一种放射性废物超临界水氧化处理的系统及方法

技术领域

本发明属于放射性废物处理领域，涉及一种放射性废物超临界水氧化处理的系统及方法。

背景技术

随着核工业的不断发展，在核设施的正常运行、维护和退役等过程产生了一定量的放射性废物。其中固体废物包括放射性废手套、放射性废防护服、放射性废离子交换树脂等，液体废物包括放射性废润滑油和放射性废溶剂等。同时，在实验室放化实验、环境监测单位样品分析及核技术利用单位的运行维护过程中同样会产生一定量的放射性废物。放射性废物是一种特殊的废物种类，通常具有放射性、易燃、易爆、易挥发、易辐照分解等物化特性。这些性质的存在，使其贮存与处理过程要求严格且处理、处置非常困难。

超临界水氧化技术由美国麻省理工学院Modell教授于20世纪80年代提出，利用超临界水的优异理化性质，使放射性有机物和氧化剂在超临界水中发生均相反应，迅速(几秒至几分钟)、彻底(污染物去除率＞99.9％)地将有机物转化成无害化的CO

然而超临界水氧化技术由于高温高压操作条件，系统在运行过程中偶尔会发生紧急情况而导致系统超温、压力超限，且放射性废物的特殊危险性，使得其采用超临界水氧化技术处理时，更需要对放射性流体设置有效的高效安全保障工艺，以对放射性废物进行安全、可靠的处理。

发明内容

本发明的目的在于使放射性废物在超临界水氧化过程中进行安全、可靠的减量处理，提供一种放射性废物超临界水氧化处理的系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种放射性废物超临界水氧化处理的系统，包括反应器，所述反应器上开设若干氧气入口，所述若干氧气入口与高压氧气罐相连；反应器内设置高温超临界水混合器，所述高温超临界水混合器的其中一个入口与物料预热防堵塞-低温入射预处理模块相连，另一个入口与高压水罐相连；反应器的出口与深度后处理模块相连；反应器上还连接有反应器超温超压控制模块。

上述系统进一步的改进在于：

所述物料预热防堵塞-低温入射预处理模块包括物料预处理设备，所述物料预处理设备的出口依次连接物料泵和物料预热器，所述物料预热器设置于反应器内，物料预热器的出口连接至高温超临界水混合器的另一个入口。

所述高压水罐通过加热器与高温超临界水混合器的其中一个入口；所述高压水罐的出口处引出亚临界水冲洗管路至物料泵的出口处。

所述反应器包括外筒壁和上端盖，内部设置有储盐区和冷却盘管；反应器超温超压控制模块包括设置在冷却盘管上的第一温度仪表，上端盖设置有第二温度仪表，底部储盐区内设置有第三温度仪表和压力仪表，储盐区的外壁上设置有第四温度仪表，物料预热器出口管道上设置有第五温度仪表。

所述反应器上还连接有事故收集罐，所述事故收集罐的出口连接废液收集罐，所述废液收集罐的出口与物料预处理设备相连。

所述反应器上还连接有冷却水罐，所述冷却水罐还与事故收集罐相连。

所述深度后处理模块包括扩容器和降压器；所述反应器筒体底部排盐室的出口与扩容器相连，扩容器的出口连接屏蔽转运箱；反应器盖体上的反应出水口与降压器相连，降压器出口连接气液分离器，所述气液分离器的气相出口连接气相处理装置，液相出口连接液相处理装置。

一种放射性废物超临界水氧化处理方法，包括以下步骤：

物料预热器出口温度仪表显示异常时，开启高压亚临界水管路阀门对物料管路进行冲洗、冷却；物料预热后采用高温超临界水加热至反应条件；根据物料预热器出口温度范围并依据物料特性进行调整，确保物料安全输送进入反应器；

事故收集罐对整个系统中物料输送管路、物料预热器、反应器核心反应区、扩容器中的含放射性物料流进行紧急情况下的安全收集；废液收集罐中收集到的废液输送至物料单元，进行重复超临界水氧化反应，达到彻底去除的目的；

深度后处理模块由排盐扩容器、屏蔽转运箱对固相产物进行安全分离转运、气相处理装置对整个系统各个地方产生含放射性气体进行达标处理、液相核素深度处理装置对反应后经核素盐初步分离后的液相产物进行深度达标处理，防止处理后三相产物中放射性核素对环境造成放射性散逸；

冷却盘管的温度仪表与阀门联锁，当温度仪表显示数值较高时，阀门开度增大，冷却水流量增大；所述安全泄放阀及阀门压力仪表联锁，当压力仪表显示数值超过正常范围时，安全泄放阀和阀门同时开启。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用设置的物料预热防堵塞、低温入射预处理模块、氧气多级供应模块，反应器超温超压控制模块，事故单元模块及深度后处理模块，实现了放射性废物的安全高效超临界水氧化反应，以达到去除放射性废物中的有机物同时对核素进行固化及安全转运的目的。该超临界水氧化的高效安全保障工艺方法可防止物料预热堵塞、反应不安全、反应器超温超压、应急处理及反应后放射性屏蔽处理过程中存在的放射性物料散逸的安全问题，从而壁面对环境造成放射性污染，实现了放射性废物的高效去除及核素的安全固化，为放射性废物的超临界水氧化处理提供了一种安全可行的技术方案。

1、物料安全预热输送。本系统设置的高压亚临界水冲洗避免了物料预热过程中的管路堵塞，物料采用经预热后低温喷入反应器，经高温超临界水加热至反应条件，大大避免了物料预热管路的结焦堵塞问题，提高了物料预热管路的安全性。

2、核素固化，安全转运。本系统设置有储盐区、屏蔽转运箱、气相处理装置及液相深度处理装置，可最大程度地固化核素，同时防止其散逸至环境中，从而对环境造成放射性风险。

3、系统超压保护。本系统对超温超压设置多级控制，同时配备事故单元模块，以确保整个系统处于安全温度和压力范围，一旦出现紧急情况，放射性流体会自动被事故罐收集，直至温度压力恢复正常后，反应重新开始进行，在最大限度上保护整个系统安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的整体结构示意图。

其中，1-高压氧气罐；2-高压水罐；3-加热器；4-物料预处理设备；5-亚临界水冲洗管路；6-物料泵；7-物料预热器；8-高温超临界水混合器；9-冷却套；10-反应器；11-事故收集罐；12-气相处理装置；13-废液收集罐；14-液相处理装置；15-气液分离器；16-扩容器；17-屏蔽转运箱；18-降压器；19-冷却水罐；V01～V04-阀门；N1～N3氧气注入口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种放射性废物超临界水氧化处理的系统，包括物料预热防堵塞-低温入射预处理模块、氧气多级供应模块、反应器超温超压控制模块、事故单元模块和深度后处理模块。

物料预热防堵塞-低温入射预处理模块，由物料预处理设备4及亚临界水冲洗管路5及阀门V03、物料预热器7及高温超临界水混合器8组成；所述物料预热防堵塞-低温入射预处理模块根据物料预热器7出口温度仪表T5显示异常时，开启高压亚临界水管路阀门V03对物料管路进行冲洗、冷却；物料预热后采用高温超临界水加热至反应条件。所述物料预热防堵塞-低温入射预处理模块根据物料预热器7出口温度范围根据物料特性进行调整，确保物料安全输送进入反应器。

氧气多级供应模块，包括高压氧气罐1及反应器上若干氧气入口N1、N2、N3；所述氧气多级供应模块中物料预处理单元氧气入口根据需要可布置于物料泵6后、物料预热器7入口或物料预热器出口7等所有涉及物料预处理单元的入口，反应器10若干氧气入口可根据不同功能在反应路程上进行不同形式布置；反应器10储盐区氧气入口可采用内置喷入或由反应器10承压壳直接喷入。

反应器超温超压控制模块，由反应器10上端盖、外筒壁、储盐区及冷却盘管的温度仪表T1、T2、T3、T4、反应器10核心反应区、反应器10内部压力仪表P1及安全泄放阀V01组成；所述反应器超温超压控制模块中反应器10上端盖、外筒壁、储盐区及冷却盘管9的若干温度仪表设置在各部件的关键部位，任一温度仪表超温以后，可采用安全措施包含但不限冷却盘管9、混合急冷、喷水减温等方式进行降温。所述反应器10超温超压控制模块中反应器10核心反应区、不同回程反应区、冷却盘管9的若干压力仪表设置在各部件的关键部位，任一压力仪表超压以后，可采用包含但不限于反应器后压力调节、减小流量、停泵、持压泄压阀V01泄放、安全阀V02泄放等多级工艺进行降压。

事故单元模块，由事故收集罐11、冷却水罐19及废液收集罐13组成；所述事故单元模块事故收集罐14可对整个系统中物料输送管路、物料预热器7、反应器10核心反应区、扩容器16等含放射性物料流进行紧急情况下的安全收集。废液收集罐13中收集到的废液输送至物料单元，进行重复超临界水氧化反应，达到彻底去除的目的。

深度后处理模块，由排盐扩容器16、屏蔽转运箱17、降压器18、气液分离器15、气相处理装置12、液相核素深度处理装置14组成。所述深度后处理模块由排盐扩容器16、屏蔽转运箱17对固相产物进行安全分离转运、气相处理装置12对整个系统各个地方产生含放射性气体进行达标处理、液相核素深度处理装置14对反应后经核素盐初步分离后的液相产物进行深度达标处理，防止处理后三相产物中放射性核素对环境造成放射性散逸。

综上，本发明可安全、稳定、高效地进行超临界水氧化反应，为放射性废物的处置提供了一种可行方案。

本发明的原理及工作过程如下：

物料预热器7出口温度仪表T5显示异常时，开启高压亚临界水管路阀门V03对物料管路进行冲洗、冷却；物料预热后采用高温超临界水加热至反应条件。物料预热器7出口温度范围根据物料特性进行调整，确保物料安全输送进入反应器10。冷却盘管9的温度仪表T1与阀门V02联锁，当温度仪表显示数值较高时，阀门V02开度增大，冷却水流量增大。所述安全泄放阀V01及阀门V04压力仪表P1联锁，当压力仪表P1显示数值超过正常范围时，安全泄放阀V01和阀门V04同时开启。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。