核电站放射性废树脂处理装置的制作方法

本实用新型属于核电领域，更具体地说，本实用新型涉及一种核电站放射性废树脂处理装置。

背景技术：

核电站内的反应堆冷却水、乏燃料水池池水和工艺废水中存在部分放射性核素，如¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、⁶⁰Co等，这些放射性核素通常采用离子交换树脂进行净化处理，但当离子交换树脂吸附能力达到饱和、超过限定辐射水平或者颗粒磨损严重时需要对树脂进行更换。

放射性废树脂的处理存在较大难度，目前常用的处理方法主要有：水泥固化法、高整体性容器(HIC)装填法、热态超压处理法等，但这些方法都存在不同的缺点：

水泥固化法废物增容比大，不利于放射性废物最小化；树脂水泥固化体容易溶胀，会使固化体化学性能降低，产生破裂；

HIC装填法长期贮存后，废树脂会分解产生气体影响贮存库安全，而且HIC容器表面剂量率高，未对废树脂做处理，不利于废物最小化；

热态超压处理法是将废树脂进行干燥处理，然后通过超级压缩机将热态废树脂超压减容，形成压缩饼经过灌浆处理，但是热态超级压缩后的压缩饼存在反弹的风险，因为树脂容易吸水膨胀，容易造成包装桶破损，发生放射性泄漏，处理成本较高。

有鉴于此，确有必要提供一种减容效果好、泄漏风险小、经济性高、无二次污染、使用安全的核电站放射性废树脂处理装置，以将放射性核素包裹在化学性能稳定的矿化产物中。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种减容效果好、泄漏风险小、经济性高、无二次污染、不产生放射性废液、使用安全的核电站放射性废树脂处理装置，以将放射性核素包裹在化学性能稳定的矿化产物中。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种核电站放射性废树脂处理装置，包括：

流化床；

添加剂罐，出口与流化床入口连接，用于为流化床提供添加剂；

混合气体供给设备，与流化床入口连接，用于提供混合气体与流化床内废树脂发生重整反应；

高温过滤器，入口通过管线与流化床出口连接；

氧化器，入口与高温过滤器出口连接；

洗涤器，入口与氧化器出口连接，用于对经氧化器处理后的尾气进行洗涤；

以及

喷雾干燥器，与洗涤器连接，用于将带有放射性的洗涤液干燥为固体。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述混合气体供给设备包括储存有氧气的氧气罐、储存有氮气的氮气罐、水蒸气发生器和加热器，氧气罐和氮气罐与流化床入口连接，加热器入口与水蒸气发生器出口连接，加热器出口与流化床入口连接，加热器将水蒸气加热至600℃～800℃。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，还包括与流化床入口通过废树脂输送管线连接的废树脂储罐，废树脂输送管线连接有废树脂给料泵，用于将废树脂储罐中的废树脂输送到流化床进行流化处理。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，还包括与所述高温过滤器底部出口连接的固体废物收集罐，用于收集高温过滤器过滤后的固体。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述洗涤器的出口连接有风机，所述风机用于控制流化床在微负压下运行。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，还包括与所述风机连接的高效过滤器，高效过滤器出口与烟囱连通，高效过滤器与烟囱之间的管线上设置有放射性监测设备。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述流化床为内衬耐火材料的锥形底容器，下部设置有气体分布板。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述氧化器为内衬耐火材料的隔热锥形底容器。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述高温过滤器的过滤精度不小于400目，使用温度不低于800℃。

作为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的一种改进，所述废树脂输送管线上设置有取样口，用于对预处理的废树脂进行取样分析。

相对于现有技术，本实用新型核电站放射性废树脂处理装置具有以下有益技术效果：

1)可以实现更高的裂解率，实现高效减容，减容比可达6:1～15:1；

2)裂解矿化过程处于较低温度和负压环境下，减小了放射性核素挥发、泄漏的风险，经济安全；

3)解决了核电站现行技术二次污染问题，裂解后产生的合成气经处理后可转化为N2、CO2和水等无机物，处理过程中无二次污染产生，无放射性废液产生；

4)可使最终矿化产物将放射性核素束缚其中，形成的最终产物具备良好的稳定性及较低的核素浸出率，可收集在处置容器中直接进行安全处置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型核电站放射性废树脂处理装置进行详细说明，其中：

图1为本实用新型核电站放射性废树脂处理装置的结构示意图。

附图标记：

10-流化床；100-气体分布板；12-添加剂罐；添加剂输送管线120；14-混合气体供给设备；140-氧气罐；142-氮气罐；144-水蒸气发生器；146-加热器；16-高温过滤器；18-氧化器；20-洗涤器；22-喷雾干燥器；24-废树脂储罐；240-废树脂输送管线；26-废树脂给料泵；28-固体废物收集罐；30-风机；32-高效过滤器；34-放射性监测设备；36-固体废物收集罐；1-废树脂处理装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、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，对本实用新型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实用新型，并非为了限定本实用新型。

请参阅图1所示，本实用新型核电站放射性废树脂处理装置，包括：

流化床10；

添加剂罐12，出口与流化床10入口连接，用于为流化床10提供添加剂；

混合气体供给设备14，与流化床10入口连接，用于提供混合气体与流化床10内废树脂发生重整反应；

高温过滤器16，入口通过管线与流化床10出口连接；

氧化器18，入口与高温过滤器16出口连接；

洗涤器20，入口与氧化器18出口连接，用于对经氧化器18处理后的尾气进行洗涤；以及

喷雾干燥器22，与洗涤器20连接，用于将带有放射性的洗涤液干燥为固体。

流化床10为内衬耐火材料的锥形底容器，设置有作为入口的进料喷嘴、固体添加孔，氧气、氮气接口和水蒸气接口，顶部设置有一个出口，流化床10的下部设置有气体分布板100。

流化床10分别通过管线与上游的添加剂罐12、混合气体供给设备14和废树脂储罐24或上游产生废树脂的装置连接，作为废树脂、添加剂和高温混合气体的反应容器，能使固体、液体和气体充分混合，完全接触，并可承受约-0.03MPa的真空度和1000℃左右的高温，内部具有储存一定量固体的容纳空间，底部设置有方便固体排出的出口。流化床10具有高热传导效率、高可靠性和耐辐照能力。

作为本实用新型优选的一种实施方式，流化床10内的反应压力最好控制在-0.02MPa左右，废树脂在水蒸汽、氧气、氮气气氛下发生蒸汽重整反应，废树脂裂解成小分子物质，废树脂中的放射性核素被释放出来。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。

放射性核素与添加剂在流化床10中反应生成新的矿化物，生成的新矿化物属于长石类矿物，能够将废树脂产生的放射性核素牢牢捕获在晶格间，核素浸出素低，长期稳定性高，利于储存，能够实现放射性核素包容的目的。发生的反应主要如下：

NaOH+Al2O3-2SiO2→2NaAlSiO4+H2O；

6NaOH+nNaCl+3(Al2O3-2SiO2)→Na6Al6Si6O24(nNaCl)+3H2O；

6NaOH+nNaSO4+3(Al2O3-2SiO2)→Na6Al6Si6O24(nNaSO4)+3H2O。

生成的新矿化物在重力的作用下大部分沉积在流化床10的底部，产生的CO2、H2和未完全反应的CH4、CO、烃类等其他气体和氧气、氮气和水蒸气等通过流化床10顶部的出口进入高温过滤16，没有完全沉淀的固体颗粒或粉尘也一并从流化床10的顶部出口进入高温过滤器16，在高温过滤器16内进行气固分离。

经过流化床10流化反应后的长石类矿物因为重力沉积在流化床10的底部，待流化反应结束后，通过底部出口将矿化物送往固体废物收集罐36进行封存。

添加剂罐12与流化床10的固体添加孔通过添加剂输送管线120连接，添加剂罐12中的添加剂主要为高岭土Al2O3-2SiO2、NaOH、无机盐等，通过输送电机(未示出)为流化床10提供用于矿化反应的添加剂，为便于控制添加剂的输送量，添加剂输送管线120上设置有流量计(图未示出)和相应的调节阀(图未示出)，以根据废物的流量进行相应的添加剂流量调节。

进一步地，作为本实用新型一个优选的实施方式，混合气体供给设备14包括并联设置的储存有氧气的氧气罐140、储存有氮气的氮气罐142、水蒸气发生器144以及串接在水蒸汽发生器144后的加热器146，氧气罐140和氮气罐142与流化床10气体分布板100上方的入口连接，氧气进入流化床10后与流化床内的介质发生反应，氮气起到稀释氧气的作用。加热器146入口与水蒸气发生器144出口连接，用于加热水蒸气发生器144中的水蒸气，加热后的水蒸气温度达到600℃～800℃后经加热器146出口与流化床10气体分布板100下方的水蒸气入口连接，加热后的水蒸气经过气体分布板100，将流化床10内的介质流化。氧气和氮气可通过不同的入口进入到流化床10内，进一步地，为便于设计，并节省相应的管道设备，可将并联设置的氧气罐140和氮气罐142的出口通过管线串接在一根管线上，然后与流化床10气体分布板100上方的入口连接。为便于控制氧气、氮气和水蒸气的流量，在相应的管线上设置有流量计(图未示出)和调节阀(图未示出)，根据流化床10的反应能力进行气体流量控制。加热器146具备防爆功能，温度可精确进行调节。

高温过滤器16采用下进上出方式进行设置，下部的入口与流化床10顶部出口连接，从流化床10顶部出口出来的混合物经过高温过滤器16进行气体和固体分离，固体颗粒经高温过滤器16截留，在重力作用下经沉降在高温过滤器16底部进行暂存。高温过滤器16的过滤精度不小于400目，防止大颗粒固体颗粒从高温过滤器16的顶部出口进入氧化器18，高温过滤器16的使用温度不低于800℃，为使流化床10中未完全反应的物质能够在高温过滤器16内继续充分反应；高温过滤器16具有高温含尘气体的磨蚀抵抗能力。

作为本实用新型优选的一种实施方式，废树脂处理装置1还包括与高温过滤器16底部出口连接的固体废物收集罐28，用于对暂存在高温过滤器16底部的固体颗粒进行收集和后续处理。

氧化器18是一种内衬耐火材料的隔热锥形底容器，具有高热传导效率、高可靠性和耐辐照能力，用于对经过高温过滤器16过滤后从顶部流出的气体进一步进行高温氧化反应，氧化器18的入口设置在上部，与高温过滤器16顶部出口连接，在氧化器18内，通过在约-0.02MPa负压下将气体加热到1000℃，对未完成氧化的物质(H2、CO)经进一步氧化生成CO2和水。在氧化器18内，固体和气体能够充分混合，完全接触，氧化器18可承受-0.03MPa的真空度，并可承受1200℃的高温，并具有储存一定量固体的容纳空间，经氧化后残余的固体和气体从底部出口排出。

洗涤器20顶部设置有一个入口，上部设置有一个NaOH溶液入口和一个尾气排出口，底部设置有一个排出口，洗涤器20顶部入口与氧化器18底部出口连接，洗涤器20内盛装有配置好的NaOH标准溶液，用于除去氧化器18反应后尾气中的酸性气体，并对氧化器18中残余的固体进行洗涤，并通过实时测试洗涤器20中NaOH溶液的pH值来补充NaOH溶液和更换反应后的盐溶液。为便于充分对酸性气体进行中和反应，从氧化器18底部引出的管线一般需插入NaOH溶液的液面以下，NaOH溶液的液面低于NaOH溶液输入口和尾气排出口的位置。

喷雾干燥器22的入口与洗涤器20底部出口连接，为便于减少设备，喷雾干燥器22可直接设置在洗涤器20空间位置的下方，也可通过动力设备将洗涤器20中的洗涤液输送到喷雾干燥器22，用于将带有放射性的洗涤液干燥为固体。经过NaOH标准溶液中和后，洗涤器20中的溶液的放射性含量极低，洗涤器20中反应生成的盐、从过滤器16顶部出来的固体颗粒可直接经过喷雾干燥器22干燥为固体颗粒进行收集处理。

作为本实用新型一个优选的实施方式，经过洗涤器20洗涤后的尾气可通过设置在洗涤器下游的高效过滤器32进行过滤后，经高效过滤器32出口管线上设置的放射性监测设备34监测合格后，可直接通过烟囱对空排放。

进一步地，作为本实用新型的一个优选实施方式，还包括设置在流化床10上游的废树脂储罐24，废树脂储罐24用于接收含有放射性核素¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、⁶⁰Co等的待处理的放射性废树脂，废树脂储罐24通过废树脂输送管线240与流化床10的进料喷嘴连接，废树脂输送管线240上连接有废树脂给料泵26，用于将废树脂储罐24中的废树脂输送到流化床10进行流化处理。废树脂输送管线240上设置有流量计(图未示出)和调节阀(图未示出)，以保证废树脂在输送过程中，能实时对废树脂的流量进行监控，并通过调节阀控制进入流化床10中的流量。同时通过相应计算进一步控制添加剂和混合气体的供应量，确保流化床10中的废树脂能够充分反应。废树脂输送管线240上设置有取样口，以便对废树脂中放射性剂量进行取样分析，通过分析检测，可相应调整添加剂和氧气、氮气、水蒸气的输送量。废树脂储罐24上还设置有高低液位计(未示出)，以观察废物的储量，并实时调整流化反应。

废树脂给料泵26可设置在废树脂储罐24的里面，也可设置在废树脂储罐24的外面，废树脂给料泵26的速度可调，有压力、工作能力和状态显示，并可快速连接和拆卸，方便清洗，能传输干湿混合物。废树脂储罐24与上游产生废树脂的装置连接，上游装置产生的废树脂通过管线输送到废树脂储罐24中进行临时储存，当需要对废树脂进行处理时，启动废树脂给料泵26向流化床10输送废树脂，然后进行流化处理。

流化床10也可直接通过管线与上游产生废树脂的装置进行连接，当上游产生废树脂的装置产生废树脂时，直接输送到流化床10中进行流化处理。考虑到设备的稳定运行和操作便利性，最好将需要处理的废树脂临时储存在废树脂储罐24中。

为了防止流化反应过程中放射性物质泄漏，并为了使整个装置处于微负压下运行，便于混合气体、废树脂和添加剂顺利进入流化床10参加反应，进一步地，在洗涤器20和高效过滤器32之间设置有风机30，风机30运行时，确保流化床10的压力维持在约-0.02MPa，氧化器18的工作压力控制在约-0.02MPa。风机30同时可将经过洗涤器20洗涤后的气体通过风力作用输送到高效过滤器32进行过滤或直接送往下游其他系统进行处理。

相对于现有技术，本实用新型核电站放射性废树脂处理装置具有以下有益技术效果：

1)可以实现更高的裂解率，实现高效减容，减容比可达6:1～15:1；

2)裂解矿化过程处于较低温度和负压环境下，减小了放射性核素挥发、泄漏的风险，经济安全；

3)解决了核电站现行技术二次污染问题，裂解后产生的合成气经处理后可转化为N2、CO2和水等无机物，处理过程中无二次污染产生；

4)可使最终矿化产物将放射性核素束缚其中，形成的最终产物具备良好的稳定性及较低的核素浸出率，可收集在处置容器中直接进行安全处置。

根据上述原理，本实用新型还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型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，并不对本实用新型构成任何限制。