燃燃烧器206的辅助下充分燃烧，产物为由二氧化碳和水组成的烟气；

(8)后处理：最后将0.15％的放射性物质随燃烧产生的烟气经由烟气出风口201排出至烟气后处理系统进行处理，99.85％的放射性物质随残渣通过固体燃烧室204下端的排渣口205排出统一封存并处理；通过气液燃烧室202内部的氧含量确定一次助燃风口209的第一风门211开度；通过烟气出风口201的氧含量确定二次助燃风口207的第二风门210开度，确保热解产物均能充分彻底燃烧完全，中低放有机可燃类废物的减容率达到97％-99％。

实施例2：

本实施与实施例1的区别在于：所述气液燃烧室直径与固体燃烧室直径的比例为2.2。；采用本实施例涉及的中低放废物热化学一体化处理装置处理中低放可燃有机废物的具体工艺步骤为与实施例1的区别在于：步骤(1)中驱动电机的转速为4r/min；步骤(2)中设定热解输送段108的温度为600℃；步骤(8)中0.4％的放射性物质随燃烧产生的烟气经由烟气出风口201排出至烟气后处理系统进行处理，99.6％的放射性物质随残渣通过固体燃烧室204下端的排渣口205排出统一封存并处理。

实施例3：

本实施与实施例1的区别在于：所述气液燃烧室直径与固体燃烧室直径的比例为1.2，设备更紧凑，占地空间小，适用于用地紧张的项目；采用本实施例涉及的中低放废物热化学一体化处理装置处理中低放可燃有机废物的具体工艺步骤为与实施例1的区别在于：步骤(1)中驱动电机的转速为5r/min；步骤(2)中设定热解输送段108的温度为700℃；步骤(8)中1％的放射性物质随燃烧产生的烟气经由烟气出风口201排出至烟气后处理系统进行处理，99％的放射性物质随残渣通过固体燃烧室204下端的排渣口205排出统一封存并处理。

实施例4：

本实施与实施例1的区别在于：所述气液燃烧室直径与固体燃烧室直径的比例为3，减缓风速的效果最好；采用本实施例涉及的中低放废物热化学一体化处理装置处理中低放可燃有机废物的具体工艺步骤为与实施例1的区别在于：步骤(1)中驱动电机的转速为2r/min；步骤(2)中设定热解输送段108的温度为500℃；步骤(8)中0.1％的放射性物质随燃烧产生的烟气经由烟气出风口201排出至烟气后处理系统进行处理，99.9％的放射性物质随残渣通过固体燃烧室204下端的排渣口205排出统一封存并处理。

实施例5：

本实施与实施例1-4的区别在于：所述气液助燃燃烧器采用重油燃烧器。