一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置和方法

技术领域

本发明属于放射性同位素生产技术领域，具体涉及一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置和方法。

背景技术

重水堆核电机组在运行过程中产生大量放射性同位素C-14，主要以HCO

根据2017年11月30日生态环境部、国防科工局、工业和信息化部联合发布的[2017]65号《放射性废物分类》，C-14比活度超过1×10

C-14既是重水堆核电站运行的负产品，也是具有较高商业价值的放射性同位素，在医学、科研、工业等多个领域有着广泛的应用。国际上以商品形式出售的碳-14标记化合物，包括了氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核酸类、类脂类、类固醇类及医学研究用的神经药物、受体、维生素和其他药物等，品种已达近千种；C-14标记化合物作为灵敏的示踪剂，具有非常广泛的应用前景。目前国内市场的C-14主要依赖从加拿大和俄罗斯的进口，每年进口量约120-130居里，全球年需求量约3000居里。鉴于秦山核电重水堆机组目前巨大的C-14盘存量和持续产生能力，如果能够将废树脂内的C-14提取出来，可以全部满足国内市场的C-14的需求并对外出口。

重水堆机组产生的放射性废树脂本身具有极高的外照射水平，除了发射低能β射线的C-14外，还含有大量发射高能γ射线的Co-60、Mn-54、Cs-134、Cs-137等多种放射性核素。需要解决如何在工程台架上安全、高效、大批量地回收废树脂内的C-14。

发明内容

本发明的目的是提供一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置和方法。

本发明的技术方案如下：一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置，包括干燥组件、冷凝组件、吸收组件、贮存组件、尾气处理组件以及相互连接的管道，其中，干燥组件通过管道与冷凝组件连接，冷凝组件通过管道与吸收组件，吸收组件通过管道与贮存组件、尾气处理组件分别连接。

所述的干燥组件包括干燥器、加热设备、除水泵和氮气瓶组，干燥器通过管路分别与加热设备，氮气瓶组，除水泵连接。

所述的干燥器为单锥形容器双层夹套结构，干燥器顶部设置废树脂进口，干燥器内设置双螺旋搅拌叶片，干燥器底部设置滤网和氮气吹扫口，干燥器顶部设置排气口和可清洗过滤器。

所述的除水泵采用气动隔膜泵。

所述的冷凝组件包括一级冷凝器、二级冷凝器、冷凝液箱和冷冻水机组，一级冷凝器与二级冷凝器通过管路串联，一级冷凝器和二级冷凝器分别通过管路与冷凝液箱连接，一级冷凝器和二级冷凝器分别通过管路与冷冻水机组连接。

所述的一级冷凝器和二级冷凝器均为管壳式换热器，一级冷凝器和二级冷凝器的底部设置疏水阀。

所述的吸收组件包括固体吸收装置和碱液吸收罐，固体吸收装置和碱液吸收罐通过管路进行串联形成两级吸收。

所述的贮存组件用于贮存从碱液吸收罐排出的碱液，包括吸收液贮罐和排液泵。

所述的尾气处理组件包括催化氧化装置，催化氧化装置入口处设置有氧气浓度检测仪表。

一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的方法，包括如下步骤：

步骤1：废树脂进料和除水

废树脂经计量后通过重力或泵从干燥器顶部进料口送入干燥器内，将干燥器内废树脂多余的游离水从干燥器底部带滤网的排水口抽出，排往废水贮罐；

步骤2：废树脂高温降解

从干燥器底部的氮气吹扫口持续注入氮气，将氧气排出，直至氧气浓度检测仪表读数为0，启动搅拌装置和加热设备，加热温度逐步升高至150～220℃，并保持氮气吹扫管线以一定的流量持续注入氮气作为载气，将废树脂高温降解过程产生的气体排出；干燥器持续加热，直至吸收组件进气口处的C-14放射性活度浓度检测仪表将达到设定值时，停止加热，并对干燥器降温，从干燥器底部的氮气吹扫口注入大量氮气，并维持一定时间，将系统内残留的14CO2排入吸收组件被吸收，直至吸收组件进气口处的C-14放射性活度浓度检测仪表将达到设定值时，停止通入氮气；

步骤3：14CO2吸收和贮存

排气经过一级冷凝器和二级冷凝器冷凝后，冷凝液排入冷凝液箱收集，冷凝液经取样分析后监测排放或排入厂房废液处理系统作进一步处理，不凝性气体排入固体吸收装置和碱液吸收罐进行吸收，尾气排入催化氧化装置，经催化氧化处理后经碱液吸收排入厂房通风系统；

步骤4：废树脂卸料和清洗

停止加热后，对干燥器降温，待废树脂温度降至50℃时，将干燥器内的废树脂排入指定容器内，通过除盐水对干燥器、冷凝液箱等设备进行清洗，清洗废液排入厂房废液处理系统。

本发明的有益效果在于：应用本发明可以开展重水堆大批量放射性废树脂高温降解提取C-14。解决重水堆废树脂中C-14含量过高且难以处理的问题，经装置加热处理后的废树脂，做进一步处理后(如水泥固化)可实现近地表处置。本装置提取的C-14纯度高，后续可用于C-14核技术利用。

附图说明

图1为本发明所提供的一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置示意图。

图中：1干燥组件，2干燥器，3加热设备，4氮气瓶组，5除水泵，6冷凝组件，7一级冷凝器，8二级冷凝器，9冷凝液箱，10冷冻水机组，11吸收组件，12固体吸收装置，13碱液吸收罐，14循环泵，15气液分离器，16尾气处理组件，17催化氧化装置，18贮存组件，19吸收液贮罐，20排液泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明利用高温降解法对废树脂进行处理，通过控制降解温度和时间，确保提取废树脂内大部分的C-14，同时确保废树脂骨架未发生明显分解，排气通过固体吸收剂和碱液两级吸收，将提取的C-14以

本发明所提供的一种处理和回收重水堆废树脂中C-14的装置和方法，可用于大批量(不少于200L/批)放射性废树脂的高温降解处理，本装置和方法的特点在于：对废树脂进行均匀加热降解，可避免废树脂板结和结焦。精准控制降解温度(150～220℃)和降解时间(24-72h)，从而控制废树脂降解程度；废树脂高温降解过程中，持续通入一定流量的氮气，可载带排出废树脂产生的

一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置包括干燥组件、冷凝组件、吸收组件、贮存组件、尾气处理组件以及对应的管道、仪表和阀门和控制系统组成。废树脂在干燥组件中进行加热后，产生的

如图1所示，一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的装置包括干燥组件1、冷凝组件6、吸收组件11、贮存组件18、尾气处理组件16以及相互连接的管道等，其中，干燥组件1通过管道与冷凝组件6连接，冷凝组件6通过管道与吸收组件11，吸收组件11通过管道与贮存组件18、尾气处理组件16分别连接。

所述的干燥组件1包括干燥器2、加热设备3、除水泵5和氮气瓶组4，干燥器2用于装入、加热待降解的废树脂，加热设备用于提供稳定的热源，除水泵用于排出废树脂中多余的水分，氮气瓶组提供系统吹扫和载气所需的氮气。干燥器2为单锥形容器，用于装入、加热废树脂，容积为450L，干燥器2为双层夹套结构，夹套内可直接通导热油或布置热油管、电伴热管，干燥器2顶部设置废树脂进口，可依靠螺杆泵或重力作用从废树脂贮罐向干燥器内添加废树脂，干燥器2内设置双螺旋搅拌叶片，搅拌叶片与内壁的间距在5mm以内，干燥器2底部设置滤网(过滤精度0.25mm)用于截留废树脂并排出游离水，干燥器2底部设置有一个氮气吹扫口，便于用氮气作为载气将产生的

所述的冷凝组件6包括一级冷凝器7、二级冷凝器8、冷凝液箱9和冷冻水机组10，其中，一级冷凝器7和二级冷凝器8均为管壳式换热器，提高排气的冷却效率，一级冷凝器7和二级冷凝器8的底部设置疏水阀，用于排出冷凝后的液体并由冷凝液箱收集；冷凝组件6设置有冷冻水机组10用于提供冷源对一级冷凝器7和二级冷凝器8进行冷却。一级冷凝器7与二级冷凝器8通过管路串联，一级冷凝器7和二级冷凝器8分别通过管路与冷凝液箱9连接，一级冷凝器7和二级冷凝器8分别通过管路与冷冻水机组10连接。一级冷凝器7通过管路与干燥器2连接。

所述的吸收组件11包括固体吸收装置12和碱液吸收罐13，固体吸收装置12和碱液吸收罐13通过管路进行串联形成两级吸收，其中，固体吸收装置12包括串联的数根吸收柱，吸收柱内装有片状固体吸收剂，固体吸收装置12的吸收柱进出口管采用快拆式、自密封结构，便于快速、安全地更换吸收柱和贮存更换下来的吸收柱；碱液吸收罐装有30％浓度的NaOH溶液，容积为500L；碱液吸收罐13内设置喷淋装置，循环泵14通过管路分别与碱液吸收罐13的顶部和底部连接，通过循环泵14驱动碱液在罐体内循环，并通过顶部喷淋头进行喷洒，增加碱液与气体接触面积，提高

所述的贮存组件用于贮存从碱液吸收罐排出的碱液，包括吸收液贮罐19和排液泵20。吸收液贮罐19顶部和底部分别设置进卸料接口，同时顶部设置排气口，用以在进料过程中排出罐内空气；吸收液贮罐19进卸料接口采用自密封无滴漏快速接头，便于快速、安全地接收和处理吸收液；排液泵20采用气动隔膜泵，减少吸收液泄漏。

所述的尾气处理组件16实现尾气中有机碳转化为无机碳，包括催化氧化装置17，催化氧化装置17入口处设置有氧气浓度检测仪表，用以监测系统内氧气浓度；催化氧化装置17反应温度控制在350℃～450℃，有机碳转化效率可达90％以上；尾气经催化氧化处理后，将有机碳转化为无机碳，可通过碱液吸收固定，提高

结合图1中所示的装置流程简图，对重水堆废树脂高温降解提取C-14的工艺流程作进一步说明：

1、将规定量的废树脂通过重力作用或者螺杆泵从干燥器顶部进料口送入干燥器内。启动除水泵，将干燥器内废树脂多余的水分从干燥器底部带滤网的排水口抽出排往废水贮罐(不在本装置范围)，直至除水泵抽不出水时关闭除水泵和相关阀门，除水结束。

2、从干燥器底部的氮气吹扫口持续注入大量氮气，将系统内的氧气排出，直至氧气浓度检测仪表读数为0。

3、启动干燥器搅拌装置和加热设备，并保持氮气吹扫管线以一定的流量持续注入氮气，作为载气，将废树脂降解过程产生的气体排出。排气经过一级冷凝器和二级冷凝器冷凝后，冷凝液排入冷凝液箱收集，冷凝液经取样分析后监测排放或排入厂房废液处理系统作进一步处理。不凝性气体排入吸收组件进行

4、加热温度逐步升高至200℃，持续加热，直至吸收组件进气口处的C-14放射性活度浓度检测仪表将达到设定值时，停止加热，并通过冷冻水机组或厂房提供的冷源对干燥器降温。从干燥器底部的氮气吹扫口注入大量氮气，并维持一定时间，将系统内残留的

5、待废树脂温度降至50℃时，打开卸料球阀，将干燥器内的废树脂排入指定容器内，作后续处理。达到吸收目标的吸收柱可从固体吸收装置快速地拆卸下来，放到指定地点贮存；达到吸收目标的碱液通过排液泵从碱液吸收罐中排入吸收液贮罐内贮存。废树脂高温降解流程结束。

为确保废树脂有效脱除C-14，将降解温度控制在150～220℃，降解时间控制在24-72h。为减少冷凝液中的C-14含量，可以在废树脂降解前，在冷凝液箱内添加一定量的酸。

一种工程用处理和回收放射性废树脂中C-14的方法，包括如下步骤：

步骤1：废树脂进料和除水。废树脂经计量后(约0.2-0.3m3)通过重力或泵从干燥器顶部进料口送入干燥器内。利用除水泵将干燥器内废树脂多余的游离水从干燥器底部带滤网的排水口抽出，排往废水贮罐，直至通过管道窥视镜观察除水泵抽不出水时停止除水泵，关闭相关阀门，除水过程结束。

步骤2：废树脂高温降解。从干燥器底部的氮气吹扫口持续注入氮气，将系统内的氧气排出，直至氧气浓度检测仪表读数为0。启动搅拌装置和加热设备，加热温度逐步升高至150～220℃，并保持氮气吹扫管线以一定的流量(1～20L/min)持续注入氮气作为载气，将废树脂高温降解过程产生的气体排出。干燥器持续加热，直至吸收组件进气口处的C-14放射性活度浓度检测仪表将达到设定值时，停止加热，并通过冷冻水机组或厂房提供的冷源对干燥器降温。从干燥器底部的氮气吹扫口注入大量氮气，并维持一定时间，将系统内残留的14CO2排入吸收组件被吸收，直至吸收组件进气口处的C-14放射性活度浓度检测仪表将达到设定值时，停止通入氮气。整个加热过程控制在72h内。

步骤3：14CO2吸收和贮存。排气经过一级冷凝器和二级冷凝器冷凝后，冷凝液排入冷凝液箱收集，冷凝液经取样分析后监测排放或排入厂房废液处理系统作进一步处理。不凝性气体排入固体吸收装置(固体吸收剂可选用氧化钠或氧化锂)和碱液吸收罐(30％wt的氢氧化钠溶液)进行吸收，将大部分14CO2吸收固定在固体吸收装置内，固体吸收装置和碱液吸收罐可以根据需求设置数量和顺序。尾气排入催化氧化装置(反应温度控制在350℃～450℃，有机碳转化效率可达90％以上)，经催化氧化处理后经碱液吸收排入厂房通风系统。吸收饱和的吸收柱可从固体吸收装置快速地拆卸下来，放到指定地点贮存，等待后续做进一步提纯处理；吸收饱和的碱液通过排液泵从碱液吸收罐中排入吸收液贮罐内贮存。

步骤4：废树脂卸料和清洗。停止加热后，通过冷冻水机组或厂房提供的冷源对干燥器降温。待废树脂温度降至50℃时，打开卸料球阀，将干燥器内的废树脂排入指定容器内，作后续处理。最后，通过除盐水对干燥器、冷凝液箱等设备进行清洗，清洗废液排入厂房废液处理系统作进一步处理。