CN102855953A

CN102855953A - 一种微波高温处理放射性废物连续转化烧结装置

Info

Publication number: CN102855953A
Application number: CN2012101280123A
Authority: CN
Inventors: 董发勤; 李少甫; 代成军; 高磊
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest Jiaotong University; Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN102855953B

Abstract

本发明公开一种利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置。它包括炉体机架、炉体构造、微波控制系统、储料罐、输料装置、气氛保护及排气装置、降温装置、测温装置等。它有一个屏蔽放射性的炉体；炉体的内腔设有放置放射性废料的反应釜；反应釜具有与外界连通的进料口和进、排气口；炉门带透明窗口且附带影视频可远程观察控制，密封盖上设有接触和非接触式测温装置；温度可通过微波输出功率控制。它可连续转化固化放射性废料，安全性高、工业应用性强。

Description

一种微波高温处理放射性废物连续转化烧结装置

技术领域

本发明涉及微波高温处理放射性废物连续转化烧结装置。

背景技术

近些年来我国的原子能科研和生产都取得了突飞猛进的进步，尤其是我国核工业发展迅速，然而在原子能的科研、生产和应用中产生各种含有放射性核素的废液，放射性废液治理工作属于核工业生产链条中的一环，解决核废液治理问题是保障科研安全和国家环境安全的需要，也是我国核能事业可持续发展的前提。通常将放射性废液按比活度（或放射性浓度）分成高放射性废液（高放废液）、中放射性废液（中放废液）和低放射性废液（低放废液）。对于各种不同放射性废液采用不同的处理方法，高放废液长期存放是不安全的，必须将高放废液转化成固体，包装后作最终处置。固化方法有：放射性废物玻璃固化、陶瓷固化等。中放废液的处理方法有：①将废液固化，再将固体废物作最终处置。通常用放射性废物水泥固化或放射性废物沥青固化；②将废液与水泥、粘土等物混合，用高压直接注入页岩深地层中；③用蒸发、化学凝聚、离子交换多种处理手段，将大部分中放废液转变成低放废液；对小量的放射性浓集液进行固化处理。低放射性废液通常用蒸发、离子交换、化学凝聚及隔膜分离等多种手段浓集处理，将大部分低放废液处理到允许排放水平，小量的浓缩液固化处理。

微波活化核废物处理技术在已经是公认的减容无污染处理技术，不仅仅是对核废物处理，还可对化工原料活化、活性炭活化、化学材料等进行活化处理，目前已经得到业内人士以及国家相关部门的高度重视。现有的微波活化核废料处理装置是以单个磁控管作为微波输入源，内部设有保温材料，虽然此类装置可以处理放射性废物，然而由于磁控管数量限制使得腔体内部电磁场分布不合理，活化效果不佳。而且炉体会直接受到放射性废物的侵蚀，扩大了污染范围，产生大量的二次废物。不能满足社会的需要。

发明内容

本发明的目的是设计一种处理放射性废物连续转化烧结装置，用于处理核工业废料。

本发明的技术方案：一种利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，包括炉体支架10、壳体及炉盖，其特征在于，它的壳体由保温层5、炉壁6和外壁7组成；它的炉盖为活动盖，其上设置有压力表1、减压阀2和观察窗3；它的壳体上还设置有磁控管8、冷凝系统入水口9、流量控制器11、入料口12和冷凝系统出水口14；置于壳体内的石英罩19安放在底座15上，其内还设置有外表面缠绕有冷却系统17的反应釜18；固定在炉盖上的热电偶4穿入石英罩19内；石英罩19内还有向反应釜18喷固化剂、水或冷气的喷头20；它还设置有其转动可使反应釜内废液混合均匀传动系统13。

本发明处理对象为低、中、高放射性废液及残渣。该废液及残渣使用泵送输入微波处理耐高温、耐腐蚀、可穿透微波的储料罐中装置中加入酸液、碱液等使其充分混合。根据需要选择通入保护气体（氮气、氩气、二氧化碳等惰性气体），其流量为0~3000mL/min。先对高放废料氧化转型，控制微波功率为0~50KW，温度短时间内能由室温升至2100℃且温度差控制在0~50℃之间，恒温时间为0~10h，先将废料转型为氧化物，然后加入固化剂使氧化废料与固化剂高温条件搅拌形成熔融态得到固化体，最后采用急冷、慢冷等方式将固化体进一步固化。

使用时物料经泵送经输料管加入反应釜中，然后加入固化剂，通过温度控制仪控制输出功率微波加热至500℃-1000℃，恒温0.5h-5h，使放射性废料中的酸根离子转型为氧化物，继续升温至1000℃-2100℃，恒温0-20h，使固化剂与氧化物形式放射性废料发生反应形成玻璃/陶瓷体、玻璃体、陶瓷体等固化体。在可控惰性保护气体气氛种类及流量条件下，烧结固化过程通过控制微波输出功率和使废料及固化剂温度在短时间内由室温上升至数千度使物料成熔融状态，使其在高温的环境下经过不同相转化形成固化体最后采取慢冷或急冷方式将固化体冷却，得到可安全处置的放射性废物。

本发明的主要优点：

炉体内部可以进行废液转化，将高放射性废液进行混合、干燥、烧结以及固化，将高放射性废液固化，形成体积较小，利于回收，节约成本；

本装置采用石英密封，石英罩可以在高放射性废液处理完毕后可回收处理，进行再利用；

改装置的炉盖装有观察窗口，可在烧结处理过程中实施监控，实施进行调节；

本装置采用高功率微波活化技术，对高放射性废料进行微波活化处理，使得高放射性废料受热均匀、活化速度快，降低成本；本装置含有配套使用的冷却系统，将烧结温度快速降低至100℃以下；

炉体由金属材料制成，在炉体顶部侧向可同时通入气体和液体，根据不同需求进行气液调节。⑦工艺对高放射性废液成分无严格要求，适用范围广；可以对各种高放射性废液进行处理，广泛用于核电站以及核工业，对高放射性废料处理效果好，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合实施例对本发明做进一步说明。说明书附图是本发明的几个实施例。图1是本发明的结构示意图；图2是本发明附加了进一步处理废气和废液的装置的结构图；图3是多个烧结单元串联形成连续工作区的结构图。图中：1为压力表、2为减压阀、3为观察窗口、4为热电偶、5为保温层、6为炉壁、7为外壁、8为磁控管、9为冷凝系统入水口、10为炉体支架、11为流量控制器、12为入料口、13为转动轴、14为冷凝系统出水口、15为底座、16为排气孔、17为冷凝系统、18为反应釜、19为石英罩、20为喷头、21为冷却器、22为高温过滤器、23为第一高效过滤器、24为二次燃烧室、25为热交换器、26为洗涤塔、27为加热器、28为第二高效过滤器、29为活性炭吸附塔、30为脱硝反应器、31为机械手、32为淬火装置、33为传送装置、34为炉门出口、35为搅拌器、36为固化剂管道、37为连接炉门、38为红外测温仪、39为进气孔、40为炉门。

具体实施方式

本发明的几种实施方式见说明书附图。

实施例1：见说明书附图1。它包括炉体支架10、壳体及炉盖，其特征在于，它的壳体由保温层5、炉壁6和外壁7组成；它的炉盖为活动盖，其上设置有压力表1、减压阀2和观察窗3；它的壳体上还设置有磁控管8、冷凝系统入水口9、流量控制器11、入料口12和冷凝系统出水口14；置于壳体内的石英罩19安放在底座15上，其内还设置有外表面缠绕有冷却系统17的反应釜18；固定在炉盖上的热电偶4穿入石英罩19内；石英罩19内还有向反应釜18喷固化剂、水或冷气的喷头20；它还设置有传动系统13，其转动反应釜可使废液混合均匀。它的主体部分为圆柱形炉体；磁控管为环绕炉体内壁层安装；炉体最内层壁加厚隔热保温材料层，外壁为防辐照保护层；炉体底座15由4-20跟钢柱支撑离地面约1-3米；炉体最内部的反应釜置于可升降转台上。

通过它顶部炉盖上的减压阀、压力表、观察窗口和热电偶可对腔体内部活化过程进行实时监控和保护；石英罩能隔离腐蚀性废液废弃与炉壁接触；炉体底座支撑整个炉体和与地面保持一定距离；喷头可向载物罐可加入固化剂、喷淋水或冷气；反应釜四周缠绕冷凝系统，放置在腔体内部载物平台上；流量器控制催化剂流量；炉体外壁为镀含钛层以防止放射性辐照；传动系统转动载物罐使废液混合均匀。

工作时，废液及残渣使用泵送输入反应釜中，加入酸液、碱液等使其充分混合；根据需要选择通入保护气体（氮气、氩气、二氧化碳等惰性气体），其流量为0~3000mL/min。先对高放废料氧化转型，控制微波功率为0~50KW，温度短时间内能由室温升至2100℃且温度差控制在0~50℃之间，恒温时间为0~10h，先将废料转型为氧化物，然后加入固化剂使氧化废料与固化剂高温条件搅拌形成熔融态得到固化体，最后采用急冷、慢冷等方式将固化体进一步固化。

实施例2：见说明书附图2。它是进一步附加了废气废液处理装置。它连接了由冷却器21、高温过滤器22、第一高效过滤器23、二次燃烧室24、热交换器25、洗涤塔26、加热器27、第二高效过滤器28、活性炭吸附塔29、脱硝反应器30组成的废气废液处理装置，使排出的少量废气得到进一步净化处理。

实施例3：见说明书附图3。是多工作区分段连续工作装置，主体由实施例1所示的3个连续的炉体A、B、C串联构成；磁控管分别转环绕在炉体内；3个炉体最内层壁加厚隔热保温材料层，外壁为防辐照保护层；炉体底座均由4-20跟钢柱支撑离地面约1-3米，其中A炉体底座由可伸缩进料管，炉体上方有可伸缩搅拌装置；B、C炉体底部装置冷却水进出口、废液废料出口，炉体上方均设有进出气口、远程控制视频观察口；炉体最内部为反应釜，反应釜置于可升降转台上；它还设置有用来送、取物料的机械手31、淬火装置32、传送装置33、炉门出口34、搅拌器35、固化剂管道36、连接炉门37、红外测温仪38、进气孔39、炉门40。它的废液废料出口也连接前述废气废液处理装置。

放射性废料经管道输入在反应釜中，分别在A工作区完成氧化转型，B工作区完成固化，C区完成冷却、机械出料过程，各工作区为连续工作，其生产效率可有很大提高。

使用时，物料经泵送经输料管加入反应釜中，使用机械手经反应区A的炉门移入装置炉中，然后经固化剂管道加入固化剂，充分搅拌状态下，通过温度控制仪控制输出功率微波加热至500℃-1000℃，恒温0.5h-5h，使放射性废料中的酸根离子转型为氧化物，其在A区完成；然后将反应釜移入B区，继续升温至1000℃-2100℃，恒温0-20h，在可控惰性保护气体气氛种类及流量条件下，烧结固化过程通过控制微波输出功率和使废料及固化剂温度在短时间内由室温上升至数千度使物料成熔融状态，使固化剂与氧化物形式放射性废料发生反应形成玻璃/陶瓷体、玻璃体、陶瓷体等固化体；最后将反应釜移入C区，使其在高温的环境下经过不同相转化形成固化体最后采取冷凝系统慢冷或淬火装置急冷方式将固化体冷却，然后使用机械手从C区炉门将反应釜和物料一起移出，得到可安全处置的放射性废物，最后废液废料经废气废液处理装置处理。

以上几个实施例中：炉体支架底板由4~20根钢柱支撑；炉体设计为无死角的几何体包括立方体、圆柱体、锥体，整个炉体的容积为1~60^m，长宽高分别为0.5~5m、0.4~4m、0.5~3m；炉体由防强酸强碱强腐蚀性金属材料制成，如不锈钢材料；炉壁厚度5~30mm；炉门采用耐高压耐腐蚀金属材料制成例如不锈钢材料，炉门厚度为5~35mm，炉门面积为2~10m ²；炉盖周围镶嵌两道耐高温密封压条，一道防止气压泄漏，一道防止微波泄漏，密封条厚度分别为0.5~3.6mm，0.4~3.2mm；炉门为门控开关（具有开门自动切断微波保护装置）、安全阀门（在设定压强时自动放气）防止微波泄漏和使用安全；另外，装置炉门上设有一个观察窗口，可以直接通过窗口密封处的影视屏观察到炉体内部的具体情况，观察窗口处附有防微波泄漏耐腐蚀的金属铜丝网，防止微波从炉门观察窗口射出，炉体内装载放射性废物容器为耐2300℃以上高温、耐腐蚀性、可穿透微波材料容器，如石英、刚玉、陶瓷坩埚，腔体及炉门内壁周围绕一层耐微波穿透性良好的耐高温铜材料厚度为5~20mm；炉体内壁采用能穿透微波、耐高温、耐腐蚀材料，如陶瓷纤维等，保温材料厚度为5~100mm；微波馈入及波导系统为：装置炉采用单口馈入和侧面环形多口微波馈能两种技术：单口馈入采用大功率磁控管对炉内部进行微波注入，功率在0~50KW范围内，微波将在炉内金属壁进行不断反射最后被高放射性废液吸收达到加热活化效果；多口馈入口方式每个亏入口采用功率在0~15KW的磁控管，从而保证压力容器内电磁波的均匀性；单口和多口馈入微波馈能全部采用特制的“加长型馈能”波导，波管长度范围为0.2~2米，每段波导均采用标准尺寸，如BJ26、BJ22，同时，波导加装水环套降温，能有效的避免压力容器内高放射性废液产生的高温通过波导传导至激励腔而烧损磁控管；储料反应釜装置为盛放废料的罐，其材质为耐高温、耐腐蚀、可穿透微波，如石英、刚玉、陶瓷坩埚等，反应釜容积为10-30m³，形状为圆柱形，容器壁厚5-50mm；输料过程包括高放废料的输入、输出，流体固化剂的输入；高放废料的输入采用泵送输入反应釜中；流体固化剂采用输料管从炉体上端加入；料输出直接用机械钳抓出。其中输料管道为不锈钢、耐高温、耐腐蚀材质，管径为50~200mm，传动装置采用电机，其输出功率为5~10KW，所有控制开关为继电器磁控开关；排气系统采用上方进、排气，用于气压调节废气收集，同时防止微波从排气管道泄漏，排气管设置在炉体上方，进气管道设置在炉体下部两管均不易过粗，气管为耐高温耐腐蚀不锈钢管，管径为4~20mm，排气量为0~2L/min；冷却系统为波导水环套降温，有效避免高放射性废液产生的高温通过波导传导至激励腔而烧损磁控管，其中，磁控管采用外壁螺旋净水循环水冷散热，无装配风机，无噪音，不产生热量，散热效果好，磁控管工作温度正常及使用寿命长运行可靠；炉体采用外壁循环水冷却系统，在炉体外壁周围螺旋状缠上不锈钢管，选择下进水上出水方式，其水流流量为0.1~1m³/s，冷却速度为5~30℃/min；废料反应物降温有缓慢降温和急速降温两个方式，其中缓慢降温采用循环水冷却降温，反应釜外壁周围缠绕螺旋水管，水流流量为0.1~1m³/s，冷却速度为5~0℃/min；急速降温采用喷淋装置降温，喷淋水流量为1~5m³/s，冷却速度为50~600℃/min；磁控管功率由处理样品温度控制，输出功率随着样品温度大小改变，其中温度检测模块采用红外表面测温及热电偶接触测温两种，对于放射性废物高温活化过程没有过多烟雾干扰监测利用红外监测较为方便，其监测温度在0~2500℃，测试灵敏度为+1℃，红外测温仪通过炉体上方观察窗口处进行监控温度，测试物料表面温度；对于放射性废物高温处理过程变化复杂采用热电偶接触样品进行监测，热电偶测温范围为0℃~2300℃，测试灵敏度为+0.5℃，测试物料内部温度。

Claims

1.一种利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，包括炉体支架（10）、壳体及炉盖，其特征在于，它的壳体由保温层（5）、炉壁（6）和外壁（7）组成；它的炉盖为活动盖，其上设置有压力表（1）、减压阀（2）和观察窗（3）；它的壳体上还设置有磁控管(8)、冷凝系统入水口(9)、流量控制器(11)、入料口(12)、传动系统（13）和冷凝系统出水口(14)；置于壳体内的石英罩(19)安放在底座(15)上，其内还设置有外表面缠绕有冷却系统(17)的反应釜(18)；固定在炉盖上的热电偶(4)穿入石英罩(19)内；石英罩(19)内还有向反应釜(18)喷固化剂、水或冷气的喷头（20）；它还设置有可使反应釜内废液混合均匀传动系统（13）。

2.根据权利要求1所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的炉体由防强酸强碱强腐蚀性金属材料制成，炉壁厚度5~30mm；炉门采用耐高压耐腐蚀金属材料制成，厚度为5~35mm；炉壁（6）采用能穿透微波、耐高温、耐腐蚀的材料制成；它的输料管道为不锈钢、耐高温、耐腐蚀材质，管径为50~200mm。

3.根据权利要求1或2所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的炉体设计为无死角的几何体，包括立方体、圆柱体、锥体，整个炉体的内容积为1~60，长宽高分别为0.5~5、0.4~4、0.5~3^m。

4.根据权利要求1、2、3之1所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的炉盖周围镶嵌两道耐高温密封压条，密封条厚度分别为0.5~3.6mm，0.4~3.2mm。

5.根据权利要求1或2所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的微波馈入及波导系统为：单口馈入采用大功率磁控管对炉内部进行微波注入，功率在0~50KW范围内；多口馈入方式采用相位互补形式馈能；每个亏入口采用功率在0~15KW的磁控管；馈入波导长度范围为0.2~2米，每段波导均采用标准尺寸。

6.根据权利要求3所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的微波馈入及波导系统为：单口馈入采用大功率磁控管对炉内部进行微波注入，功率在0~50KW范围内；多口馈入方式采用相位互补形式馈能；每个亏入口采用功率在0~15KW的磁控管；馈入波导长度范围为0.2~2米，每段波导均采用标准尺寸。

7.根据权利要求4所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它的微波馈入及波导系统为：单口馈入采用大功率磁控管对炉内部进行微波注入，功率在0~50KW范围内；多口馈入方式采用相位互补形式馈能；每个亏入口采用功率在0~15KW的磁控管；馈入波导长度范围为0.2~2米，每段波导均采用标准尺寸。

8.根据权利要求1所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，其特征在于，它连接了由冷却器（21）、高温过滤器（22）、第一高效过滤器（23）、二次燃烧室（24）、热交换器（25）、洗涤塔（26）、加热器（27）、第二高效过滤器（28）、活性炭吸附塔（29）、脱硝反应器（30）组成的废气废液净化装置。

9.根据权利要求1所述的利用微波活化能处理放射性废物连续转化烧结装置，包括炉体支架（10）、壳体及炉盖，其特征在于，它的主体由3个连续的炉体A、B、C串联构成；磁控管分别转环绕在炉体内；3个炉体最内层壁加厚隔热保温材料层，外壁为防辐照保护层；炉体底座均由4-20跟钢柱支撑离地面约1-3米，其中A炉体底座由可伸缩进料管，炉体上方有可伸缩搅拌装置；B、C炉体底部装置冷却水进出口、废液废料出口，炉体上方均设有进出气口、远程控制视频观察口；炉体最内部为反应釜，反应釜置于可升降转台上；它还设置有用来送、取物料的机械手（31）、淬火装置（32）、传送装置（33）、炉门出口（34）、搅拌器（35）、固化剂管道（36）、连接炉门（37）、红外测温仪（38）、进气孔(39)和炉门（40）。