（环境工程专业论文）可燃放射性废物焚烧系统的设计.pdf

四川大学工程硕士学位论文 噫7 7 0 s 2 可燃放射性废物焚烧系统的设计 工程领域环境工程 研究生黄牛指导老师李正山王拓 在放射性废物中，有相当大比例是低中放可燃废物，这类废物零散存放， 不仅占用废物库的库容，而且非常不利于回取。同时一旦发生火灾等事故，可 能使废物库遭受放射性污染，甚至造成环境污染事故。 根据国家放射性废物管理要求，放射性废物必须进行必要的处理和整备， 且最终将进行处置。因此，为减少贮存和处置费用，消除放射性泄漏的隐患， 就必须对可燃放射性废物进行减容和稳定化处理。 焚烧是符合放射性废物最小量化原则，对可燃废物减容及稳定化处理的最 好措施。它是将可燃性( 固体、液体) 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。 可燃放射性废物的焚烧处理可以获得显著的减容和减重效果，减容系数可达 1 0 1 0 0 ，减重系数可达2 0 2 0 0 。 本设计较详细地论述了中物院放射性废物焚烧系统主工艺系统的作用、组 成、工艺条件以及关键设备的结构设计和辅助系统的组成；通过工程验证试验， 验证了主工艺系统、烟气净化系统、主要非标设备等设计的可行性和可靠性， 系统的处理能力、减容系数、减重系数、焚烧灰中残炭率以及烟气中污染物的 排放浓度等设计指标；总结了焚烧系统试运行的经验和存在的问题。 验证试验结果表明：本系统能够处理固体废物( 包括废树脂) 、废油和废石 墨三类废物：固体废物( 含湿树脂) 处理能力为2 3 9 2 6 o k g 1 1 ，废油的处理能 力7 5 8 2 l h ，废石墨的处理能力为5 k g ，h ；焚烧后废物的减容系数为5 1 8 8 9 3 ，减重系数为1 7 o 2 8 6 ；燃烧完全，焚烧灰残炭率 5 ，烟气中c o 浓度 四川大学工程硕士学位论文 满足有关的国家排放标准；烟气净化工艺的净化效率高，经过烟气净化后，粉 尘、重金属和酸性污染物均能达标排放；固体废物破碎机和热解炉性能良好， 满足废物的破碎和热解及烧焦要求。 本论文的主要创新点在于： 本焚烧系统是国内首台在自主研发的基础上建立并应用于工程实践的放 射性废物热解焚烧系统； 实现了固体废物、废油和废石墨的焚烧在同一系统中采用不同的焚烧工 艺，共用同一烟气冷却净化系统： 焚烧系统基本上无需或仅需少量辅助燃料助燃； 通过工程验证，比较全面地考察了系统运行情况和处理效果。 论文的研究结果为放射性废物焚烧系统的研究和设计提供了实践经验，为 焚烧系统工程化的推广和应用打下了良好的基础。 关键词放射性废物焚烧工艺设计工程验证 四川大学工程硕士学位论文 d e s i g no f i n c i n e r a t i o ns y s t e m f o rc o m b u s t i b l er a d w a s t e f i e l d ：e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g s t u d e n t ：h n a = n gn i n a d v i s o r ：l iz h e n g s h a n w a n g t u o a r e l a t i v e l yl a r g ep o r t i o no f r a d w a s t ei sc o m b u s t i b l e n es c a t t e r e ds t o r a g eo f h u g e w a s t en o t o n l yn e e d s al a r g er o o m ，b u ta l s oi sn o tc o n v e n i e n tt o t a k e m o r e o v e r ，t h ec h r o n i c a l l ys t o r e dr a d w a s t em a yr e s u l ti nt h er a d i o a c t i v e c o n t a m i n a t i o no ft h es t o r a g er o o ma n de v e nt h ea c c i d e n to fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni f t h ep a c k i n gm a t e r i a l sa r ed a m a g e dw h e nt h ea c c i d e n t ss u c ha sf i r eh a z a r do c c u i b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f n a t i o n a ll a w sa n ds t a n d a r d s ，t h er a d w a s t es h o u l d b eh a n d l e di na d v a n c eb e f o r es e n tt ot h en a t i o n a lp l a c eo f r a d w a s t ed i s p o s a l i no r d e r t od e c r e a s et h es t o r a g ea n dt h ed i s p o s a lf a r e ，e l i m i n a t et h ep o s s i n i l i t yo f r a d i o a c t i v e l e a k a g e ，i ti sn e c e s s a r yt or e d u c et h ew a s t ev o l u m ea n ds t a b i l i z ei t i n c i n e r a t i o nc o m p l i e sw i t ht h ep d n c i ，a lo f m i n i m u mr a d w a s t e ，a n di st h eb e s t m e t h o d o f r e d u c i n gt h ev o l u m ea n ds t a b i l i z i n g n ec o m b u s t i b l ew a s t er i nl i q u i do r i ns o l i d ) i sp l a c e di n t ot h eh i g ht e m p e r a t u r ef u r n a c et ob u m ，a n dt h ep r o d u c e di n e r t c i n d e ro ra s hc a l lb es o l i d i f i e df i l = r t h e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h ev o l u m e a n ds t a b i l i z a t i o n t h ec o m b u s t i o nd i s p o s a lo fc o m b u s t i b l er a d w a s t ec a ng r e a t l y r e d u c et h ev o l u m ea n dt h ew e i g h t t h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gv o l u m ec a nr e a c h1 0 t o1 0 0 ，a n dt h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gw e i g h t2 0t o2 0 0 t h i sd e s i g nd i s c u s s e si nd e t a i lt h er o l e ，c o m p o s i t i o n ，a n dt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o no fm a i nt e c h n o l o g ys y s t e mo fr a d w a s t ec o m b u s t i o ni nc h i n aa c a d e m yo f e n g i n e e r i n gp h y s i c s ，a n dt h es t r u c t u r ed e s i g n o fk e ye q u i p m e n t s ，a n dt h e c o m p o s i t i o no fa i ds y s t e m s t h ef e a s i b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fd e s i g no fm a i n t e c h n o l o g ys y s t e n ，f l u eg a sp u r i f i c a t i o ns y s t e m ，a n do t h e rc h i e fn o n s t a n d a r d e q u i p m e n t sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e db yt h ee n g i n e e r i n gp r o o ft e s t t h ed e s i g n h i 四川大学工程硕士学位论文 i n d i c e sf o rt h ed i s p o s a la b i l i t y ，t h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gv o l u m e ，t h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gw e i g h t ，t h ec a r b o nr e s i d u ei na s h ，a n dt h ep o l l u t a n td i s c h a r g ec o n c e n t r a t i o n o f f l u eg a s ，h a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d t h ee x p e r i e n c e sa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so f o p e r a t i o no f i n c i n e r a t i o ns y s t e m sh a v eb e e ns u m m a r i z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a l lh a n d l es o l i dw a s t e ，o i lw a s t e ， a n dg r a p h i t ew a s t e t h ed i s p o s a la b i l i t yf o rs o l i dw a s t ei sa b o u t2 3 9 2 6 0k e d h ，f o r o i lw a s t e7 5 8 2l h ，f o rg r a p h i t ew a s t e5 k g h t h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gv o l u m e i s5 1 8t o8 9 3 ，a n dt h ec o e f f i c i e n to f r e d u c i n gw e i g h ti s1 7 0t o2 8 6 t h ew a s t e b u r n sc o m p l e t e l y ，a n dt h ec a r b o nr e s i d u ei sl e s st h a n5 t h ec oc o n c e n t r a t i o ni n f l u eg a ss a t i s f i e st h en a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r d t h e p u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo f f l u e g a si se f f i c i e n t t h ed u s t ，t h eh e a v ym e t a l ，a n dt h ea c i dp o l l u t a n ta f t e rt h e p u r i f i c a t i o n ，w h i c hs a r i s f yt h ed i s c h a r g es t a n d a r d ，c a nb ed i s c h a r g e d t h ec r a c k e r a n dt h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nf u l t i a c ep e r f o r m a n c ew e l l ，a n dm e e tt h ed e m a n d so f b r e a k i n g ，p y r o l y s i s ，a n dc o r e - - b u r n i n go f w a s t e t h en e w p o i n t so f t h i st h e s i sa r e ：( a ) 锄si n c i n e r a t i o ns y s t e mi st h ef i r s ts y s t e m f o rt h ep y r o l y s i so fr a d w a s t e ，w h i c hi sd e v e l o p e da n ds e tu pb yo u r s e l v e sa n dh a s a p p l i e dt oe n g i n e e r i n gd i s p o s a l ；i f ) t h ed i f f e r e n ti n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rs o l i d w a s t e ，o i lw a s t e ，a n dg r a p h k ew a s t ec a nb ec a r r i e do u ti nt h es a l t l es y s t e m ；( c ) t h e c o m b u s t i o ns y s t e mn e e d sl i t t l eo rn oa i df u e l ；( d ) t h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a sb e e n t e s t e db yt h ee n g a n e e r i n gp r o o f t h er e s u l t so f t h i st h e s i sp r o v i d ee x p e r i e n c e sf o rt h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no f c o m b u s t i o ns y s t e mo f r a d w a s t ea n db a s e sf o ri t sa p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：r a d w a s t e ，i n c i n e r a t i o n ，t e c h n o l o g yd e s i g n ，e n g i n e e r i n gp r o o f i v 四川大学工程硕士学位论文 1 前言 1 1 引言 放射性废物是指任何含有放射性核素或被其污染的物质，其中放射性核素 的浓度或活度水平超过审管部门确定的清洁解控水平，而且这些物质在可预见 的将来无可利用。放射性废物以其具有放射性、放射毒性而区别于其他危险 废物。全世界自2 0 世纪7 0 年代，随着核武器生产和核电的迅速发展，放射性 废物急剧增长，如何安全处理和处置放射性废物已经成为保护人类环境的重要 研究课题之一。 放射性废物最重要的特性是其具有放射性和放射性毒性【2 】。放射性来自铀 及其子体元素的天然放射性和反应堆的裂变产物、超铀核素及放射性同位素产 生的放射性，放射性废物的放射性活度随时间推移而减小。放射性毒性是指某 种放射性物质进入人( 动物) 体内，放射性对人( 动物) 产生毒害特性，放射 性毒性目前无法用现有的化学、物理或其他方法消除，只能任其按固有的规律 衰变至无害水平，大部分放射性核素只需要几十天或一年的时间，即可衰变至 安全水平，但对于长寿命核素，则可能需要数万年才能衰变至安全水平。 美国、欧共体、加拿大、日本等较早发展核工业的国家，均产生了几万甚 至几十万立方米的放射性废物。我国核工业为增强国防实力，提高我国的国际 地位做出了卓著的贡献。但在核工业发展的四十多年中，也遗留下数万立方米 的放射性废物有待于进一步处理和处置。 在核工业产生的放射性废物中，有相当大比例是低中放可燃废物，主要有 固体废物( 棉织物、塑料、橡胶等) ，废离子交换树脂以及废油( 真空泵油、机 械油、煤油、柴油、汽油等) ，另外还有少量的废石墨、a 放射性废物、废萃取 剂等特殊废物。虽然在放射性废物管理方面采取了一定的措施，对这些废物进 行贮存，但是从现行的环境保护法规标准来看，还是远远不够的。大量的可燃 废物零散存放而未进行满足贮存和处理处置要求的整备，不仅占用废物库的库 容，而且由于包装标准很低，非常不利于废物的回取。同时大量的可燃废物进 行长期的贮存也是不安全的，一旦发生火灾等事故可能产生包装破损使废物库 遭受放射性污染，甚至造成环境污染事故，对环境安全构成极大的威胁。 四川大学工程硕士学位论文 随着我国放射性废物管理法规标准体系的不断健全，相应的管理制度逐渐 完善，对放射性废物的管理也日趋严格，放射性废物作为危险废物之一被列入 国家危险废物名录，成为需要重点加强管理的危险废物。为保护人类健康和环 境安全，国家有关放射性废物管理的法规标准要求对放射性废物进行必要的处 理和整备，并最终将送往国家放射性废物处置场进行处置。但放射性废物由于 其特殊的物理和化学性质，及其对人类和环境的极大危险性和危害性，其处置 技术相对要求很高，也必然导致废物处置库对废物接受要求高，对处置费用收 取高的结果。为减少贮存负担和费用，消除因火灾等原因造成的放射性泄漏的 隐患，使废物物理和化学性质满足处置要求，减少废物体积和运输与处置费用， 就必须对可燃放射性废物进行必要的减容和稳定化处理。 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口】，是将可燃性 ( 固体、液体) 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，也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，是可燃废物减容的最好措施。可燃 放射性废物的焚烧处理可以获得显著的减容和减重效果，减容系数可达 1 0 , 一1 0 0 ，减重系数可达2 0 , - - 2 0 0 ，其主要优点是：通过焚烧把可燃废物转化为惰 性无机物( 惰性焚烧灰) ，消除废物的热分解、发酵和着火的可能性，而且变 成易于固化、方便运输、贮存和处置的物质，无机化和稳定性较好，既提高了 废物贮存的安全性，获得最大的减容效果，又能够降低废物的运输、贮存和处 置费用和要求；其主要缺点是设备投资和处理费用较高。 1 2 国内外焚烧技术发展及应用现状 1 2 1 焚烧技术发展综述 放射性废物焚烧一般可分为干法焚烧和湿法焚烧两大类【2 j 。 干法焚烧工艺的开发较早，主要是围绕燃烧的完全程度和烟气净化效果进 行的。该工艺处理效率较高，但尾气净化工艺复杂。焚烧炉的主要形式有过量 空气式、控制空气式和热解焚烧等；主要炉型包括固定或活动炉排炉、过量空 气焚烧炉、控制空气焚烧炉、热解焚烧炉、流化床焚烧炉、回转焚烧炉、高温 熔渣炉等；结构系统主要由焚烧系统、净化系统、控制系统和通风系统等组成。 2 四川大学工程硕士学位论文 早期的焚烧炉以过量空气焚烧炉为主，但这种炉型的致命缺点是燃烧不完全； 控制空气焚烧炉或热解焚烧炉是为了克服这种缺点而发展起来的，这两种炉型 除可以完全燃烧外，还可以适应焚烧塑料、橡胶等难燃物的要求，在烟气净化 方面大多数采用干湿法结合的流程，即采用干法进行除尘净化，湿法进行酸气 净化，其特点是结构简单、操作方便、适应性强、燃烧完全，是目前乃至今后 的主流炉型。 湿法焚烧工艺尚处于研究阶段，其工艺可分为预处理( 监测、分类、切割) 、 酸浸煮、尾气处理、酸分馏( h 2 s 0 4 、h n 0 3 的分离、浓缩和回收) 和残渣处理 ( 回收钚、铀；固定) 等流程。主要炉型有热浓h 2 s 0 4 一m 帕3 型、浓h 2 s 0 4 一h 2 0 2 型和h z o z ( f 矿) 型，其主要优点是尤其适用于焚烧a 废物，其减容比 最大可达7 0 - - 8 0 ，并可回收废物中9 5 以上的钚和铀，且尾气处理工艺较简单， 但缺点是处理量小，处理效率较低，腐蚀性大。 1 2 2 国外焚烧技术发展及应用综述 国外许多国家对放射性废物的焚烧处理都十分重视早在5 0 年代就开始了 放射性废物焚烧技术的研究与开发，但这项技术直到7 0 年代后期才趋于完善。 国外目前已建立了四十余座放射性废物焚烧炉f 3 1 ，主要为过量空气型和控制空 气型。如瑞士联邦反应堆研究所的过量空气单室焚烧炉、欧洲核能机构的控气 式双燃烧室焚烧炉、德国卡尔斯卢厄核研究中心的控气式带后燃室的焚烧炉、 日本原研大洗所的控气式四燃室焚烧炉、加拿大布鲁斯的有后燃室的批式热解 炉、美国爱达荷国家工程实验室的带二级燃烧室的回转妒以及比利时的高温造 渣炉等。这些焚烧炉均已运行三十多年，积累了大量而丰富的经验和教训，焚 烧技术已日趋完善。 1 2 3 国内焚烧技术发展及应用综述 在我国也曾经在核工业单位建遣过放射性废物焚烧炉，这些装置由于缺乏 技术研究基础，运行状况较差，主要体现在燃烧不完全，灰中残碳量高，发烟 严重，烟气净化效率低等。由于这些原因，大部分焚烧炉已经停止使用。 上海工业卫生研究所在试验炉的基础上建立起一套过量空气式废物焚烧 装置，其运行情况相对较以往的焚烧炉有较大改善，但仍然存在燃烧不完全， 3 四川大学工程硕士学位论文 灰中残碳量高等缺点，特别是不能处理塑料、橡胶含量高的废物。该装置自建 成后很少运行。 中国辐射防护研究院针对我国放射性废物的特点，从研究焚烧机理入手， 开展了放射性废物焚烧技术的研究，确定了热解焚烧工艺，开发出放射性固体 废物热解一焚烧的基本炉型。该焚烧炉的特点是燃烧完全、减容效果明显、运 行平稳、对废物组成适应性强、烟气净化流程简单、净化效率较高、能耗较低。 1 3 本论文的主要内容 中物院可燃放射性废物种类繁多，既有固体废物，又有废油和废石墨，因 此，焚烧系统必须适用于这三种类型的废物，同时由于放射性核素的存在，焚 烧系统必须具有足够的安全性。通过对热解焚烧、过量空气焚烧和控气带后燃 室焚烧的三种废物焚烧技术进行综合比较，本着工艺先进、技术可行、性能良 好、工程造价低、满足各类可燃放射性废物焚烧处理要求的设计原则，最终在 放射性固体废物热解一焚烧系统的基础上，针对中物院放射性废物的特点，通 过开展废油和废石墨的焚烧技术研究，以及废物破碎等补充试验后，设计并建 立了适合中物院放射性废物特点的放射性固体废物和废油采用热解焚烧、废石 墨采用固定床式焚烧的可燃放射性废物焚烧系统。 本论文将就中物院可燃放射性废物焚烧系统的设计和工程验证等内容进行 系统介绍。全文共分九个部分，各部分主要内容如下： 1 前言 2 放射性废物焚烧系统的设计依据。 3 放射性废物焚烧系统的设计原则与指标。 4 放射性废物焚烧系统的主工艺系统，主要包括：前处理系统、焚烧系统 和烟气冷却净化系统。 5 放射性废物焚烧系统的辅助系统。 6 建设情况。 7 放射性废物焚烧系统的工程验证。 8 放射性废物焚烧系统的试运行经验和存在的问题。 9 结论。 4 i 四j ) l 大学工程硕士学位论文 2 放射性废物焚烧系统的设计依据 2 1中国工程物理研究院可燃核废物焚烧装置项目可行性研究报告 2 2中国工程物理研究院可燃核废物焚烧装置项目环境影响报告书 2 3 中国工程物理研究院可燃核废物焚烧装置项目安全分析报告 2 4 g b 5 0 1 8 7 9 3 工业企业总平面设计规定 2 5g b 8 7 0 3 8 8 辐射防护规定 2 6g b l 4 5 0 0 - - 9 3 放射性废物管理规定 2 7e j 4 2 9 - - 8 9 放射性工作场所区级划分与管理规定 2 8g m1 6 8 7 建筑给水排水设计规范 2 9g b 3 0 9 5 - - 9 6 大气环境质量标准 2 1 0 工艺、自控和建筑等设计的有关规定和所提供的相关资料 5 四川大学工程硕士学位论文 3 放射性废物焚烧系统的设计原则与指标 3 1 放射性废物焚烧系统的设计原则 3 1 1 放射性废物的分拣 在废物焚烧前，使用放射性监测仪、金属探测器等对废物进行检查，分拣 出满足焚烧要求的废物。 3 1 2 焚烧废物的类型 焚烧系统既可以焚烧固体废物，又可以焚烧液体废物和废石墨。 3 1 3 废物放射性含量的限制 焚烧炉的设计必须要确定废物中放射性含量的限值，保证焚烧灰中的比活 度低于限值，以确保工作人员在任何情况下不致受到过量的照射。 3 1 4 废物的破碎要求 固体废物的破碎要满足投料要求，湿树脂要设脱水和烘干装置，石墨的破 碎要保证粒径在7 2 0 m m 的碎石墨占7 5 以上。 3 1 5 热解焚烧炉的适应性 热解焚烧炉对固体废物组成的变化有较强的适应性。 3 1 6 废液的焚烧要求 对于有机废液，包括污油、润滑剂、溶剂等，应配备焚烧专用的喷嘴或燃 油器进行单独焚烧，少量的可以与于固体废物混合焚烧。 3 1 7 废气排放要求 烟气净化系统应保证经处理后排放到大气的放射性核素不得超过匡l 家标准 规定的限值，并经辐射监测合格后才能经烟囱向大气排放。 3 1 8 焚烧灰的处理要求 焚烧灰中聚集了7 0 以上的放射性核素，炉灰是一种弥散物质，必须进一 步的固定处理。 3 1 9 焚烧系统的控制要求 焚烧系统的运行控制采用自动、遥控和手动相结合的方式，自控点同时设 置手动控制。 6 匹川大学工程硕士学位论文 3 1 1 0 系统的腐蚀影响 焚烧系统的材质要耐高温和酸性气体的腐蚀，碱洗系统要耐含氯碱液腐蚀。 3 1 1 1 焚烧系统的辐射防护措施 焚烧系统的设计必须考虑会危及工作人员安全或产生向环境不可控制的放 射性释放的各种假设的运行事件和事故工况，最重要的是考虑焚烧工艺失去控 制的影响和废气或焚烧灰中的放射性核素的意外释放。 焚烧工艺应有适当的屏蔽或远距离操作，尤其卸灰系统要考虑远距离操作。 3 1 1 2 焚烧系统的气密性 整个焚烧系统都应在负压下运行，将放射性包容在焚烧系统中，防止放射 性外溢。 对废物进料、卸灰、焚烧灰的输送和固化、废气过滤器的更换应采取适当 措施防止放射性扩散。 3 1 1 3 临界控制 焚烧含铀废物的焚烧炉必须有严格的临界控制措施，规定装载限值，避免 易裂变材料积累到临界质量。 3 4 应急措施 焚烧系统应设置防爆、防过压措施及动力中断时的应急措旌。 3 1 1 5 监测要求 焚烧厂房要设置剂量监测，焚烧尾气要设置放射性浓度监测点。 3 2 放射性废物焚烧系统的设计指标 3 2 1 焚烧废物的形态 固体废物：布、纸、木、塑料、橡胶、树脂等；废液：机油、真空泵油、 有机溶剂等；废石墨。 3 2 2 焚烧方式 固体废物：热解焚烧( 热解温度4 5 0 8 0 0 c ，焚烧温度9 0 0 1 0 5 0 c ) 液体废物：喷雾焚烧( 温度9 0 0 1 0 5 0 c ) 废石墨：固定床式焚烧( 温度8 0 0 9 0 0 。c ) 3 2 3 焚烧系统的处理能力 7 四川大学工程硕士学位论文 固体废物：1 5 2 0 k g h ；液体废物：7 5 l h ，废石墨：5 k a j h 。 3 2 4 焚烧系统处理效果 废物燃烧完全，烟气中无黑烟，燃烧后的烟气中c o 含量o 2 。 固体废物：焚烧的减容比不低于4 0 ：1 ，焚烧灰中残碳量不超过5 ； 废石墨：焚烧的减客比不低于5 0 ：1 ，焚烧灰渣量2 。 3 2 5 放射性废物的处理 工艺废气：焚烧炉产生的放射性烟气分别经过袋滤器( r t - - 9 5 ) 、文丘里 及填料塔的碱洗( r l - - 9 8 9 9 ) 、高效过滤器( r l = 9 9 9 9 ) 的净化，并监测合 格后，经引风机与排风系统混合后由高烟囱排入大气。其中焚烧产生的非放射 性烟气的排放控制限值见表l 。 表1非放射性烟气排放控制限值h p l 竺二篓鎏竺望笺筮兰盘 烟气黑度林格曼1 级 烟尘 1 0 0 8 06 5 一氧化碳 1 0 0 8 08 0 二氧化硫4 0 0 3 0 0 2 0 0 氯化氢 1 0 07 0 6 0 氮氧化物 5 0 0 汞及其化合物 o 1 镉及其化合物 o 1 砷、镍及其化合物 1 0 铅及其化合物 1 0 二瞎英类o 5 t e q n g 佃3 废液：废碱液和放射性废水经特排管道输送至低放废水处理站进行处理， 经处理并监测满足排放标准5 1 后排放。 焚烧灰：收集在灰桶中运送到水泥固化车间进行固化，固化体送至废物库 暂存。 8 四川大学工程硕士学位论文 4 放射性废物焚烧系统的主工艺系统 4 1 焚烧技术 放射性废物焚烧根据其燃烧形式和工艺温度，可分为过量空气焚烧 ( 8 0 0 - - 1 0 0 0 ) 、控制空气焚烧( 8 0 0 , - l 0 0 0 ) 、热解焚烧( 5 0 0 - - 6 0 0 ) 、高温 熔渣焚烧( 1 4 0 0 - , 1 6 0 0 。c ) 和流化床焚烧( 8 0 0 ( 2 ) 6 7 。目前绝大多数放射性废 物焚烧炉是过量空气焚烧炉和控制空气焚烧炉两种。 4 1 1 过量空气焚烧炉 过量空气焚烧炉 7 1 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( 如切向) 送入( 称二 次风或火下风) 。它是最简单，也是最古老的，且目前应用最广的燃烧技术。 为使燃烧尽量完全，需要炉膛满足以下条件：( 1 ) 足够高的温度；( 2 ) 足 够的空气；( 3 ) 足够的停留时间；( 4 ) 强烈的气流扰动。经验表明：燃烧温度 不能低于8 0 0 c 。温度高对提高燃烧速率有利，但不能超过耐火衬里长期工作 所能经耐的温度。为保证足够高的温度，绝大多数炉子都需要补充燃料( 如柴 油、丙烷等) 或借助电热。炉膛应有足够大的容积，以便燃烧反应有充足的时 间得以完成。炉膛中空气供应量必须大于理论量，空气过剩系数可高达2 3 。 为增加燃烧气流的湍流程度，炉膛常设计成各种流道形式，并在适当部位安装 各种形式的空气或蒸汽喷嘴。燃烧机制决定了在这种焚烧炉中无法避免焦油、 烟炱的产生，而且这些产物一旦产生，就很难烧掉。为了烧掉这些产物，需要 建立一个或几个后燃烧室，以提供很长的停留时间，每个后燃烧室都要烧油( 或 其他燃料) 助燃，这将增大能耗。含合成材料( 如塑料、橡胶和离子交换树脂) 的废物比含天然纤维类材料( 如纸、布和木) 的废物要难燃烧得多，在燃烧时 前者的焦油、烟炱的生成量要高得多。因此在过量空气焚烧炉中不宣焚烧含合 成材料的废物。 9 四川大学工程硕士学位论文 过量空气焚烧炉的优点是结构简单和操作方便：产物容易处理；能够处理 各种状态和数量的废物。其主要缺点是很难实现完全燃烧：烟气中焦油、烟炱 含量高；由于炉膛中气流扰动程度大，气流携带的灰分( 飞灰) 较多，废物中 的不挥发核素载在飞灰上，造成烟气放射性浓度高，对烟气净化系统要求高： 对废物的热值要求不能变化太大，炉温过高或变化幅度大，都会使炉膛的耐火 衬里烧坏；能耗高，不易自动化。 典型的过量空气焚烧炉流程 8 1 见图1 。 图1 过量空气焚烧炉流程图 4 1 2 控制空气焚烧炉 控制空气焚烧炉7 】【9 1 是为克服过量空气焚烧炉的缺点而发展起来的，是将主 燃烧室或热解室设计成采用空气量低于化学计量值的焚烧炉。控制空气焚烧炉 通常至少有一个后燃室或燃烧室用于尾气更完全的燃烧。 在这种焚烧炉中，燃烧分两步进行。废物先在空气量控制在理论量之下的 条件下( 所提供的空气量是化学计量需要量的3 0 1 0 0 ) ，即氧不足的条件 下，以及不太高的温度下，在有耐火材料衬里的主燃烧室进行燃烧，废物中可 燃的和挥发性的组分发生挥发、热解以及部分与空气燃烧，燃烧反应提供了脱 1 0 四州大学- r t 硕士学位论文 去挥发份和热解所必需的热能：积炭以及气体燃烧和熟解产物进入有耐火材料 衬里的二级燃烧室，这些产物在温度高、空气过量的有利环境下，在二级燃烧 室充分燃烧，使气态成分燃尽，从而抑制了焦油、烟炱的生成。液体废物能够 在主燃烧室或第二级燃烧室中焚烧。 处理对象包括低热值和高热值的废物、打包的或分散的固体、污泥、低热 值和高熟值的有机液。 控制空气焚烧炉的主要特点是空气量少和气体流速小，以减少从废物床载 带颗粒物，燃烧完全。其主要优点：( 1 ) 能处理范围较广的固体、液体、污泥 和气体废物；( 2 ) 可控制焦油、烟炱的生成；( 3 ) 可作为辅助燃料的废料采用 这种方式较多；( 4 ) 主燃烧室采用较低的空气流速可减少颗粒夹带；( 5 ) 主燃 烧室中的空气量低于化学计量值有助于限制过高的温度：( 6 ) 适合于处理可燃 性塑料类，咀及发热量大、烟灰量多的废物。 其主要缺点：( 1 ) 需要对废物进行预处理和分类；( 2 ) 不适合于处理含有 易熔灰的废物、大体积的废物、或者大量非可燃的废物；( 3 ) 耐火材料易于积 累释放y 射线的镅；( 4 ) 一些系统部件，尤其是进料系统、清灰系统和密封件 等有可能出现磨损和腐蚀现象。 4 1 _ 3 热解焚烧炉 热解焚烧炉是属于控制空气焚烧炉的种类型。热解过程需要一种还原气 氛，这种气氛一般通过将空气供应量限制在低于化学计量水平的方法保持。有 机材料的热解引起材料的裂解，并使其挥发性成分馏出，形成可燃液体和蒸汽。 蒸汽主要由甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、水和像乙烷、丙烷、油类和焦 油等更为复杂的碳氢化合物组成。热解后反应残余物是焦。热解是吸热过程， 因此，需要连续热源维持进行，这种热源可以是热空气或可燃气体，此外周围 废物自身燃烧所产生的热量也可以维持热解过程的进行。 扩散燃烧的速率决定于分解产物与氧气扩散混合的速率。由于分解产物的 释放速率远大于它与氧气扩散混合的速率，通过扩散混合很难及时供应燃烧所 需的氧气，不能及时被氧化的分解产物，在高温下发生深度热解和缩聚等副反 应而产生焦油、烟炱等产物。这就是物料不容易完全燃烧的主要原因1 1 。 热解一焚烧的基本特点是从燃烧机理入手，人为地把物料的热解与热解产 四川大学工程硕士学位论文 物的燃烧分开进行，即先使物料在中温缺氧的环境中受热裂解，生成小分子的 挥发产物( 气体、焦油) 和热解焦，焦进行表面燃烧，然后将燃气引出，使之 与足够的空气充分混合后再在高温燃烧室进行预混燃烧。这一过程使扩散混合 条件大大地改善，燃烧反应很快完成，抑制了焦油、烟炱等不完全燃烧产物的 生成，达到完全燃烧。由于一次风速低，夹带的飞灰量少，有利于烟气净化。 对含有较多塑料、橡胶成分的废物进行焚烧处理比较合适。 热解焚烧炉的优点同控制空气焚烧炉，其主要缺点是：易产生焦油，燃烧 时间较长。 4 2 焚烧方案 4 2 1 焚烧方案的比较 完整的放射性废物焚烧系统主要由前处理系统、焚烧系统和烟气净化系统 三部分组成，即废物一前处理一焚烧一烟气净化一尾气排放。根据废物性状和 处理要求，按照放射性废物焚烧系统的设计要求，结合国内外放射性废物焚烧 技术现状，提出三种焚烧方案，分别为过量空气式带后燃室焚烧炉、过量空气 式焚烧炉和热解焚烧炉。三种焚烧炉的具体工艺流程分别见图2 、图3 和图4 。 1 2 四川大学工程硕士学位论文 尾气排放 图2 过量空气式带后燃室焚烧炉工艺流程 1 3 四川大学工程硕士学位论文 柴油一一一 固体废物 尾气排放 图3 过量空气式废物焚烧炉工艺流程 1 4 四川大学工程硕士学位论文 排放 图4 热解焚烧炉工艺流程 空气 四川大学工程硕士学位论文 三种焚烧方案的综合指标比较见表2 。 表2 三种焚烧方案的综合指标比较表 根据表2 的描述，综合三种焚烧方案的优缺点如下： 过量空气带后燃室焚烧炉的优点是历史长，应用广泛，最为成熟，且有较 长的成功运行经验：废物前处理较简单，烟气净化效率和酸气吸收效率较高。 缺点是燃烧不完全，需借助高温陶瓷过滤器进一步烧掉烟炱和焦油；对废物的 分拣要求严格，必须严格控制废物中聚氯乙烯( p v c ) 的比例( 因为不能有效 地防止h c l 对系统的腐蚀) ：高温陶瓷过滤器的寿命较短，更换频繁，维修工 1 6 四川大学工程硕士学位论文 作量大，二次废物多；不适于处理废石墨和含p v c 的废物：工程投资大。 过量空气式焚烧炉的优点是设备结构和操作简单。缺点是燃烧不完全( 烟 气中有黑烟，灰中残碳率高) ，无酸气吸收系统，系统无防腐措施，不适于处理 废石墨，实际运行经验少。 热解焚烧炉的优点是工艺先进，对废物的适应能力强，能在一套焚烧装置 上处理固体、液体废物和废石墨；废物燃烧完全( 烟气中无黑烟，c o 浓度低， 灰中残碳率低) ；烟气净化效率和酸气吸收效率较高，工程投资和运行费用较低。 缺点是成熟程度不如过量空气式焚烧炉，且废物前处理要求较严格。 此外，考虑到中物院放射性废物的种类繁多，不仅有天然纤维类( 如纸、 布、木等) ，还有较多的合成材料( 如塑料、橡胶、离子交换树脂等) ，它们 从燃烧机制上均属于热解焚烧，即物料首先受热裂解，生成挥发性的小分子产 物( 简称燃气) 和焦，然后燃气在气相中进行扩散燃烧，裂解焦进行表面燃烧。 天然纤维的基本结构单元是纤维素，它们热解的产物主要是醇、醛、酸等 含氧饱和有机化合物。而合成材料的热解产物主要是不饱和烃，不饱和烃发生 深度裂解和缩聚反应的倾向，比含氧饱和有机物强烈得多。所以合成材料极难 完全燃烧，并且在燃烧中要产生极为浓重的黑烟( 焦油和烟炱) 。虽然通过改 善过量空气焚烧炉的燃烧情况和强化后燃烧( 如设置一个或多个后燃烧室) 来 烧掉焦油和烟炱这些不完全燃烧的产物，但效果均不理想【“ 。而最合理的方法 就是设法实现完全燃烧，以抑制焦油和烟炱的生成，而不是在它们生成后再设 法燃烧掉。从燃烧机理上看，热解焚烧能够有利于实现完全燃烧，解决这个问 题。 另外，在过量空气焚烧过程中，存在热塑性塑料( 如聚氯乙烯、聚乙烯) 受热熔化，会通过炉排滴漏下来，或造成炉排的阻塞、熔断的问题。而在热解 焚烧过程中，位于热解炉下层的焦不断烧掉，同时上面不断产生新的焦，因此， 在热解炉的下端总保持相当厚度的焦层。由于料层温度自上而下越来越高，热 解层中的热塑性塑料在受热熔化向下流动中，将接触到越来越热的料层，裂解 也越来越快，在它到达炉排之前就已完全裂解，从而不会产生熔漏现象。 4 2 2 焚烧方案的选择 综合上述的比较分析，最后确定采用热解焚烧炉。 1 7 四川大学工程硕士学位论文 本放射性废物焚烧系统包括主工艺系统和辅助系统。主工艺系统由前处理 ( 进料) 系统、热解焚烧系统和烟气冷却净化系统组成；辅助系统由控制系统、 安全系统和其他辅助系统组成。 所处理的放射性废物包括固体可燃废物( 包括废树脂) 、废油和废石墨。 4 3 放射性废物焚烧系统主工艺系统 4 3 1 废物前处理系统 废物前处理系统的目的是将废物处理成适合焚烧的状态，主要包括固体废 物前处理、废油前处理和废石墨前处理三部分。 4 3 1 1 固体废物前处理 固体废物的前处理主要包括分拣、破碎和再包装等三部分。固体废物前处 理系统见图5 。 1 8 四川大学工程硕士学位论文 1 9 喇媒霰量蠡鐾瘴玳 匦膜情嚣隧翻承楹察髓基回m匦 四川大学工程硕士学位论文 一、分拣 分拣的作用是将固体废物中可能混杂的少量不可燃物( 如金属、玻璃、砖 头等) 分拣出来，以防止其对破碎和焚烧系统产生不良影响。 分拣的方法有手工分拣、磁选、感应式金属检测、重力分选、风选等。本 系统采用手工分拣和金属探测相结合的方式。 分拣必须考虑工作人员的辐射防护和对环境影响问题，采取的主要措施有： ( 一) 对废物的污染核素种类及污染水平进行确认； ( 二) 配置可满足屏蔽要求的分拣手套箱； ( 三) 根据需要配备分拣辅助工具( 如夹具、机械手等) ： ( 四) 提高设备的自动化程度； ( 五) 加强设备的密封性能； ( 六) 个人穿戴防护衣具和佩带个人剂量计。 二、破碎 破碎的作用是将大块可燃固体废物进行适当的破碎，以达到加料和焚烧的 要求。 ( 一) 破碎机的设计要求 普通工业破碎机对于放射性废物的破碎存在以下一些缺陷：1 大都为单一 物料破碎机，无法满足不同性状废物同时破碎的要求；2 设各的结构形式无法 满足辐射防护要求；3 多为高速破碎 1 2 】圈，飞尘量大，存在发生火灾的隐患。 放射性固体废物破碎机的工艺技术条件如下： 1 能同时破碎纸、布、木、塑料、橡胶等废物； 2 慢速破碎，破碎后的物料以块状为主，尽量避免粉尘的产生； 3 允许废物中混杂有少量不易分拣的不可燃物( 如小尺寸的铁丝、螺栓等) ； 4 破碎机在卡料时能自动应急清理； 5 破碎能