一种处理放射性有机废物的流化床蒸汽重整炉的制作方法

1.本实用新型涉及一种处理放射性有机废物的流化床蒸汽重整炉。


背景技术：

2.核工业在发展过程中，每年要产生大量的废物，这些废物可分为放射性污染的离子交换介质、泥渣、有机废液、干杂有机废物等。这种废物在基岩室或利用浅土埋处置之前，将以各种方式进行治理。这些废物体量大，成分杂，难处理，而且在放射性有机废物的治理上会导致体积的增加，继而导致贮存费用的增加。
3.目前国内已经采用的放射性废物处理技术主要包括水泥固化、热解焚烧、热态超级压实、烘干水泥固定、装hic(高密度聚乙烯高整体容器)脱水等。除热解焚烧外，其它技术的处理过程均为机械物理过程，减容效果一般，而热解焚烧一般仅用于低放可燃废物的处理，其处理对象有限。因此急需要一种设备，这种设备能够使得被处置废物体积减少和化学活性下降，即实现减容、废弃物有效处理的作用。
4.蒸汽重整技术能将有机树脂完全转化为无机物，放射性元素富集在矿化物中，生成的矿化物结构耐久性、稳定性好，核素抗浸出性能高，可以达到安全减容的目的。该方法具有显著的减容效果，废物体积能减至处理前的1/10～1/5，而且处理过程中不会产生二次污染，裂解后产生的合成气经处理后可转化为n2、co2和水，基本无废液生成，安全无污染。在流化床蒸汽重整反应炉中，放射性有机废物发生裂解的同时，还会发生水气变换反应、氧化反应、还原反应、添加剂作用下的矿化反应等多种不同类型的反应。这些反应过程相互耦合，一旦流化床反应器操控不好，极易形成局部热点或生产粘性物质，导致流化颗粒团聚结块，轻则影响流化质量和反应效果，重则会导致停车。因此，需要开发新型的流化床反应器，使得放射性有机废物在流化床反应器中能稳定有效地处理。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术的流化床反应器流化颗粒团聚结块，影响流化质量和反应效果甚至导致停车，而提供一种处理放射性有机废物的流化床蒸汽重整炉。本实用新型的流化床蒸汽重整炉能实现反应分区，不会形成局部热点或生产粘性物质，也不会导致流化颗粒团聚结块，对于废离子交换树脂的减容比约为1:8.5，对于干杂废物减容比约为1:50。
6.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
7.本实用新型提供了一种处理放射性有机废物的流化床蒸汽重整炉，其包括一重整炉炉体，所述重整炉炉体设有自上而下的备用氧气/空气进料口、木炭/流化介质进料口、树脂进料口和气化剂进料口；
8.所述重整炉炉体还设有干杂废物进料口，所述干杂废物进料口位于所述备用氧气/空气进料口和所述气化剂进料口之间；各进料口的位置均以该进料口的轴线与所述重整炉炉体侧壁的交点计。
9.本实用新型中，较佳地，所述备用氧气/空气进料口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.3～0.4)：1。
10.较佳地，所述备用氧气/空气进料口的数量为两个，更佳地，两个所述备用氧气/空气进料口的轴线之间的夹角为45
°
～60
°
。
11.较佳地，所述备用氧气/空气进料口垂直于所述重整炉炉体的轴线。
12.较佳地，所述备用氧气/空气进料口处附近的炉壁设有用于观察炉内状况的窥视镜。
13.本实用新型设备在使用时，所述木炭/流化介质进料口通过氮气将含碳颗粒和流化介质输送进入床层。木炭颗粒起到燃料的作用，流化介质起到矿化剂和床层流化的作用。其中，所述流化介质较佳地为矿化剂高岭土。
14.较佳地，所述木炭/流化介质进料口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.25～0.3)：1。
15.较佳地，所述木炭/流化介质进料口向下倾斜，所述木炭/流化介质进料口的轴线与水平面的夹角为50
°
～60
°
，例如为55
°
。
16.较佳地，所述木炭/流化介质进料口处附近的炉壁设有用于维保的人孔。
17.本实用新型设备在使用时，一般先将废树脂与添加剂(例如将氢氧化铝粉末作为添加剂，起到抗凝的作用)混合后，通过树脂进料输送变频泵，由树脂雾化喷嘴将废树脂经所述树脂进料口输送进入床层，通过调节树脂进料输送变频泵可控制进料速率。
18.较佳地，所述树脂进料口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.23～0.25)：1。
19.较佳地，所述树脂进料口向下倾斜，所述树脂进料口的轴线与水平面的夹角为45
°
～60
°
。
20.较佳地，所述树脂进料口的周围设置冷却风进口，冷却风用于促进废树脂的雾化，防止高温工况下树脂在雾化前出现熔化阻塞所述树脂进料口。
21.本实用新型中，所述气化剂进料口一般用于气化剂的进料，气化剂可保证物料的流化，还可提供流化床蒸汽重整炉内物料反应所需的能量；其中，所述气化剂一般为过热蒸汽。
22.较佳地，所述气化剂进料口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.08～0.1)：1。
23.较佳地，所述气化剂进料口的数量为四个，更佳地，四个所述气化剂进料口沿所述重整炉炉体的切线方向插入所述重整炉炉体内，每两个相邻的气化剂进料口的轴线互相垂直。
24.较佳地，所述气化剂进料口向上倾斜，所述气化剂进料口的轴线与水平面的夹角为10
°
～15
°
。
25.较佳地，所述气化剂进料口处的炉体侧壁上还设有压力计开口和热电偶开口。
26.本实用新型设备在使用时，一般将干杂废物通过干杂废物推进器，通过所述干杂废物进料口将干杂废物输送进入床层，通过调节干杂废物推进器可控制进料速率。
27.较佳地，所述干杂废物进料口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.25～0.3)：1。
28.较佳地，所述干杂废物进料口向下倾斜，所述干杂废物进料口的轴线与水平面的夹角为50
°
～60
°
，例如为55
°
。
29.本实用新型中，所述重整炉炉体较佳地还设有合成气出口，用于所述流化床蒸汽重整炉的运行过程中产生的带有颗粒的混合气体的排出。
30.较佳地，所述合成气出口位于所述重整炉炉体的顶部。
31.较佳地，所述合成气出口与旋风分离器连接。
32.较佳地，所述合成气出口的内径占所述重整炉炉体总高度的2％～3％。更佳地，所述合成气出口的内径为200mm。
33.本实用新型中，所述重整炉炉体较佳地还设有喷雾降温口，用于在所述流化床蒸汽重整炉排出气体前冷却气体。通过在所述喷雾降温口通入水蒸气，使得所述流化床蒸汽重整炉的运行过程中产生的带有颗粒的混合气体在从所述合成气出口排出之前由750℃到900℃降温至600℃到650℃，使所述合成气出口温度满足下游旋风过滤器和高温过滤器的要求。
34.较佳地，所述喷雾降温口与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.92～0.95)：1。
35.较佳地，所述喷雾降温口的数量为两个，更佳地，两个所述喷雾降温口设于所述重整炉炉体的相对位置。
36.较佳地，所述喷雾降温口向下倾斜，所述喷雾降温口的轴线与水平面的夹角为45
°
～75
°
，例如为60
°
。
37.较佳地，所述喷雾降温口的下方设有压力计开口和热电偶开口。
38.较佳地，所述喷雾降温口的下方设有吊耳，在安装或拆卸所述流化床蒸汽重整炉时便于吊装。
39.本实用新型中，所述重整炉炉体较佳地还设有烘炉烧嘴，用于在流化床蒸汽重整炉运行前预热所述重整炉炉体。所述流化床蒸汽重整炉的每次开工前均需预热所述重整炉炉体，所述预热的方法可从所述烘炉烧嘴中喷入天然气和空气，通过燃烧升温预热所述重整炉炉体；所述预热中，所述烘炉烧嘴喷入的空气流量可为300nm3/h；从500℃加热至900℃，升温速率可为50℃/h。所述预热完成后，停止运行所述烘炉烧嘴。
40.较佳地，所述烘炉烧嘴与所述重整炉炉体的底部距离，与所述重整炉炉体总高度的比值为(0.2～0.3)：1。
41.较佳地，所述烘炉烧嘴向下倾斜，所述烘炉烧嘴的轴线与水平面的夹角为45
°
～60
°
。
42.本实用新型中，按照本领域常规所述重整炉炉体一般还设有床料出口，用于所述流化床蒸汽重整炉停运时将床料颗粒或灰料的排出。
43.较佳地，所述床料出口位于所述重整炉炉体的底部。
44.较佳地，所述床料出口的内径占所述重整炉炉体总高度的2％～3％。更佳地，所述床料出口的内径为203mm。
45.本实用新型中，较佳地，所述重整炉炉体中部处的炉体侧壁上还设有多处压力计开口和热电偶开口。
46.本实用新型中，所述流化床蒸汽重整炉采用的填料为耐火填料，例如低硅刚玉浇
注料；采用的衬里为耐火衬里，耐火衬里的材质例如为三氧化二铝和二氧化硅。
47.本实用新型中，通过各进料口和出料口位置的设置，使得所述流化床蒸汽重整炉分为上层的反应区和下层的进料区，上层的反应区又进一步分为上下两个反应区。上反应区进行树脂的裂解反位、还原反应和矿化反应，下反应区进行蒸汽的水气变换反应和氧化反应。上下两个反应区通过各进料口和出料口位置的设置，配合控制碳颗粒、氧化剂和气化剂加入量来控制床层温度。在开车阶段，通过气化剂进料口均匀地通入适量的过热蒸汽加热床层，运行稳定后下反应区中发生的氧化反应能够为下反应区提供热量，此时气化剂的供量可以适当减少，保持床层温度稳定。
48.较佳地，所述重整炉炉体围成的炉腔包括自上而下的第一圆柱炉腔和第二圆柱炉腔，所述第一圆柱炉腔的内径大于所述第二圆柱炉腔的内径，所述备用氧气/空气进料口、所述木炭/流化介质进料口、所述树脂进料口和所述干杂废物进料口均设于所述第二圆柱炉腔的侧壁上。
49.更佳地，所述第一圆柱炉腔的内径和所述第二圆柱炉腔的内径比为1：(0.5～0.7)。更佳地，所述第一圆柱炉腔的高度和所述第二圆柱炉腔的高度比为(1.3～1.5)：1。
50.更佳地，所述重整炉炉体围成的炉腔包括自上而下的第三圆柱炉腔、渐扩炉腔、第一圆柱炉腔、第一渐缩炉腔、第二圆柱炉腔和第二渐缩炉腔，所述喷雾降温口设于所述渐扩炉腔的侧壁上，所述气化剂进料口设于所述第二渐缩炉腔的侧壁上。
51.进一步更佳地，所述第三圆柱炉腔的内径与所述第一圆柱炉腔的内径比为1：(5～10)，例如为1:6。
52.本实用新型的积极进步效果在于：
53.1.本实用新型的流化床蒸汽重整炉可实现反应分区，下反应区发生蒸汽的水气变换反应、氧化反应，为上反应区提供还原性气体和反应所需热量；上反应区内发生树脂的裂解反位、还原反应、矿化反应等。反应分区的操作减少了上述反应之间的相互影响，提高反应过程的可控性。同时，配合氧气/空气、碳粉以及过热蒸汽加入量，可以控制床层高度和温度使之在适宜范围，避免颗粒团聚结块。
54.2.采用本实用新型的流化床蒸汽重整炉处理有机废物后，与待处置废物的初始体积和质量相比，大大地减少了废物的体积和质量，而且可以显著提高分解效率。此外，这些将排放到环境中的被处理废物的组分，气体和水蒸气，在排出之前都已经转化成无害状态。
55.3.一优选实施方式中，通过上反应区上部设置喷雾降温口，对合成气的出口进行降温避免了放射性核素挥发。
附图说明
56.图1为实施例1的流化床蒸汽重整炉的剖面示意图。
57.图2为实施例1的流化床蒸汽重整炉的结构分区示意图。
58.图3为实施例1的流化床蒸汽重整炉的俯视示意图。
59.图4为实施例1的流化床蒸汽重整炉的气化剂进料口分布示意图。
60.附图标记说明
61.合成气出口 1
62.喷雾降温口 2
63.备用氧气/空气进料口 3
64.树脂进料口 4
65.气化剂进料口 5
66.床料出口 6
67.烘炉烧嘴 7
68.干杂废物进料口 8
69.木炭/流化介质进料口 9
70.人孔 10
71.第一压力计开口 11
72.第二压力计开口 12
73.第三压力计开口 13
74.第四压力计开口 14
75.第五压力计开口 15
76.第六压力计开口 16
77.第七压力计开口 17
78.第一热电偶开口 18
79.第二热电偶开口 19
80.第三热电偶开口 20
81.第四热电偶开口 21
82.第五热电偶开口 22
83.第六热电偶开口 23
84.第七热电偶开口 24
85.第八热电偶开口 25
86.第三圆柱炉腔 26
87.渐扩炉腔 27
88.第一圆柱炉腔 28
89.第一渐缩炉腔 29
90.第二圆柱炉腔 30
91.第二渐缩炉腔 31
具体实施方式
92.下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。
93.实施例1
94.以下通过图1～4对流化床蒸汽重整炉进行详细的描述。
95.实施例1提供了一种处理放射性有机废物的流化床蒸汽重整炉，其包括一重整炉炉体，重整炉炉体设有自上而下的备用氧气/空气进料口3、木炭/流化介质进料口9、树脂进料口4和气化剂进料口5；
96.重整炉炉体还设有干杂废物进料口8，干杂废物进料口8位于备用氧气/空气进料口3和气化剂进料口5之间；各进料口的位置均以该进料口的轴线与重整炉炉体侧壁的交点
计。
97.重整炉炉体高度为8171.5mm。
98.备用氧气/空气进料口3与重整炉炉体的底部距离为2625mm。备用氧气/空气进料口3的数量为两个，两个备用氧气/空气进料口3的轴线之间的夹角为60
°
。备用氧气/空气进料口3垂直于重整炉炉体的轴线。备用氧气/空气进料口3处附近的炉壁设有用于观察炉内状况的窥视镜。
99.木炭/流化介质进料口9与重整炉炉体的底部距离为2135mm。木炭/流化介质进料口9向下倾斜，木炭/流化介质进料口9的轴线与水平面的夹角为55
°
。木炭/流化介质进料口9处附近的炉壁设有用于维保的人孔10。
100.树脂进料口4与重整炉炉体的底部距离为2025mm。树脂进料口4向下倾斜，树脂进料口4的轴线与水平面的夹角为45。树脂进料口4的周围设置冷却风进口。
101.气化剂进料口5用于气化剂的进料。气化剂进料口5与重整炉炉体的底部距离为673.5mm。气化剂进料口5的数量为四个，四个气化剂进料口5沿重整炉炉体的切线方向插入重整炉炉体内，每两个相邻的气化剂进料口5的轴线互相垂直。气化剂进料口5向上倾斜，气化剂进料口5的轴线与水平面的夹角为10
°
。气化剂进料口5处的炉体侧壁上还设有第一压力计开口11、第二压力计开口12、第一热电偶开口18和第二热电偶开口19。
102.干杂废物进料口8与重整炉炉体的底部距离为2135mm。干杂废物进料口8向下倾斜，干杂废物进料口8的轴线与水平面的夹角为55
°
。
103.重整炉炉体还设有合成气出口1。合成气出口1位于重整炉炉体的顶部。合成气出口1与旋风分离器连接。合成气出口1的内径为200mm。
104.重整炉炉体还设有喷雾降温口2。喷雾降温口2与重整炉炉体的底部距离，与重整炉炉体总高度的比值为7671.5mm。喷雾降温口2的数量为两个，两个喷雾降温口2设于重整炉炉体的相对位置。喷雾降温口2向下倾斜，喷雾降温口2的轴线与水平面的夹角为60
°
。喷雾降温口2的下方设有第七压力计开口17和第八热电偶开口25。喷雾降温口2的下方设有吊耳。
105.重整炉炉体还设有烘炉烧嘴7，用于在流化床蒸汽重整炉运行前预热重整炉炉体。烘炉烧嘴7与重整炉炉体的底部距离为1685mm。烘炉烧嘴7向下倾斜，烘炉烧嘴7的轴线与水平面的夹角为45
°
。
106.重整炉炉体还设有床料出口6。床料出口6位于重整炉炉体的底部。床料出口6的内径为203mm。
107.重整炉炉体中部处的炉体侧壁上还设有多处压力计开口和热电偶开口，如第三压力计开口13、第四压力计开口14、第五压力计开口15、第六压力计开口16、第三热电偶开口20、第四热电偶开口21、第五热电偶开口22、第六热电偶开口23、和第七热电偶开口24。
108.重整炉炉体围成的炉腔包括自上而下的第一圆柱炉腔28和第二圆柱炉腔30，第一圆柱炉腔28的内径大于第二圆柱炉腔30的内径，备用氧气/空气进料口3、木炭/流化介质进料口9、树脂进料口4和干杂废物进料口8均设于第二圆柱炉腔30的侧壁上。
109.第一圆柱炉腔28的内径为1200mm，第二圆柱炉腔30的内径为760mm。第一圆柱炉腔28的高度为3100mm，第二圆柱炉腔30的高度为2200mm。
110.重整炉炉体围成的炉腔包括自上而下的第三圆柱炉腔26、渐扩炉腔27、第一圆柱
炉腔28、第一渐缩炉腔29、第二圆柱炉腔30和第二渐缩炉腔31，喷雾降温口2设于渐扩炉腔27的侧壁上，气化剂进料口5设于第二渐缩炉腔31的侧壁上。第三圆柱炉腔26的内径为200mm。
111.采用上述流化床蒸汽重整炉处理废树脂，处理前的废树脂参数如表1所示。
112.表1处理前的废树脂参数
[0113][0114][0115]
该混合废树脂中，主要放射性核素的含量如下：cs：0.2g/m3；co：0.01g/m3；sr：2.5μg/m3(含量极低)。其中的非放射性元素含量考虑如下(质量比，以含结合水计)：li：0.05％～0.85％；b：0.7％～2.8％(以bo3‑
计算)；na：3
‑
330ppm；k：0.5～130ppm；ca：2.5～130ppm；cl：10ppm。
[0116]
经上述流化床蒸汽重整炉处理后的固体废料结果如下：
[0117]
对于含有碱金属(如钠、钾、铯)的废树脂，通过加入矿化剂，在重整炉内形成新的矿化相，可使核素很好地包容在矿化产物中，反应及得到的产物如下：
[0118]
na+al2o3‑
2sio2(黏土)＝na2o
‑
al2o3‑
2sio2(霞石)
[0119]
na+k+al2o3‑
2sio2＝nako
‑
al2o3‑
2sio2(霞石)
[0120]
na+so4+al2o3‑
2sio2＝na2so4‑
(na2o
‑
al2o3‑
2sio2)(黝方石)
[0121]
na+cl+al2o3‑
2sio2＝2nacl
‑
(na2o
‑
al2o3‑
2sio2)6(方钠石)
[0122]
na+f+al2o3‑
2sio2＝2naf
‑
(na2o
‑
al2o3‑
2sio2)6(方钠石)
[0123]
经过上述炉体内的矿化反应，矿化剂俘获的99.99％放射性核素的稳定的、矿化的、不可燃的、耐浸出性的颗粒状/细沙状固体，可直接处置。
[0124]
减容率为：5:1到10:1。
[0125]
需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。