放射性有机废物处理设备及工艺的制作方法

本发明涉及一种用放射性有机废物处理设备及工艺。

背景技术：

常见的放射性有机废物包括放射性树脂、放射性可燃干废物和放射性化学废液等，废物成分形态复杂、处理安全要求高、处理费用昂贵并高度取决于被处理有机废物的体积；因此，可靠性、减容比和适应性是评价放射性废料处理工艺的重要指标。固化工艺是目前最常用的废物处理方法，该法选择稳定性很高的固化介质，通过高温等条件将固化介质与放射性废物生成类矿物物质以固定放射性核素；固化工艺的优点很多，包括浸出率低、包容比大、抗辐射性能良好等，且该方法能在极长的时间内固定放射性核素，是放射性废物安全处置的关键。因此，固化工艺是目前公认最好的高放射性废物处理发展方向之一。我国现阶段放射性有机废弃物的处理方式主要是水泥固化。但水泥固化增容大，且长期处置安全性相对较低；此外，由于我国交通等条件的限制，难以采用从核电站、核燃料加工厂和相关科研单位等设施中将放射性有机废物集中运输处理的方法。

为解决固化工艺中废物增容比较大的缺点，达到放射性有机废物的有效减容，国内外采用了多种方法，主要有热态超压、HIC(High Integrity Container，即高整体性容器)中脱水保存、高温焚烧、等离子熔融、湿法氧化及微生物转化等，但这些方法仍存在着风险高、工艺复杂、减容比小、二次污染或成本高等缺点，有的还处于实验室阶段，尚待进一步优化。已投入实际应用的有位于美国田纳西的蒸汽重整处理装置，其采用流化床技术集中处理放射性废料，单套装置规模为100吨/年；但流化床技术也存在着对废物原料要求严格、易磨损、飞灰量大、温度低、设备和操作复杂等缺点。对此，若采用固定床技术代替流化床技术，虽可在一定程度上缓解上述问题，但固定床技术相对的也存在转化率低、处理量小，难以连续生产、气体产物易含有焦油和酚类等污染物，气体净化处理复杂等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的是现有放射性有机废物处理技术安全性较低、操作复杂、废物前处理要求高、废物增容比较大的问题，提供了一种操作简便、安全可靠、高效节能的放射性有机废物处理设备及工艺。

本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种放射性有机废物处理设备，其包括双层回转式热解气化炉、二燃室和辐射监测设备；所述双层回转式热解气化炉包括一原料入口、一高温烟气进口、一低温烟气出口、一粗燃气出口和一灰渣出口，所述二燃室包括一空气进料口、一粗燃气进口和一高温烟气出口，所述粗燃气出口与所述粗燃气进口相连通，所述高温烟气进口与所述高温烟气出口相连通，所述低温烟气出口与一烟气排放管路相连通，所述烟气排放管路上设有所述辐射监测设备。

本发明中，所述高温烟气进口的数量较佳地为大于等于1，更佳地为3；多个高温烟气进口的设置有助于温度分布更均匀。

本发明中，所述辐射监测设备为本领域常规，较佳地为固定式核辐射在线监测系统、固定式通道辐射检测仪、个人用辐射探测器、便携式放射性核素识别装置、便携式中子搜寻探测器和防爆型核辐射测量仪中的一种或多种。

本发明中，所述放射性有机废物处理设备较佳地还包括净化设备，所述净化设备设于所述烟气排放管路上，且所述净化设备位于所述辐射监测设备的前端；

较佳地，所述净化设备为依次设置的急冷塔、除尘设备和洗涤设备，所述除尘设备较佳地为旋风除尘器、陶瓷过滤器和布袋除尘器中的一种或几种，所述洗涤设备较佳地为洗涤塔和/或中和反应塔。

本发明中，所述急冷塔为本领域常规设备，用于将所述双层回转式热解气化炉排出的烟气快速降温，并将一部分有毒气体和粉尘过滤掉，避免生产污染物。

本发明中，所述旋风除尘器为本领域常规设备，用于去除所述双层回转式热解气化炉排出的烟气中粒径较大(>5μm)的颗粒污染物。

本发明中，所述陶瓷过滤器为本领域常规设备，用于去除所述双层回转式热解气化炉排出的烟气中粒径较小(<10μm)的颗粒污染物。

本发明中，所述布袋除尘器为本领域常规设备，用于去除所述双层回转式热解气化炉排出的烟气中粒径较小的颗粒污染物。

本发明中，所述洗涤塔为本领域常规设备，用于去除所述双层回转式热解气化炉排出的烟气中粒径较小的颗粒污染物。

本发明中，所述中和反应塔为本领域常规设备，用于去除所述双层回转式热解气化炉排出的烟气中的酸/碱性污染物。

本发明还提供了一种应用了上述放射性有机废物处理设备的处理工艺，其包括如下步骤：

(1)将放射性废物和固化介质混合进入双层回转式热解气化炉的内层反应得到粗燃气和固化渣，所述粗燃气经粗燃气出口排出并进入二燃室，所述固化渣经灰渣出口排出并回收；

(2)向所述二燃室中通入空气，所述粗燃气与所述空气在所述二燃室内燃烧得到高温烟气，所述高温烟气经高温烟气出口排出并进入所述双层回转式热解气化炉的外层；

(3)所述高温烟气在所述双层回转式热解气化炉的外层与所述双层回转式热解气化炉的内层中的物料换热后，经低温烟气出口通过烟气排放管路排放。

本发明中，所述放射性废物为本领域常规，一般指含有放射性核素或被放射性核素污染，其浓度或比活度大于国家审管部门规定的清洁解控水平，并且预计不再利用的物质；所述放射性废物包括放射性液体废物和放射性固体废物，例如具有放射性或受放射性沾污的树脂制品、塑料制品、棉布制品、化学废液、废油、污泥浆、高碱废物和放射性蒸残液等。

本发明中，所述固化介质为本领域常规，用于使放射性废物转变为适于装卸、运输和暂存，性能指标满足处置要求的整块性固化体；所述固化介质较佳地为粘土、方钠石、霞石、黝方石、钠硅铝酸盐和稀土锆酸盐中的一种或多种。

本发明中，步骤(1)中，所述放射性废物中的放射性核素与所述固化介质的摩尔比较佳地为1：1.2～1：200。

本发明中，步骤(1)中，所述放射性废物在所述双层回转式热解气化炉中的停留时间较佳地为0.5～30h。

本发明中，步骤(1)中，所述双层回转式热解气化炉的反应温度较佳地为600～1400℃，更佳地为800～1200℃。

本发明中，步骤(1)中，所述双层回转式热解气化炉的工作压力较佳地为-50kPa～10MPa。

本发明中，步骤(2)中，所述二燃室中较佳地还通入燃气和/或燃油，以保持经高温烟气热交换后所述双层回转式热解气化炉的温度不低于设计值；所述燃气较佳地为天然气、煤气、液化石油气和生物质气中的一种或多种，所述燃油较佳地为重油、渣油、柴油、煤油和汽油中的一种或多种。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明通过二燃室所得高温烟气与放射性废物间接换热为反应提供热量，使内层原料自身的水分受热转化为蒸汽，双层回转式热解气化炉的特殊内层回转结构保证了固体原料和蒸汽在反应炉中的停留时间，利于固体原料和蒸汽的再接触混合，从而无需额外补充过热蒸汽，即可完成蒸汽重整和气化反应；

(2)本发明双层回转式热解气化炉中提供热量的高温烟气与放射性废物间接换热，还大幅减少了燃气中飞灰的携带量，减轻了后续净化系统的负担，极大的降低了放射性核素泄露的风险；

(3)本发明的双层回转式热解气化炉无需预处理，可连续化生产，适用范围广，装置简单，操作灵活，经济性好；

(4)本发明的放射性有机废物高温减容固化处理工艺采用蒸汽重整技术使有机物充分转化为燃气、放射性核素完全固化，处理后放射性废物减容比高，且主反应温度较常规焚烧处理低，尾气处理更简单，固体废渣较玻璃固化体更为稳定，不产生液体废物，也不会生成SO₂、NO_x和二噁英等污染物，洁净环保，安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1的工艺流程示意图。

图2为本发明实施例1的双层回转式热解气化炉结构示意图。

附图标记说明：1-双层回转式热解气化炉，2-二燃室，3-急冷塔，4-陶瓷过滤器，5-洗涤塔，6-辐射监测设备，7-烟囱；11-原料入口，12-高温烟气进口，13-低温烟气出口，14-粗燃气出口，15-灰渣出口。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1～2所示，本实施例提供了一种放射性有机废物处理设备，其包括双层回转式热解气化炉1、二燃室2、净化设备和辐射监测设备6；所述双层回转式热解气化炉包括一原料入口11、三个高温烟气进口12(含有一总烟气进口管)、一低温烟气出口13、一粗燃气出口14和一灰渣出口15，所述二燃室包括一空气进料口、一粗燃气进口和一高温烟气出口，所述粗燃气出口14与所述粗燃气进口相连通，所述高温烟气进口12与所述高温烟气出口相连通，所述低温烟气出口13与烟气排放管路相连通，所述烟气排放管路上设有所述辐射监测设备6，末端设有烟囱7；所述净化设备包括急冷塔3、陶瓷过滤器4和洗涤塔5，依次设于所述辐射监测设备6前端的所述烟气排放管路上；所述辐射监测设备6为R2000型固定式核辐射在线监测系统(德国柯雷技术有限公司)。

本实施例的放射性有机废物处理工艺包括下述步骤：

(1)将放射性废物和固化介质经原料入口11混合进入双层回转式热解气化炉1的内层反应得到粗燃气和固化渣，所述粗燃气经粗燃气出口14排出并经粗燃气进口进入二燃室2，所述固化渣经灰渣出口15排出并回收；

(2)经空气进料口向所述二燃室2中通入空气，所述粗燃气与所述空气在所述二燃室2内燃烧得到高温烟气，所述高温烟气经高温烟气出口排出并经高温烟气进口12进入所述双层回转式热解气化炉1的外层；

(3)所述高温烟气在所述双层回转式热解气化炉1的外层与所述双层回转式热解气化炉1的内层中的物料换热后，经低温烟气出口13通过烟气排放管路排放。

其中，步骤(1)中，所述放射性废物为放射性树脂10m³/天，所述固化介质为粘土550kg/天，所述放射性废物中的放射性核素与所述固化介质的摩尔比为1：20；反应所需炭块为500kg/天，气化炉反应温度为800℃，反应压力为0.1MPa，放射性废物在气化炉中的停留时间为5h。

本实施例所得固化渣中含碳量小于3％，产量为950kg/天；所得烟气主要成分为N₂(70.7％，体积分数，下同)、CO₂(12％)、O₂(6.5％)、H₂O(10.5％)，符合放射性废物管理系列导则HAD401/03-1997《放射性废物焚烧设施的设计与运行》、中国国家标准GB18484-2001《危险废物焚烧污染控制标准》和中国国家标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》的要求。

实施例2

本实施例的放射性有机废物处理设备与实施例1基本相同，区别在于，陶瓷过滤器更换为布袋除尘器，洗涤塔更换为中和反应塔。

本实施例的放射性有机废物处理工艺与实施例1基本相同，区别在于，所述放射性废物为放射性可燃衣物布料15m³/天，所述固化介质为方钠石、霞石(质量比2:1)共计350kg/天，所述放射性废物中的放射性核素与所述固化介质的摩尔比为1：1.2；反应所需炭块为300kg/天，气化炉反应温度为1200℃，反应压力为-10kPa，放射性废物在气化炉中的停留时间为2h。

本实施例所得固化渣中含碳量小于2.5％，产量为：380kg/天；所得烟气主要成分为N₂(71.2％，体积分数，下同)、CO₂(15.6％)、O₂(5.5％)、H₂O(7.2％)，符合《危险废物焚烧污染控制标准》GB18484-2001和《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996的要求。

实施例3

本实施例的放射性有机废物处理设备与实施例1基本相同，区别在于，除尘设备部分增设一旋风除尘器。

本实施例的放射性有机废物处理工艺与实施例1基本相同，区别在于，所述放射性废物为放射性化学废液15m³/天，所述固化介质为黝方石、稀土锆酸盐(质量比2:1)共计450kg/天，所述放射性废物中的放射性核素与所述固化介质的摩尔比为1：200，反应所需炭块为400kg/天，气化炉反应温度为600℃，反应压力为10MPa，放射性废物在气化炉中的停留时间为30h。

本实施例所得固化渣中含碳量小于3.5％，产量为：490kg/天；所得烟气主要成分为N₂(75.5％，体积分数，下同)、CO₂(17.1％)、O₂(2.3％)、H₂O(5.1％)，符合《危险废物焚烧污染控制标准》GB18484-2001和《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996的要求。

实施例4

本实施例的放射性有机废物处理设备与实施例1基本相同。

本实施例的放射性有机废物处理工艺与实施例1基本相同，区别在于，所述固化介质为钠硅铝酸盐共计350kg/天，所述放射性废物中的放射性核素与所述固化介质的摩尔比为1：20；反应所需炭块为300kg/天，气化炉反应温度为1400℃，反应压力为-50kPa，放射性废物在气化炉中的停留时间为0.5h。

本实施例所得固化渣中含碳量小于2.6％，产量为：360kg/天；所得烟气主要成分为N₂(72.2％，体积分数，下同)、CO₂(15.1％)、O₂(8.5％)、H₂O(4.2％)，符合《危险废物焚烧污染控制标准》GB18484-2001和《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996的要求。

对比例1

采用流化床蒸汽重整技术，其它条件与实施例2相同，不同之处在于：需要预先处理放射性可燃衣物布料，使其破碎为粒度合适的可流化原料；净化系统压力大，反应器内的固体颗粒(占比超过99％)需要在后续的净化系统捕集；需补充550℃过热蒸汽50m³/h进入反应器。

实施例2与对比例1相比，净化系统的投资与运行成本下降约60％，还省去了原料预处理系统、提供蒸汽的锅炉等设备及其运行成本，总的投资与运行成本下降约35％。

对比例2

采用固定床高温焚烧技术，其它条件与实施例1相同，不同之处在于：仍需要另置净化系统处理生成的SO₂、NO_x和二噁英等污染物。

常规固定床高温焚烧处理条件下，有机废物焚烧产生的污染物组成与其性质有关，其中硫元素转化为SO_x的转化率约为100％，氮元素转化为NO_x的转化率约为10％，挥发性氯元素转化为HCl的转化率约为100％，二噁英产生机理比较复杂，一般认为是氯、碳和氧等在焚烧过程中经过一系列反应生成。

由上述实施例及对比例可见，本发明可对核工业中产生的放射性有机废弃物进行高效减容固化处理，处理后产生稳定的固化渣和烟气。通过本发明的实施，可以为放射性有机废弃物的安全处理探索一条新的途径，具有显著的经济和环境效益，符合我国发展循环经济和生态工业的需求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。