压水堆低中放废物玻璃固化的可行性研究

1、压水堆低中放废物玻璃固化的可行性研究为 了 获 得 韩 国 核 电 站 产 生 的 各 种 低 中 放 废 物 的 产 生 量 和 组 分 资 料， 已 经 进 行 了 调 查 研 究。 收 集 的 数 据 已 用 于 低 中 放 废 物 玻 璃 固化 的 实 验 室 规 模 的 实 验 以 及 技 术 和 经 济 评 价。 选 择 性 地 对4种 有 希 望 的 熔 炉， 即 直 接 感 应 加 热 冷 坩 埚、 用 垂 直 电 极 加 热 的 冷 坩 埚、 量 子 催 化 提 取 流 程 和 等 离 子 体 喷 管， 进 行 了 技 术 评 价， 以 确 定 可 利 用 的 最 好 熔 炉

2、。 在 实 验 室 研 究 低 中 放 废 物 玻 璃 固 化 的 可 能 性 期 间， 首 先 对 可 燃 废 物(例 如 防 护 衣 物 和 聚 乙 烯 片)和 离 子 交 换 树 脂 进 行 了 高 温 分 解/氧 化， 以 获 得 能 很 好 包 含 在 相 关 硼 硅 酸 盐 玻 璃 中 的 高 质 量 高 温 分 解/氧 化 灰。 发 现 温 度 范 围 为400800 的 高 温 分 解/氧 化 可 以 将 废 物 转 化 为 能 很 好 弥 散 和 混 合 在 熔 融 玻 璃 中 的 粉 末。 后 来， 用 实 验 室 的 冷 试 验 研 究 了 三 种 类 型 的 玻 璃 固

3、 化 设 备， 以 实 验 焚 烧 炉 灰 和 蒸 发 器 残 液 的 干 燥 产 物 的 玻 璃 固 化 可 能 性。 在 这 三 种 不 同 类 型 的 熔 炉 中， 发 现 白 金 坩 埚 最 适 于 玻 璃 固 化 实 验。 因 此 用 它 来 帮 助 了 解 与 废 物 类 型 有 关 的 硼 硅 酸 盐 玻 璃 固 化 废 物 体 的 最 佳废 物 含 量。 玻 璃 固 化 实 验 作 业 完 成 后 进 行 的 抗 压 强 度 试 验 表 明， 包 含 多 达40%(体 积)的、 在400800 由 高 温 分 解/氧 化 产 生 的 炉 灰， 具 有 良 好 的 机 械 稳 定

4、 性 和 玻 璃 基 质 的 均 匀 性。 对 技 术 评 价 选 择 的4种 处 理 策 略 及 采 用 的 熔 炉 进 行 了 经 济 评 价。 评 价 对 韩 国 低 中 放 废 物 处 理 已 经 采 用 的 设 备 进 行 了 一 些 考 虑。 估 算 了 采 用 每 种 策 略 所 需 的 投 资 费 和 运 行 费， 并 且 根 据 废 物 类 型 和 处 理 方 案 合 理 估 计 的 减 容 因 子 计 算 了 处 置 废 物 的 体 积。 根 据 处 置 费 用 的 分 析 和 技 术 评 价 的 结 果， 发 现 最 佳 的 策 略 是 将 用 等 离 子 体 喷 管 处

5、 理 可 燃 废 物 同 用 冷 坩 埚 处 理 不 可 燃 废 物 结 合 起 来。1 引 言由 于 对 环 境 的 高 度 关 注， 处 置场 选 址 的 困 难， 处 置 费 用 的 增 加 和 目 前 对 低 中 放 废 物 缺 乏 适 当 的 方 法， 对 低 中 放 废 物 处 理 的 技 术 进 行 开 发 的 必 要 性 正 在 高 速 增 长。 因 为 低 中 放 废 物 玻 璃 固 化 这 种 新 技 术 能 显 著 减 小 废 物 体 积 并 且 在 费 用 合 理 的 条 件 下 可 提 供 较 为 稳 定 的 废 物 体， 所 以 被 认 为 是 最 有 发 展 前

6、途 的 低 中 放 废 物 处 理 新 技 术。 目 前， 世 界 范 围 都 倾 向 用 它 来 处 理 低 中 放 废 物。 对 于 低 中 放 废 物 的 处 理， 已 进 行 了 可 行 性 研 究 以 确 定 是 否 应 该 采 用 玻 璃 固 化 技 术。 为 了 提 出 推 荐 的 策 略， 已 建 议 执 行 合 理 的 开 发 策 略。 研 究 集 中 于 玻 璃 固 化 实 验， 并 对 核 电 站 产 生 的 低 中 放 废 物 的 玻 璃 固 化 进 行 了 技 术 和 经 济 评 价。作 为 第 一 步， 首 先 分 析 了 废 物 产 生 的 倾 向， 以 确 定

7、每 年 的 废 物 产 生 量 和 每 类 废 物 的 特 征。 评 论 了 几 种 类 型 废 物 产 生 的 体 积 及 其 组 成， 这 些 废 物 从1978年 韩 国 的 核 电 站 投 入 商 业 运 行 以 来 就 已 产 生， 它 们 是 可 燃 废 物(有 机 离 子 交 换 树 脂、 防 护 衣 物 和 鞋 等)、 不 可 燃 废 物(液 体 过 滤 器、 金 属 废 物、 混 凝 土 和 砂 等)和 含 硼 废 液。为 了 进 行 技 术 评 价， 选 择 和 评 定 了4种 正 在 世 界 范 围 内 开 发 和 研 究 的 最 有 发 展 前 途 的 熔 炉， 它 们

8、 是 直 接 感 应 加 热 的 冷 坩 埚 熔 炉(ccm)、 垂 直 电 极 加 热 的 冷 坩 埚 熔 炉(ccve)、 量 子 催 化 提 取 流 程(qcep)和 等 离 子 体 喷 管(pt)， 以 确 定 韩 国 可 使 用 的 最 好 熔 炉。 为 了 给 经 济 评 价 选 择 熔 炉， 首 先 对4种 最 有 发 展 前 途 的 熔 炉 进 行 了 详 细 的 技 术 评 价， 技 术 评 价 考 虑 了 废 物 进 料、 熔 炉 寿 期、 寿 期 内 的 材 料 更 换、 通 过 能 力、 废 气 对 挥 发 性cs和 有 毒 材 料 的 夹 带 以 及 废 洗 涤 液

9、返 回 熔 炉 本 身 的 可 能 性。使 用 基 于 先 前 调 查 研 究 的 结 果 配 制 的 模 拟 废 物 和 三 类 实 验 室 规 模 玻 璃 固 化 熔 炉(罐 式 熔 化 器、 白 金 坩 埚 和 焦 耳 加 热 熔 炉)， 进 行 了 实 验 室 规 模 的 冷 试 验， 以 研 究 可 燃 的 干 放 射 性 废 物(daw)(诸 如 防 护 衣 物 和 聚 乙 烯 片)、 离 子 交 换 树 脂 以 及 蒸 发 器 残 液 玻 璃 固 化 的 可 能 性。 为 了 评 定 最 佳 的 废 物 预 处 理 条 件， 试 验 了 可 燃 废 物(诸 如 聚 氯 乙 烯、

10、防 护 衣 物、 有 机 离 子 交 换 树 脂)的 高 温 分 解/氧 化 和 蒸 发 器 残 液 的 干 燥。 首 先 将 高 温 分 解/氧 化 和 干 燥 作 业 的 产 物 以 及 玻 璃 形 成 剂 加 入 熔 炉 空 腔， 加 热 将 它 们 转 化 为 熔 融 的 玻 璃 化 混 合 物， 然 后 将 它 们 浇 注 入 容 器。 为 了 评 定 各 类 废 物 的 高 温 分 解 灰/干 燥 产 物 在 硼 硅 酸 盐 玻 璃 中 的 最 佳 含 量， 测 量 了 不 同 含 量 的 几 个 样 品 的 抗 压 强 度。 为 了 研 究 直 接 玻 璃 固 化 的 可 能 性

11、， 曾 直 接 将 可 燃 的daw和 废 树 脂 加 入 罐 式 熔 化 器 和 白 金 坩 埚。然 后 针 对 选 择 的 熔 炉 和 韩 国 目 前 已 经 采 用 的 低 中 放 废 物 处 理 设 备， 对4种 低 中 放 废 物 处 理 策 略 的 经 济 性 进 行 了 详 细 的 评 定。 估 算 了 采 用 每 种 策 略 所 需 的 投 资 费 和 运 行 费， 并 且 根 据 废 物 类 型 和 处 理 方 案 合 理 估 计 的 减 容 因 子 计 算 了 处 置 废 物 的 体 积。 然 后 使 用 可 能 的 单 位 处 置 费 范 围(例 如250020000美

12、元/m3)计 算 了 可 能 的 处 置 费。 最 后， 基 于 总 费 用 和 对 每 种 策 略 的 技 术 评 价 的 结 果， 选 出 了 最 好 的 策 略。2 废 物 特 征 和 产 生 的 体 积核 电 站 产 生 的 低 中 放 废 物 可 以 分 为 可 燃 的 和 不 可 燃 的 干 放 射 性 废 物、 废 树 脂、 废 液 体 过 滤 器 和 蒸 发 器 残 液(含 硼 废 液 浓 缩 物)。 为 了 获 得 中 低 放 废 物 的 年 度 产 生 体 积 和 组 分 的 数 据， 我 们 调 查 研 究 了 韩 国 核 电 站 产 生 的 每 类 废 物 的 特 征

13、和 产 生 量 发 展 趋 势。 表1列 出 建 有 两 座1000mwe压 水 堆 的 厂 址 产 生 的 废 物 特 征 和 每 年 平 均 产 生 的 体 积。 产 生 的 总 体 积 为132.8m3(61.49t)， 其 中 可 燃daw为99m3(19.8t)， 不 可 燃daw为14m3(21t),蒸 发 器 残 液为15.6m3(17.16t)， 废 树 脂 为3.6m3(2.63t)和 报 废 液 体 过 滤 器 为0.6m3(0.9t) 。在 韩 国， 可 燃 的 和 不 可 燃 的daw都 分 为4类 装 桶。 换 句 话 说， 可 燃 废 物 分 为 下 列4类 装 桶

14、：(1)聚 乙 烯 片 和 鞋 套；(2)防 护 衣 物 和 鞋；(3)纸 和 木 材；(4)海 绵。 就 不 可 燃 的daw来 说， 它 分 为 混 凝 土 和 沥 青、 空 气 过 滤 器、 玻 璃 和 金 属、 砂。 表2列 出 每 类daw的 组 分。表2所 列 各 类 废 物 的 产 生 体 积 是 用 每 年 平 均 产 生 的 桶(210升 桶)数 乘 以 考 虑 的 在 桶 压 实 比 计 算 出 来 的。 每 类 废 物 的 产 生 重 量 是 用 产 生 的 体 积 乘 以 平 均 密 度 估 计 出 来 的。 美 国 电 力 研 究 所(epri)的 报 告 列 出 了

15、 铁-55、 钴-60、 镍-63和 铯-137等 主 要 放 射 性 核 素 在 各 类 废物 中 的 含 量， 并 指 出 每 类 废 物 总 的 比 活 度 按 下 列 顺 序 减 小： 废 树 脂、 废 过 滤 器、daw和 蒸 发 器 残 液。 表1列 出 放 射 性 数 据。如表1和2所示，低中放废物的组成非常复杂。如果对daw进行高温分解或焚烧，那么还要产生各种不同类别的化学物质。3 技 术 评 价3.1 对4种 最 有 前 途 熔 炉 的 分 析如 引 言 部 分 所 述， 对 技 术 评 价 来 说， 选 用 了4种 熔 炉， 即 直 接 感 应 加 热 的 冷 坩 埚(cc

16、m)、 垂 直 电 极 加 热 的 冷 坩 埚(ccve)、 量 子 催 化 提 取 流 程(qcep)和 等 离 子 体 喷 管(pt)。 其 中ccm和ccve已 分 别 在 法 国 和 美 国 的 高 放 废 液 玻 璃 固 化 中 得 到 了 使 用。 为 了 用 于 处 理 低 中 放 废 物， 他 们 正 在 对 流 程 和 设 备 进 行 修 改。 在 新 出 现 的 处 理 低 中 放 废 物 的 熔 炉 中， 深 信qcep和pt是 最 有 前 途 的。 表3列 出 每 种 熔 炉 的 特 征， 即 熔 炉 寿 期、 处 理 能 力、 操 作 温 度、 废 物 进 料 和 减

17、 容 因 子 等。 这 些 资 料 取 自 参 考 文 献。ccm的 熔 炉 寿 期 数 据 看 来 非 常 保 守， 因 为 它 是 根 据 高 放 废 物 玻 璃 固 化 的 经 验 估 计 的。 其 他 熔 炉 的 寿 期 是 在 没 有 实 际 经 验 的 条 件 下 估 计 的， 所 以 数 据 多 半 不 会 这 样 保 守。 关 于 废 物 中 挥 发 性cs的 夹 带， 就ccm和ccve的 夹 带 量 来 说， 按 照 所 有 废 物 都 高 温 分 解 并 玻 璃 固 化 于 熔 融 玻 璃 中 的 假 设 确 定， 至 于qcep和pt的 夹 带 量， 则 使 用 参 考

18、 文 献11 的 预 测 值。如 表4所 示， 选 择 作 为 评 价 因 素 的 重 要 项 目 的 计 分 范 围 为15。 表4还 列 出 了 有 关 运 行 和 维 修 费 用 效 益 的 重 要 性 权 重 倍 增 系 数。 评 价 项 目 包 括： 处 理 能 力、 可 维 修 性、 废 气 对 诸 如cs核 素 等 挥 发 性 物 质 的 夹 带、 熔 炉 寿 期 和 废 物 进 料。 作 为 评 价 准 则， 要 求 设 施 的 处 理 能 力 达100kg/h， 这 是 按 它 能 处 理4座1000mwe压 水 堆 产 生 的 所 有 废 物 而 且 每 年 能 运 行20

19、80h确 定 的。表5汇 总 了 技 术 评 价 的 结 果， 从 表5可 以 看 出， 对 韩 国 来 说，ccm是 最 有 前 途 的。 不 过， 出 于 下 列 原 因， 可 能 需 要 对 所 有 低 中 放 废 物 都 实 施ccm和pt：(1)ccm的 熔 融 玻 璃 对 一 些 低 沸 点 的 核 素 和 有 毒 物 质 具 有 良 好 的 保 留 能 力。 另 外， 废 洗 涤 液 可 以 返 回ccm。 不 过， 能 够 输 入ccm的 金 属 废 物 有 限；(2)pt可 以 处 理 所 有 类 别 的 废 物 而 不 需 要 任 何 预 处 理。 然 而 pt也 有 一

20、个 缺 点， 即 处 理 过 程 中 大 量 放 射 性cs可 能 挥 发， 从 而 多 半 会 增 加 废 气 处 理 系 统 的 屏蔽 费 用。 另 外， 产 生 的 废 洗 涤 液 多 半 不 能 返 回pt。 因 此，pt可 能 产 生 较 多 二 次 废 物。3.2 废 物 有 关 玻 璃 固 化 的 特 征3.2.1 含 硼 废 液在 核 电 站， 安 装 一 台 废 液 蒸 发 器 可 显 著 减 小 含 硼 废 液 的 体 积。 含 硼 废 液 首 先 在 蒸 发 器 被 浓 缩， 然 后 将 蒸 浓 液 送 入 液 体 干 燥 器/煅 烧 器， 最 后 在 直 接 感 应 加

21、 热 冷 坩 埚 中 或 垂 直 电 极 加 热 冷坩 埚 中 玻 璃 固 化。含 硼 废 液 干 燥 后 的 主 要 组 分 是 四 硼 酸 钠(na2b4o7)粉 末， 它 是 由 加 入 来 控 制ph的naoh 溶 液 与 硼 酸 作 用 形 成 的。 预 期 它 与 主 要 组 分 为4050%(重 量)b2o3+na2o的 熔 融 硼 硅 酸盐 玻 璃 是 相 容 的。 不 过 也 存 在 两 个 问 题： 因 为 硼 硅 酸 盐 玻 璃 中 硼 氧 化 物 的 含 量 限 值 约 为25%( 重 量)， 所 以 干 燥 粉 末 的 加 入 熔 炉 可 能 使 硼 过 量； 因 为

22、 硼 酸 和 四 硼 酸 钠 的 熔 点 较 低(分 别 是18 5 和741)， 所 以 它 们 可 能 过 多 的 挥 发， 而 挥 发 的 硼 酸 在 管 道 内 表 面 的 沉 积 可 能 引 起 废 气处 理 系 统 部 件 的 腐 蚀。 熔 炉 的 操 作 温 度 约 为1300 或 更 高， 大 大 超 过 了 这 些 化 合 物 的 熔 点。熔 炉 的 操 作 温 度 超 过 熔 点 多 半 会 引 起 控 制 玻 璃 组 成 的 困 难。3.2.2 废 离 子 交 换 树 脂广 泛 用 于 放 射 性 废 液 处 理 的 离 子 交 换 树 脂 主 要 可 分 为 有 机 类

23、 和 无 机 类。 苯 乙 烯-二 乙 烯 苯 共聚 物(c8h8)n是 用 于 制 备 合 成 的 有 机 树 脂 的 网 状 材 料。 向 网 状 材 料 加 诸 如 磺 酸 基、 季铵 或 其 他 官 能 团 等 活 性 官 能 团 可 以 制 备 有 机 阳 离 子 和 阴 离 子 交 换 树 脂。 无 机 树 脂 一 般 由 诸 如铁 酸 盐 和 沸 石 以 及 多 孔 玻 璃 等 无 机 氧 化 物 制 成。 有 机 树 脂 在 核 电 站 已 获 得 广泛 的 使 用。 不 过 近 来 的 发 展 趋 势 是 用 无 机 树 脂 代 替 有 机 树 脂， 因 为 前 者 具 有

24、一 些 优 点： 使 用无 机 树 脂 产 生 的 废 树 脂 体 积 较 小 和 废 无 机 树 脂 较 容 易 处 理。如 表1所 示， 废 树 脂 具 有 较 高 的 放 射 性。 废 树 脂 中， 铯-137的 浓 度 相 当 高， 铯-137的 沸 点仅 为670， 与 熔 炉 的 约1300 或 更 高 的 操 作 温 度 相 比 较， 显 得 很 多 低。 如 果 用 等 离 子 体 喷管/电弧 熔 炉 处 理 废 树 脂， 废 树 脂 所 含 的 铯 超 过40%将 进 入 废 气 处 理 系 统。 为 了 避 免 大 部 分 铯挥 发， 可 加 入 玻 璃 形 成 剂， 以

25、包 容 铯 入 玻 璃 化 废 物 体 中。 美 国 太 平 洋 西 北 实验 室(pnl)的 报 告 提 出， 如 果 树 脂 和 氧 直 接 加 入 熔 融 玻 璃 中， 那 么 废 无 机 树 脂 中 的 铯 超 过98% 可 保 留 在 玻 璃 化 废 物 体 中。 就 有 机 树 脂 来 说， 阳 离 子 交 换 树 脂 中 的 磺 酸 官 能团 的 分 解 和 氧 化 产 生 的 二 氧 化 硫 多 半 会 引 起 腐 蚀 作 用。 使 用 无 机 树 脂 就 不 可 能 产 生 腐 蚀 问 题。3.2.3 不 可 燃 废 物如 表1所 示， 废 液 体 过 滤 器 的 放 射 性

26、 在 核 电 站 产 生 的 废 物 中， 低 于 废 树 脂， 居 第 二 位， 不 过它 的 体 积 较 小。 它 们 由 各 种 不 同 的 过 滤 器 介 质， 诸 如 丝 纤 维、 纤 维 素 和 金 属 框 架 等 组 成。已? 弦 禾 骞 似 鞯 慕 橹 识 钥 蚣 艿 奶 寤 仍 嘉?3 。 表2已 经 指 出， 空 气 过滤 器 由 用 玻 璃 纤 维 和 活 性 炭 制 作 的 过 滤 器 介 质(80体 积%)和 用 诸 如 纸、 镀 锌 钢 和 不 锈 钢 等 材料 制 作 的 过 滤 器 框 架(20体 积%)构 成。因? 袒 勐 荒 艽 斫 鹗 艉 扛 叩 姆 衔

27、铮 杂 玫 壤 胱 犹 迮 绻?电弧 熔 炉 来 处 理 过 滤器 和 金 属 可 能 是 适 当 的。 可 以 将 未 经 任 何 预 处 理 的 这 些 废 物 装 入 等 离 子 体 熔 炉。 过 滤 器 介 质中 的 有 机 物 质 将 完 全 分 解， 而 含 核 素 的 非 金 属 残 渣(炉 渣)将 漂浮在 熔 融 金 属 表 面 上。 可 以 将熔 渣 和 熔 融 金 属 分 开 排 卸 出， 排 卸 出 的 熔 融 金 属 经 辐 射 测 量 后 可 能 重 新 投 入 使 用。可 以 用 玻 璃 固 化 熔 炉 来 处 理 除 空 气 过 滤 器、 玻 璃 和 金 属 以

28、外 的 其 他 不 可 燃 废 物， 以 取 得 减 容效 果。 但 是 如 果 将 类 似 玻 璃 组 成 的 废 物 加 入 熔 炉 作? 纬 杉 粒 敲 唇 龃 蠹 跞 菀 蜃 印?br 3.2.4 可 燃 废 物表1和2表 明， 可 燃 废 物 是 核 电 站 的 主 要 废 物， 它 们 由 主 要 组 分 为 纤 维 和 聚 乙 烯 的 各 种 配 料 组成。 由 于 下 列 原 因， 用 高 温 分 解(通 过 玻 璃 熔 炉 前 面 的 预 处 理 或 高 温 分 解)来 代 替 目 前 正 在 采用 的 通 过 在 熔 炉 中 的 燃 烧 进 行 的 焚 化， 对 可 燃 废

29、 物 来 说 是 合 乎 需 要 的：(1)废 气 和nox的产 生 量 可 能 要 少 些；(2)更 多 的 重 金 属 和 硫 多 半 会 留 在 残 渣 中；(3)由 于 高 温 分 解 期 间 不 存 在氧 化 性 环 境， 所cr3+转 化 为 毒 性 更 大 的cr6+的 份 额 要 小 很 多。在 温 度 为400800 范 围， 纤 维 素 可 能 按 下 式 高 温 分 解：6c6h10o57co+5co2+ch4+6h2o+3c4h9o3+8c+其 他如 果 聚 乙 烯 被 高 温 分 解， 那 么 将 产 生 诸 如 乙 烯、 丙 烯 和 乙 醇 等 约35种 化 学 产

30、 物。4 低 中 放 废 物 玻 璃 固 化 的 可 行 性 试 验4.1 实 验 材 料 和 程 序4.1.1 材 料未 被 放 射 性 污 染 的 防 护 衣 物 和 聚 乙 烯 片 是 从 古 里-2核 电 站 获 得 的。 它 们 被 剪 切 为1cm1cm ， 以 便 进 行 高 温 分 解。 使 用 从 上 述 核 电 站 获 得 的 阴 离 子 和 阳 离 子 交 换 树 脂(rohm & hass公 司生 产 的amberite irn-77和 78)来 吸 附 地 下 水 中 的 离 子。 用 硼 酸 和 地 下 水 的 混 合 配 制 模 拟 废液。 混 合 液 中 的 硼

31、 酸 浓 度 定 为 接 近17%(重 量)， 并 用naoh溶 液 将ph调 为8.0。硼 硅 酸 盐 玻 璃 已 广 泛 用 于 高 放 废 液 的 玻 璃 固 化， 在 低 中 放 废 物， 也 一 样 使 用 它， 但 对 混 合 物中 诸 如sio2、na2o、b2o3(junsei化 学 公 司 产 品)和al2o3(wako纯 化 学 工 业 公司 产 品)等 化 学 试 剂 的 用 量 进 行 了 控 制。4.1.2 废 物 预 处 理在400、600、800、1000和1300 对 防 护 衣 物 和 聚 乙 烯 片 进 行 了 高 温 分 解， 以 找 出 适 宜 的 高温

32、 分 解 条 件 和 测 定 仅 使 用 高 温 分 解 方 法 可 以 获 得 的 减 容 因 子。 高 温 分 解 在 用 电 阻 加 热 器 加 热的 高 温 室 内 进 行， 其 间 向 室 内 连 续 供 应 的 氧 少 到 不 足 以 发 生 煅 烧 和 出 现 火 焰。 随 后 在 同 一 高温 室 用 喷 入 足 够 空 气 的 方 法 继 续 进 行 约3小 时 的 氧 化 过 程， 以 减 少 高 温 分 解 产 生 的 炉 灰 中 的炭 含 量。 在 对 有 机 离 子 交 换 树 脂 进 行 高 温 分 解/氧 化(po)时， 试 验 条 件 和 目 的 与 对 防 护

33、 衣 物所 做 试 验 相 同。 为 了 测 定 每 类 废 物 产 生 的 高 温 分 解/氧 化 炉 灰 的 组 分， 进 行 了 傅 立 叶 变 换 红外 光 谱、x射 线 衍 射 和x射 线 荧 光 分 析。对 硼 酸 含 量 约 为17%(重 量)的 模 拟 蒸 发 器 残 液 进 行 干 燥 处 理， 以 形 成 白 色 粉 末。4.1.3 玻 璃 固 化 可 行 性 试 验如 图1所 示， 在 这 一 可 行 性 研 究 中， 使 用 了 三 类 玻 璃 固 化 设 备， 即 罐 式 熔 化 器、pt坩 埚 和 焦耳 加 热 熔 炉。 罐 式 熔 化 器 以 批 量 作 业 运

34、行 于1250。 在 将 高 温 分 解/氧 化 产 生的 炉 灰/干 燥 过 的 产 物(poa/dp)和 玻 璃 形 成 剂 加 入 陶 瓷 罐 的 同 时， 用 外 设 的 电 加 热 器 对 其 加热。 罐 式 熔 化 器 用 于 找 出 适 宜 的 玻 璃 固 化 条 件， 如 适 宜 的 玻 璃 形 成 剂 熔 化 温 度 和 玻 璃 化 废 物体 的 组 织 结 构。pt坩 埚 以 批 量 作 业 运 行 于1250。poa/dp和 玻 璃 形 成 剂 加 入pt坩 埚 后， 用 高 电 流 直 接 加 热。 pt坩 埚 广 泛 用 于 玻 璃 固 化 试 验， 理 由 如 下：

35、pt不 与 玻 璃 或 其 中 所 含 杂 质 发 生 化 学 反 应： 由 于 pt的 电 阻 特 征， 使 它 具 有 很 好 的 加 热 性 质；pt的 熔 点 很 高。图1 实 验 室 规 模 的 玻 璃 固 化 熔 炉焦 耳 加 热 玻 璃 熔 炉 用 于 在1250 连 续 对 废 物 进 行 玻 璃 固 化。 装 在 有 耐 熔 材 料 衬 里 的 熔 融 空 腔中 的 熔 融 玻 璃 用 向 插 入 其 中 的 两 根 电 极 之 间 通 电 的 方 式 加 热。 将poa/dp和 玻 璃 形 成 剂 加 入 熔炉， 待 转 化 为 熔 融 玻 璃 后， 浇 注 入 处 置 容

36、 器。 熔 融 玻 璃 是 通 过 设 在 熔 炉 底 部 的pt排 卸 管 排 出的。 在 上 述 试 验 中， 事 先 将5、10、20、25、30或40%(体 积)的 炉 灰 与 玻 璃 形 成 剂 混 合， 并 测量 体 积 后 才 加 入 熔 炉 空 腔。 所 用 玻 璃 粉 用 混 合 化 学 试 剂 制 得， 其 组 分 范 围 是：2025%(重 量 )b2o3na2o、3745%(重 量)sio2和35%(重 量)al2o3。为 了 试 验 可 燃 的daw和 离 子 交 换 树 脂 直 接 玻 璃 固 化 的 可 行 性， 将 它 们 直 接 加 入 到 罐 式 熔 化 器

37、和pt坩 埚 的 顶 部。 换 句 话 说， 将 切 碎 的 可 燃daw和 离 子 交 换 树 脂 直 接 加 入 到 熔 融 玻 璃 的 表 面， 于 是 它 们 在 操 作 温 度 为1250 条 件 下 发 生 高 温 分 解(见 图2)。图2 防 护 衣 物 和 离 子 交 换 树 脂 的 直 接 玻 璃 固 化4.1.4 稳 定 性 试 验玻 璃 固 化 不 仅 要 求 减 容， 而 且 希 望 将 低 中 放 废 物 固 化 入 长 期 稳 定 的 高 质 量 玻 璃 化 废 物 体 中。稳 定 性 要 求 的 问 题 可 能 包 括 最 终 玻 璃 产 物 的 耐 浸 出 能

38、力、 机 械 耐 久 性、 环 境 耐 久 性 和 耐 生 物降 解 能 力。 在 本 研 究 中， 调 查 研 究 了 机 械 耐 久 性。 因 此， 在 调 查 研 究 玻 璃 固 化 材 料 的 耐 久 性期 间 试 验 了 抗 压 强 度(标 准 要 求 无 侧 压 废 物 体 的 抗 压 强 度 大 于3.5mpa)。对 于抗 压 强 度 试 验， 采 用 了 尺 寸 为20(宽)15(长)40mm(高)的 长 方 形 样 品， 所 用 压 力 强 度 试 验机 为 美 国instron公 司 生 产 的instron-4510型。4.2 实 验 结 果 和 讨 论4.2.1 废 物

39、 的 预 处 理对 于 含 金 属 的 可 燃daw的 高 温 分 解/氧 化， 操 作 温 度 为8001300 时， 所 得 炉 灰 为 坚 硬 的 粗颗 粒。 然 而， 如 操 作 温 度 降 为400800， 则 可 以 获 得 细 粉 末 状 的 炉 灰。傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 和x射 线 分 析 指 出， 在 高 温 分 解/氧 化 产 生 的 炉 灰(poa)中， 存 在co、mn 、si、cr、nb、ni、c和 其 他 金 属。 炉 灰 的 重 量 为 原 始 可 燃daw重 量 的0.51.0%(重 量)。然 而， 就 有 机 离 子 交 换 树 脂 来 说， 由

40、 于poa中 的 金 属 含 量 较 可 燃daw高 温 分 解 产 生 的 炉 灰 中 的金 属 含 量 高， 所 以 其poa占 原 始 重 量 的810%(重 量)。 因 为 金 属 一 般 较 有 机 物 难 于 挥 发， 所以 留 下 的 炉 灰 量 和 炉 灰 中 的 金 属 含 量 的 差 别 可 以 归 因 于 废 离 子 交 换 树 脂 的 金 属 含 量 大 于 可燃daw的 相 对 值。4.2.2 玻 璃 固 化 可 行 性 和 稳 定 性 试 验由 玻 璃 固 化 前 在8001300 产 生 的poa和 硼 硅 酸 盐 玻 璃 形 成 剂 组 成 的 玻 璃 固 化

41、产 物 样 品， 不管 是 哪 类 废 物， 即 使 最 终 玻 璃 基 质 中 只 百 分 之 几 的 废 物， 产 物 也 是 不 均 匀 的， 机 械 强 度 很 低。 这 或 许 是 由 炉 灰 的 组 织 结 构 造 成 的。 然 而， 对 于 含 有 在400800 获 得 的poa的 样 品， 即 使 炉 灰 的 含 量 高 达40%(体 积)， 玻 璃 固 化 产 物 的 基 质 也 是 均 匀 的， 它 的 机 械 强 度 良 好。对 于 玻 璃 基 质 中 含 有 经 过 干 燥 过 的 蒸 发 器 残 液(它 的 主 要 组 分 是 硼 酸 粉 末)的 样 品， 由 于

42、它 在玻 璃 中 的 溶 解 度 限 制， 必 须 考 虑 硼 的 氧 化 物 最 大 含 量 为25%(重 量)。图3示 出 每 种 废 物 玻 璃 的 抗 压 强 度 与 其poa/干 燥 产 物 含 量 的 关 系。 如 图3所 示， 就 防 护 衣 物、聚 乙 烯 片 和 废 树 脂 来 说， 随 着 最 终 玻 璃 产 物 中 的 炉 灰 含 量 的 增 加， 抗 压 强 度 很 快 降 到 纯 玻 璃数 值 的1/5或1/6。 不 过 即 使 玻 璃 固 化 废 物 体 的 炉 灰 含 量 高 达40%(体 积)， 它 仍 具 有 适 当 的 机械 性 质。 换 句 话 说， 从

43、实 验 室 试 验 获 得 的 玻 璃 固 化 产 物 具 有 良 好 的 机 械 稳 定 性。 然 而 对 于 干燥 的 蒸 发 器 残 液 的 玻 璃 固 化 来 说， 玻 璃 固 化 产 物 中 的 废 物(干 燥 的 蒸 发 器 残 液)含 量 增 加， 其抗 压 强 度 也 不 怎 么 改 变。在 直 接 玻 璃 固 化 试 验 期 间， 由 于 存 在 高 温， 熔 融 玻 璃 表 面 的 高 温 分 解 进 行 得 很 快。 深 信 需 要较 长 时 间(例 如， 可 能 需 要 几 小 时)才 能 使 炉 灰 通 过 熔 融 玻 璃 中 的 自 然 对 流 混 合 作 用 达

44、到 均 匀分 布 于 熔 融 玻 璃 中。 虽 然 熔 融 玻 璃 中 发 生 了 自 然 对 流， 但 是 炉 灰 在 熔 融 玻 璃 中 的 分 布 也 不 总是 均 匀 的， 因 此 在 玻 璃 固 化 的 最 终 产 物 发 现 了 无 规 则 的 聚 集 体、 不 均 匀 的 分 散 和 碳 粒 子。 玻璃 固 化 最 终 产 物 的 不 稳 定 性 可 以 归 因 于 混 合 差。基 于 玻 璃 固 化 最 终 产 物 的 机 械 耐 久 性 而 提 出 的 产 物 组 成 为：sio2，3750%(重 量)；al2 o3，35%(重 量)；b2o3+na2o，1520%(重 量)

45、； 废 物，540%(重 量)。图3 每种废物的玻璃固化产物的抗压强度与其炉灰或干燥产物含量的关系5 4种 处 理 策 略 的 经 济 评 价四 种 处 理 策 略 的 经 济 评 价 示 于 图47。 所 以 选 这4种 处 理 策 略 是 因 为 基 于 韩 国 目 前 的 情 况 和假 设 采 用ccm和(或)pt来 玻 璃 固 化 低 中 放废 物， 从 技 术 观 点 来 看， 它 们 是 合 理 的。 如 图4所 示， 策 略i是 目 前 韩 国 采 用 方 案。 目 前， 对于daw， 采 用 超 级 压 实 机 进 行 压 实 处 理； 对 于 废 树 脂， 于 在 线 混 合

46、 系 统 用 水 泥 进 行 固 化； 对于 报 废 的 液 体 过 滤 器， 则 装 入 具 水 泥 衬 里 的 容 器。 对 于 液 态 的 放 射 性 废 物， 先 在 蒸 发 器 进 行浓 缩， 然 后 用 水 泥 进 行 固 化。 如 果 干 燥 器 装 置 完 全 建 成， 那 么 在 最 近 的 将 来， 可 以 对 蒸 发 器残 液 进 行 更 频 繁 的 干 燥 处 理 并 用 石 蜡 来 固 化。 目 前 只 一 些 核 电 站 使 用 了 干 燥 和 石 蜡 固 化 系 统。 使 用 合 理 估 计 的 减 容 因 子 计 算 了 各 类 废 物 的 最 终 处 置 体

47、积。对 于 图5示 出 的 策 略ii， 作 了 如 下 假 设：(1)废 物 处 理 系 统 包 含 一 台 超 级 压 实 机 和 一 套 玻 璃固 化 系 统， 前 者 用 于 处 理 不 可 燃daw中 的 金 属 废 物 和 报 废 的 空 气 过 滤 器； 后 者 的ccm处 理 能 力为200kg/h， 用 于 直 接 玻 璃 固 化 金 属 和 空 气 过 滤 器 除 外 的 不 可 燃daw、 可 燃daw和 废 树 脂；(2) 将液 体 过 滤 器 装 入 具 水 泥 衬 里 的 容 器 中， 而 包 括 废 洗 涤 液 在 内 的 液 态 废 物 则 用 玻 璃 固 化

48、装 置的 次 级 系 统 进 行 预 处 理；(3)只 有 诸 如 可 燃daw、 废 树 脂 和 空 气 过 滤 器 介 质 等 可 燃 废 物 的 处 理才 产 生 废 洗 涤 液， 其 数 量? 袒 ?吨 废 物 产 生0.7m3。 据 参 考 文 献 估 计， 等 离 子 体 喷 管 每 处 理1吨 废 物 将 产 生1m3废 洗 涤 液， 而ccm产 生 的 废 气 可 望 小 于pt产 生 的， 所 以 对ccm来 说， 每 处 理1吨 废 物 产 生0.7m3废 洗 涤 液 的 估 计 值 是 相 当 合 理 的。图4 策 略i的 处 理 方 案 和 最 终 处 置 体 积图5

49、策 略ii的 处 理 方 案 和 最 终 处 置 体 积示 于 图6的 策 略iii采 用 了 下 列 处 理 方 案：(1)不 可 燃daw和 液 体 过 滤 器 都 用 等 离 子 体 喷 管熔 融器 进 行 处 理(pt：pact2通 过 量)；(2)先 用 玻 璃 固 化 装 置(使 用ccm， 处 理 能 力 为200kg/h)的次级 系 统 预 处 理 包 括 废 洗 涤 液 在 内 的 液 体 废 物， 然 后 将 经 过 预 处 理 的 废 物 连 同 可 燃daw和 废 树脂 直 接 加 入ccm进 行 玻 璃 固 化。我 们 确 定 等 离 子 体 喷 管 的 减 容 因

50、子 稍 大 于 使 用ccm的 玻 璃 固 化。 不 过， 必 须 承 认 不 是 所 有 的等 离 子 体 喷 管 的 减 容 因 子 都 能 找 到， 所 以 比 较 时 不 是 全 都 用 上 了 减 容 因 子 数 据。 如 果 用 等 离子 体 喷 管 来 处 理 废 树 脂 而 又 不 考 虑 放 射 性 水 平， 那 么 废 树 脂 的 最 大 减 容 因 子 多 半 可 以 达 到 约 150。 然 而， 由 于 下 列 原 因， 确 定 的 废 树 脂 减 容 因 子 为30：(1)玻 璃/炉 渣 废 物 体 中 的 放 射 性核 素 含 量 不 超 过 美 国 联 邦 法

51、规10cfr61.55对c类 废 物 的 规 定 值 是 所 要 求 的；(2)美 国seg公 司提 议， 如 果 废 树 脂 用qcep来 处 理， 其 最 大 减 容 因 子 约 为30， 而 等 离 子 体 喷 管 在 减 容 能 力 上 大体 上 与qcep相 当。图7示 出 的 策 略iv包 含 下 列 处 理 方 案：(1)只 用 处 理 能 力 为10kg/h的 小 型ccm来 玻 璃 固 化 经 过预 处 理 的 废 洗 涤 液；(2)其 余 废 物 都 用 等 离 子 体 喷 管 来 处 理(pact6通 过 量)。实 施 某 一 策 略 的 总 体 费 用 为 处 理 费

52、用 和 处 置 费 用 之 和。 表6列 出 的 包 含 投 资 费 用 和 运 行 费 用的 处 理 费 用 是 用 表7所 列 各 处 理 步 骤 和 设 备 的 费 用 计 算 出 来 的。 表7所 列 数 据 大 多 是 由 韩 国 电力 公 司(kepco)提 供 的， 仅 少 数 数 据 取 自 美 国 电 力 研 究 所(epri环境保 护局(epa)报 告。 这 些 数 据 都 根 据 通 货 膨 胀 进 行 了 再 计 算。表6 各 策 略 的 处 置 体 积 和 投 资 运 行 费 用策 略i 策 略ii 策 略iii 策 略iv处 置 体 积，m3 最 大 11024 3

53、1.58 19.21 15.97(桶) (525) (151) (92) (76)最 小 无 数 据 2094 8.48 7.17(100) (41) (35)投 资-运 行 费 用， 万 美 元/年 新 建 94 96 90改 建 无 数 据 373 391 385表7 经 济 评 价 使 用 的 投 资 和 运 行 费 用 数 据投资费用，万美元 运行费用(1)，万美元 备注冷 坩 埚 熔 融 器 (4)200kg/h 1000 1110kg/h 300 3水 泥 固 化 1150 20蒸 发 器 850 16.4等 离 子 体 喷 管 (4)pact6 800 1120(2)pact2

54、200 1120(2)干 燥 器 和 石 蜡 固 化 系 统 95 5超 级 压 实 机 230 1.1水 泥 衬 里 容 器 115(3)(1)不 包 括 劳 务 费；(2)单 位 为： 美 元/吨 废 物；(3)单 位 为： 美 元/容 器；(4)包 括 废 气 处 理 系统 和 废 物 预 处 理 设 备。图6 策 略iii的 处 理 方 案 和 最 终 处 置 体 积图7 策 略iv的 处 理 方 案 和 最 终 处 置 体 积对 于 处 理 费 用 的 计 算， 假 设 策 略i需 要1台 超 级 压 实 机、 两 套 水 泥 固 化 设 施、 两 套 蒸 发 器 装 置和 两 套

55、干 燥 器 石 蜡 固 化 系 统 来 处 理4座1000mwe压 水 堆 产 生 的 所 有 废 物。 各 策 略 使 用 的 设备 的 折 旧 期 按15年 计 算。 这 样 计 算 出 的 每 年 设 备 投 资 费 用 还 要 加 上 一 年 的 运 行 费 用 才 能 得 出每 年 的 处 理 费 用。 表6列 出 策 略iiiv的 上 限 和 下 限 处 理 费。 如 果 废 物 处 理 系 统 按 照 选 定 策略 新 建， 那 么 处 理 费 用 较 少； 如 果 用 等 离 子 体 喷 管 和(或)玻 璃 固 化 熔 炉 来 改 造 现 有 系 统， 那么 处 理 费 用 较

56、 大。 如 果 以 更 大 规 模 的 设 备 来 进 一 步 考 虑 各 策 略 的 费 用， 例 如 策 略ii包 含 两 套蒸 发 器 装 置 和 两 套 水 泥 固 化 设 施 的 费 用， 策 略iii和iv的 费 用 除?呗訧i估 算 的 以 外 还 包 含一 台 超 级 压 实 机 的 费 用。 因 为 在 原 有 的 两 套 处 理 设 施 中 已 经 安 装， 所 以 蒸 发 器、 水 泥 固 化 设备 和 超 级 压 实 机 的 费 用 要 相 加。 因 此， 即 使 设 施 修 改 后 它 们 中 的 一 部 分 不 能 进 一 步 得 到 使 用， 也 必 须 在 投

57、资 费 用 中 加 以 考 虑。表6列 有 相 对 于 最 大 的 和 最 小 的 减 容 因 子， 各 策 略 多 半 会 产 生 的 需 要 处 置 的 废 物 体 积。 如 果用 策 略iiiv中 的 任 何 一 个 来 代 替 策 略i(韩 国 目 前 实 施 的 策 略)， 需 要 处 置 的 废 物 体 积 可 以减 少7193%。 处 置 费 用 的 范 围 按250020000美 元/m 废 物 的 单 位 处 置 费 用 乘 处 置 体 积 计算。 图8示 出 取 最 小 减 容 因 子 时 各 策 略 设 备 的 不 同 建 设 类 型 的 处 理 和 处 置 费 用 总

58、和。 另 外，图9示 出 采 用 改 建 而 不 是 新 建 时， 减 容 因 子(取 最 大 值 和 最 小 值)的 各 策 略 总 费 用 的 比 较。图8 减容因子取最小值时各策略和建造类型的处理和处置费用从 图8可 以 看 出， 不 管 采 用 哪 种 建 造 类 型， 从 单 位 处 置 总 费 用 来 看， 采 用ccm和(或)pt的 策 略 iiiv较 现 有 处 理 系 统 经 济。 如 图9所 示， 采 用 的 减 容 因 子 有 变 化， 处 理 和 处 置 费 用 也 有 小的 变 化。 如 果 策 略iiiv采 用 新 建 设 施， 如 图8所 示， 从 总 的 单 位

59、 处 置 费 用 来 看， 策 略iii和 iv较 策 略ii更 经 济。 然 而， 如 果 对 系 统 进 行 修 改， 那 么 不 同 策 略 在 不 同 的 处 置 费 用 范 围 的 比较 如 下：(1)当 单 位 处 置 费 用 少 于7500美 元/m3废 物 时， 策 略iii的 费 用 策 略iv的 费 用 策 略ii的费 用。图9 采用改建时各策略和不同减容因子的处理和处置费用(2)当 单 位 处 置 费 用 处 于750015000美 元/m3废 物 时， 策 略iii的 费 用 策 略ii的 费 用 策略iv的 费 用。(3)当 单 位 处 置 费 用 多 于15000美 元/m3废 物 时， 策 略ii的 费 用 策 略iii的 费 用 策