一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化系统及方法

技术领域

本发明属于危废处理领域，涉及一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化系统及方法。

背景技术

随着以核电为代表的核能的开发与核技术的利用，在核电站运行及退役过程中产生了大量的放射性废物，放射性废物根据其放射性程度不同分为高放射性废物、中放射性废物及低放射性废物，但其基本都含有

目前，对放射性废物的主流处理工艺为水泥固化，固化增容占用了有限的废物贮存空间、提高了最终处置费用；现有的焚烧、蒸汽重整、玻璃固化技术存在着工业流程复杂、产生NO

与现有放射性废物减容处理技术(焚烧法、玻璃固化等)相比，超临界水氧化技术具有显著技术优势：1)反应迅速彻底，有机污染物去除率高达99％以上；2)温度温和，无二噁英、放射性飞灰等二次污染物，气相可达标排放；3)可利用超临界水中的核素溶解性极低的特性，从而实现核素高效固相转化及分离；4)系统简单，自动化程度高。

发明内容

本发明的目的在于解决常规放射性废物处理技术产生二次废液、核素不能完成固化或增容太大等问题，提供一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化系统及方法，本发明通过物料低温入射与分级进氧耦合醇类共氧化实现有机物的高效降解，在反应器内设置刮刷和过滤器等实现核素盐与超临界流体的分离，并在反应器出口设置扩容器及屏蔽转运箱，实现核素的快速分离与安全转运，气液相产物深度处理达标排放，实现放射性废物的高效去除及核素的安全固相化转运，为放射性废物的处理提供了一种可行的技术方案。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化系统，包括反应单元，所述反应单元上开设有超临界水入口、一级氧化剂入口、一级物料入口、二级物料入口、二级氧化剂入口、三级氧化剂入口和反应出水口；所述超临界水入口连接纯水供应单元，一级氧化剂入口、二级氧化剂入口和三级氧化剂入口均与氧气多级供应单元相连，一级物料入口和二级物料入口分别与放射性物料供应单元相连；所述反应出水口连接深度处理单元。

上述系统进一步的改进在于：

所述放射性物料供应单元包括物料调配罐，所述物料调配罐的出口依次连接物料缓冲罐、物料泵和物料预热器，所述物料预热器的出口分别与一级物料入口和二级物料入口相连。

所述反应器上还连接有事故罐，所述事故罐的出口与物料调配罐相连。

所述物料泵与物料预热器之间的管路上设置有压力表，压力表与物料预热器之间通过阀门引出一条管路返回至物料缓冲罐。

所述物料缓冲罐与物料泵之间的管路上设置有助剂储罐，所述助剂罐10中的助剂包括pH调节剂、催化剂、预沉淀剂和共氧化剂。

所述氧气多级供应单元包括依次相连的液氧储罐、液氧泵液氧汽化器以及氧气缓冲罐，氧气缓冲罐的出口分别连接一级氧化剂入口、二级氧化剂入口和三级氧化剂入口。

所述纯水供应单元包括依次连接纯水罐、纯水高压泵和加热器，所述加热器的出口连接至超临界水入口。

所述反应器包括筒体和盖体，内部包括上部氧化室和下部排盐室。

所述深度处理单元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，降压器出口依次连接水质分析仪和气液分离器，所述气液分离器的气相出口连接气相处理器，液相出口连接液相处理器。

一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化方法，包括以下步骤：

系统运行时，反应器内保持27MPa，600℃稳态，此时液氧泵入口处的液氧，经液氧泵升压至额定压力后通过液氧汽化器，随后氧气缓冲罐出口分为三条支路，分别连接反应的一级氧化剂入口、二级氧化剂入口和三级氧化剂入口；物料通过物料泵升压后，在反应器内部预热后分别从一级物料入口和二级物料入口进入；氧气与物料在反应器内部氧化区发生超临界水氧化反应，反应出水进入水质分析仪中检测，合格则进入气液分离器，气相经过气相处理器后达标排放，液相经过液相处理器达标后排放；反应产物中的核素盐通过反应器下部的排盐口排出至扩容器与屏蔽转运箱中，等待后续固化操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、核素在线固化与高效脱除。本系统反应器内部设置有刮刷和挡板等，可机械脱除核素，同时因为核素在超临界水中溶解度极低，从反应器出口排出后进入扩容器及屏蔽转运箱中，可安全转运以实现后续的固化操作。

2、放射性废物的高效去除。通过在反应器盖体及筒体上设置多级物料入口与氧化剂入口，不仅可以提高反应效率，同时使有机物与氧化剂充分反应，尤其是三级氧化剂入口设置于反应器下部，可使残留有机物充分反应。

3、水质监测。通过设置水质分析仪，可监测反应出水的有机物浓度，若不达标则重新进入物料调配罐中，再次进行超临界水氧化反应；若达标则进入后续的气液分离器及废液收集罐中，相应地进行固化操作。

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-纯水罐；2-纯水高压泵；3-加热器；4-液氧储罐；5-液氧泵；6-液氧汽化器；7-氧气缓冲罐；8-物料调配罐；9-物料缓冲罐；10-助剂储罐；11-物料泵；12-压力表；13-物料预热器；14-气相处理器；15-气液分离器；16-水质分析仪；17-降压器；18-扩容器；19-屏蔽转运箱；20-反应器；21-事故罐；22-液相处理器；N1-超临界水入口；N2-一级氧化剂入口；N3-一级物料入口；N4-二级物料入口；N5-二级氧化剂入口；N6-三级氧化剂入口；N7-反应出水口。

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适用于放射性废物处理的超临界水氧化系统，主要包括反应单元、放射性物料供应单元、氧气多级供应单元、纯水供应单元、余热梯级利用单元、安全应急处理单元以及深度处理单元。

反应单元，包括反应器20、一级氧化剂入口N2、一级物料入口N3、二级氧化剂入口N5、二级物料入口N4、三级氧化剂入口N6及超临界水入口N1，进行放射性废物的超临界水氧化反应；

放射性物料供应单元，包括物料调配罐8、物料缓冲罐9、物料泵11、压力表12及阀门，经阀门后物料进入反应器内物料预热管路，从物料预热管路的出口分为两个支路，分别连接反应器的一级物料入口N3与二级物料入口N4；所述放射性物料包含但不限于放射性废树脂、放射性废TBP溶剂、放射性废机油及润滑油、放射性废塑料等放射性有机物料。所述物料供应单元的放射性物料不直接采用加热器加热，而是经过物料预热器后低温喷入反应器20后经与高温超临界水混合后发生超临界水氧化反应。所述反应器中放射性物料经超临界水氧化反应后，经过反应器20的包含但不限于刮刷、过滤壁等机械装置使放射性核素盐与反应后的超临界流体分离。所述物料供应单元设置助剂罐10以对物料流体进行调控，助剂包含但不限于pH调节、催化、预沉淀、共氧化等功能的添加剂。所述反应器中放射性物料经超临界水氧化反应后，经过反应器20的包含但不限于刮刷、过滤壁等机械装置使放射性核素盐与反应后的超临界流体分离。

氧气多级供应单元，包括液氧储罐4、液氧泵5、液氧汽化器6及氧气缓冲罐7；所述氧气缓冲罐出口分为三个支路，分别连接反应器20的一级氧化剂入口N2、二级氧化剂入口N5及三级氧化剂入口N6；所述氧气供应单元分三级进入反应器，包括一级氧化剂入口N2、二级氧化剂入口N5及排盐室氧化剂入口N6。

纯水供应单元，包括纯水罐1、纯水高压泵2、纯水预热器反应器内及加热器3，喷入反应器20内与预热后的物料及氧气混合；

余热梯级利用单元，包括反应器内设置的多股冷却水回路与物料预热器13；所述余热利用单元包括：物料预热管路、纯水预热管路、冷却水管路等，可布置于反应器20内，亦可布置于反应器20外。

安全应急处理单元，包括事故罐20；

深度处理单元，包括扩容器18、屏蔽转运箱19、水质分析仪16、气液分离器15、气相处理器14和液相处理器22。所述反应器20由筒体和盖体组成，内部包括上部氧化室和下部排盐室，排盐室与外部扩容器18通过阀门相连，排盐阀门可常开或间歇开启。所述反应器单元设置扩容器18，核素盐流体经排盐阀门排入扩容器后可进行初次降压，再经扩容器18上的阀门控制，实现过热蒸汽排出及压力释放。所述气相处理器14使用工艺包含但不限于过滤、吸附、稀释、贮存等；所述液相处理器22使用工艺包含但不限于过滤、吸附、沉淀、电渗析、生物处理等。

本发明的原理及过程：

系统运行时，反应器20内保持27MPa，600℃稳态，此时液氧泵5入口处为一定浓度的液氧，经液氧泵5升压至额定压力后通过液氧汽化器6，随后氧气缓冲罐7出口分为三条支路，分别连接反应的一级氧化剂入口N2、二级氧化剂入口N5与三级氧化剂入口N6；物料通过物料泵11升压后，在反应器20内部预热后分别从一级物料入口N3与二级物料入口N4进入。氧气与物料在反应器20内部氧化区发生超临界水氧化反应，反应出水进入水质分析仪16中检测，合格则进入气液分离器15，气相经过气相处理器14后达标排放，液相经过液相处理器22达标后排放；反应产物中的核素盐通过反应器20下部的排盐口排出至扩容器18与屏蔽转运箱19中，等待后续固化操作。综上，本系统为放射性废物的处置提供了一种可行方案。

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。