CN104637561A - 一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法，其中等离子体减容系统包括熔融燃烧系统和尾气处理系统，熔融燃烧系统进一步包括熔融炉和二次燃烧室，采用等离子热解熔融+二次燃烧组合方式处理中低放固体废物，对经二次燃烧生成的尾气采用半干急冷法+布袋+湿法+脱硝组合的方式来处理。本发明能够处理各种类型的废物，使得废物的体积减至1/6，并能够将放射性核素稳定固化在固化体内，尾气排放可以达到国家标准。综合来看，能够实现减容技术中较高的减容比和较高的安全性。

Description

一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法

技术领域

本发明涉及核废物处理领域，尤其涉及一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法。

背景技术

核设施在运行与维护中会产生大量低中水平放射性固体废物，如废过滤器、废石棉布、浓缩液、污泥、废树脂等。现行的处理方法通常为：分类、压缩（超级压缩）、水泥固化和混凝土固定。这些方法因技术成熟而被国内核电站广泛采用，但是处理工艺复杂、处理速度慢、废物包容率低、压缩后的废物核素浸出率高。

随着我国核电的发展，核电站低中放固体废物处理问题将日益突出。为了进一步提高废物处理处置的安全性和经济性，发展能够显著减容且产物长期稳定的技术变得更加紧迫。热等离子体处理废物时，废物中的有机成分在惰性和还原性气氛中被热解为小分子，无机成分熔融冷却后形成稳定的固化体，使用同一装置同时完成废物的减容减量和放射性核素的固定，处理过程不受处理对象的限制，处理速度快。国外的研究和应用表明，热等离子体技术是处理放射性废物最可靠的技术之一。

现有的一种热等离子体处理固体低、中水平放射性固体废弃物的装置，包括有等离子体熔融气化炉、热等离子体发生器、工作气体制备供应装置、冷却水供应装置、进料装置、玻璃固化体排放及接收装置、尾气净化处理系统以及相应的测量控制及监测系统，利用热等离子体在炉膛的低温区气化废弃物中的有机和无机含碳成分，产生的灰烬和废弃物中的无机物在炉膛高温区被熔融，通过调节添加玻璃形成体，将放射性核素稳定的固定在玻璃体中。但是其尾气后处理设备布置的顺序无法达到核设施废物处理后向外界排放环境保护的要求。

另一种现有的放射性废树脂等离子体高温焚烧固化方法，将废树脂与固化剂混合加热，有机成分生成可燃性气体，无机成分进行熔渣收集，冷却形成玻璃体；可燃性气体与空气混合燃烧，产生烟气；将产生的烟气冷却，滤除粉尘；喷入碱液，去除粉尘，对烟气降温；对烟气加热，排放剩余烟气。然而，这种等离子体高温焚烧固化方法所处理废物的种类仅为废树脂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法，能够处理各种类型的核固体废物，并有效提高减容比和安全性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统，包括：熔融燃烧系统和尾气处理系统，其中，

所述熔融燃烧系统进一步包括熔融炉和二次燃烧室，所述熔融炉用于利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融，所述二次燃烧室用于将经所述熔融炉热解后的产物进行充分燃烧；

所述尾气处理系统进一步包括顺序相连的半干急冷除酸塔、布袋除尘器、喷淋洗涤塔以及选择性催化还原法SCR反应器，所述半干急冷除酸塔用于按照半干急冷法，利用喷入的碱液对来自所述二次燃烧室的烟气进行冷却并中和烟气中的酸性气体，所述布袋除尘器用于捕集来自所述半干急冷除酸塔的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素，所述喷淋洗涤塔用于对烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素，所述SCR反应器用于去除烟气中的氮氧化物。

其中，还包括分拣配料装置和粉碎装置，所述分拣配料装置用于将待处理的核固体废物重新分拣、分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起，所述粉碎装置用于将经过所述分拣配料装置分拣后的核固体废物破碎成小体积，以便投入所述熔融炉内。

其中，还包括等离子体发生器和发生器辅助系统，所述等离子体发生器与所述熔融炉的中下部相连，用于提供高温的等离子体以热解可燃废物和熔融不可燃废物，所述发生器辅助系统与所述等离子体发生器相连，用于为所述等离子体发生器提供冷却水和高纯氮气。

其中，所述等离子体发生器为非转移弧的等离子体发生器。

其中，所述等离子体发生器为一个，功率为300kW；或者所述等离子体发生器为三个，每个功率为100kW。

其中，所述熔融炉采用管状炉膛结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳，所述耐高温内衬采用锆刚玉材料，所述耐火层采用氧化铝耐火砖，所述隔热层采用轻质莫来石砖是，所述保温层采用陶瓷纤维针刺毡。

其中，还包括接渣装置，用于接收所述熔融炉内的各种熔融物，所述接渣装置设有加热装置和接渣筒，所述加热装置用于保证所述熔融物在所述接渣筒内保持一定的温度。

其中，还包括固化体养护装置，与所述接渣装置相连，用于当所述接渣筒装满后收纳所述接渣筒，并保持所述接渣筒内的固化体在养护周期内以一定的温度梯度降温。

其中，所述二次燃烧室采用管状炉膛结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳，所述耐高温内衬采用锆刚玉材料，所述耐火层采用氧化铝耐火砖，所述隔热层采用轻质莫来石砖，所述保温层采用陶瓷纤维针刺毡。

其中，所述二次燃烧室配有天然气点火器，用于降低氮氧化物的生成。

其中，所述半干急冷除酸塔的主体为立式圆筒体，上下端均为锥体，上椎体设有冷却液雾化器，下椎体具有一定倾斜角度以方便出灰。

其中，所述半干急冷除酸塔的外胆材质为不锈钢，内部与烟气接触面为内衬防腐耐高温浇注料。

其中，所述半干急冷除酸塔配有用于提供碱液的半干急冷除酸装置，所述半干急冷除酸装置包含碱液加压泵、雾化喷头、管路系统以及碱液池，所述碱液加压泵有两台，采用一用一备的并联方式布置，所述雾化喷头采用内部混合式二流体雾化器。

其中，在所述布袋除尘器与所述喷淋洗涤塔之间还设置有活性炭吸附装置，用于对经所述布袋除尘器处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。

其中，所述活性炭吸附装置设置有活性炭装卸口以及检查门。

其中，所述喷淋洗涤塔通过NaOH溶液洗涤烟气中的酸性气体，所述NaOH溶液通过支管式喷淋装置喷入。

其中，所述喷淋洗涤塔的主体材质为不锈钢，内部花岗岩衬里，填料采用耐酸碱的鲍尔环陶瓷。

其中，在所述喷淋洗涤塔与所述SCR反应器之间还设置有加热器，用于提高烟气温度，以为所述SCR反应器提供合适的反应温度。

其中，所述加热器是电加热器或天然气加热器。

其中，所述SCR反应器装填有用于氮氧化物的SCR主催化剂，在最下层还装填有用于脱除二恶英的SCR催化剂，在出口处还装填有用于脱除多余氨气的SCR催化剂。

其中，在每层所述催化剂的下面布置有用于支撑催化剂的支撑钢结构梁。

其中，所述SCR反应器还设有用于防止烟气中飞灰及其它杂质附着、沉积在所述催化剂表面的蒸汽吹灰器。

其中，所述SCR反应器连接有氨水喷射装置，所述氨水喷射装置包括稀释风机、氨/空气混合器、供应支管和喷射格栅。

其中，所述SCR反应器还连接有高效过滤器，用于捕捉以微小颗粒物为载体的核素。

其中，所述高效过滤器还连接有烟囱，用于向高空中排放经过处理后的尾气。

本发明还提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容方法，包括：

步骤S1，利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融；

步骤S2，将经热解后的产物进行充分燃烧，生成待处理的烟气；

步骤S3，按照半干急冷法，利用喷入的碱液对所述待处理的烟气进行冷却并中和其中的酸性气体；

步骤S4，采用布袋法捕集经所述步骤S3处理后的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素；

步骤S5，采用湿法对经步骤所述S4处理后的烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素；

步骤S6，采用选择性催化还原法去除经所述步骤S5处理后的烟气中的氮氧化物。

其中，在所述步骤S1之前还包括：

步骤S10，对待处理核固体废物进行重新分拣和分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起；

步骤S11，将分拣后的核固体废物破碎成小体积。

其中，所述步骤S1中，可燃烧的核固体废物被高温等离子体热解成小分子热解气体产物，不可燃烧的核固体废物被熔融成金属熔融物或者硅酸盐类熔融物。

其中，将所述熔融物排出并对其加热以保持一定的温度，当所述熔融物累积到一定量时，在养护周期内对其以一定的温度梯度降温。

其中，所述步骤S4中，经所述步骤S3处理后的烟气为温度在200℃左右的干燥烟气。

其中，所述步骤S4中，当布袋阻力变大，达到设定值时，自动启动清灰过程；当布袋的入袋温度超过设定温度时，布袋的进口气动阀门自动关闭，布袋的旁通管道的气动阀门打开，烟气由旁通管道经引风机排出。

其中，所述步骤S4之后还包括：采用活性炭对经所述步骤S3处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。

其中，所述步骤S6之前还包括：在SCR反应器装填用于脱除氮氧化物的SCR主催化剂，在SCR反应器的最下层装填用于脱除二恶英的SCR催化剂，以及在SCR反应器的出口处装填用于脱除多余氨气的SCR催化剂。

其中，所述步骤S6中，经所述步骤S5处理后的烟气为经电加热或天然气燃烧加热后的烟气。

其中，所述步骤S6之后还包括：捕捉经所述步骤S6处理后的烟气中以微小颗粒物为载体的核素；然后向高空中排放经过处理后的尾气。

本发明实施例的有益效果在于，通过高温等离子熔融和二次燃烧技术，能够处理各种类型的核固体废物，使得废物的体积减至1/6，并能够将放射性核素稳定固化在固化体内。经二次燃烧室充分燃烧的具有放射性的烟气通过尾气处理系统，尾气排放可以达到国家标准。综合来看，能够实现减容技术中较高的减容比和较高的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例一用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统的结构示意图。

图2是本发明实施例一中半干急冷除酸塔的结构示意图。

图3是本发明实施例一中活性炭吸附装置的结构示意图。

图4是本发明实施例一中SCR反应器与氨水喷射装置的结构示意图。

图5是本发明实施例二用于处理核设施固体废物的等离子体减容方法的流程示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

本发明实施例用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统及方法中，核设施是指核动力厂（包括核电厂、核热电厂、核供汽供热厂等）及其它反应堆（包括研究堆、实验堆、临界装置等）。

以某百万千瓦级核电厂年产生的中低放固体废物为例，核电厂每年需要投入巨资处理沾有放射性的塑料布、棉织品衣物、废过滤器、废石棉布、浓缩液、污泥、废树脂等。传统的分类、压缩（超级压缩）、水泥固化和混凝土固化等方式因技术成熟而被国内核电站广泛采用，但是处理工艺复杂、处理速度慢、废物包容率低、压缩后的废物核素浸出率高。为了能够达到最小减容比，最安全的固化放射性核素，等离子体熔融减容技术是目前最为先进的处理方式。

请参照图1所示，本发明实施例一提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统，包括：熔融燃烧系统1和尾气处理系统2，其中，熔融燃烧系统1进一步包括熔融炉11和二次燃烧室12，熔融炉11用于利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融，二次燃烧室12用于将经熔融炉11热解后的产物进行充分燃烧；尾气处理系统2进一步包括顺序相连的半干急冷除酸塔21、布袋除尘器22、喷淋洗涤塔24以及SCR（选择性催化还原法，Selective Catalytic Reduction）反应器26，半干急冷除酸塔21用于按照半干急冷法，利用喷入的碱液对来自二次燃烧室12的烟气进行冷却并中和烟气中的酸性气体，布袋除尘器22用于捕集来自半干急冷除酸塔21的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素，喷淋洗涤塔24用于对烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素，SCR反应器26用于去除烟气中的氮氧化物（NOx）。

具体来说，核固体废物进入熔融炉11之前，需经过分拣和粉碎，本实施例的等离子体减容系统相应还包括分拣配料装置15和粉碎装置16，分拣配料装置15用于将待处理的核固体废物重新分拣、分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起。核固体废物包括塑料布、棉织品衣物、废过滤器、废石棉布、浓缩液、污泥、废树脂等，通常置于400L或者200L废物金属筒内。分拣配料装置15能够实现自动化打开废物金属筒，将其中的废物倒出，根据核固体废物的种类、放射性剂量、燃烧热值等重新分类，使得待燃烧的核固体废物重新分成若干主要的类型。例如将各类沾污棉织品衣服放置在一起，将塑料布放置在一起，同时根据其放射性剂量的不同，将其混合成均匀放射性剂量的若干批次。

核设施的低中水平放射性固体废物经过分拣配料装置15，将其根据不同的热解与燃烧特性，加入一定量的玻璃固化体配方，进入粉碎装置16。粉碎装置16用于将经过分拣配料装置15分拣后的核固体废物破碎成小体积（例如直径约为20mm的碎块），以便投入熔融炉11内后迅速发生热解和熔融。粉碎装置15配有粉碎机和密封装置（图未示出）。密封装置用于防止破碎的过程中放射性粉尘外溢，导致工作环境受到污染。

熔融炉11的平均炉膛温度为1300 ~ 1600℃。在熔融炉11内，可燃烧的废物被高温等离子发生器喷入的等离子体热解成小分子热解气体产物，不可燃烧的废物被熔融成金属熔融物或者硅酸盐类熔融物；在其高温区域，可燃废物被氮等离子体急速加热分解，主要生成小分子可燃物气体CH4、CO、H2和焦炭。熔融炉11采用管状炉膛结构、多层结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳。耐高温内衬采用锆刚玉材料、耐火层采用氧化铝耐火砖、隔热层采用轻质莫来石砖、保温层采用陶瓷纤维针刺毡。各层厚度可以根据计算后得出。

本实施例的等离子体减容系统由此还包括等离子体发生器13及发生器辅助系统14，等离子体发生器13与熔融炉11的中下部相连，用于提供高温（通常为5000~10000℃）的等离子体以热解可燃废物和熔融不可燃废物。等离子体发生器13利用电弧机制产生具有高温、能量集中的等离子体。电弧机制包括转移弧和非转移弧方式，利用高纯氮气作为工作介质气体。发生器辅助系统14与等离子体发生器13相连，用于为等离子体发生器13提供冷却水和高纯氮气。冷却水由软水机和冷却器提供，冷却水会带走等离子体发生器13工作期间阴极、阳极等部件的热量，易冷却该部件，防止被高温等离子体烧蚀。高纯氮气使用变压吸附制氮机（PSA）提供。

本实施例中，设置总功率为300kW的单只等离子体发生器13或三只等离子体发生器13（每只功率100kW），优先选择非转移弧的发等离子体发生器，非转移弧等离子体发生器能够自由选择工作气体，以便控制熔融炉11的还原性或者氧化性的气氛。

熔融炉11内的各种熔融物由接渣装置17接收。接渣装置17运行的温度为500~700℃，配有加热装置和接渣筒（图未示出）。加热装置用于保证熔融物能够在接渣筒内保持一定的温度，避免迅速凝固。接渣筒的内衬为耐高温材料，且不与熔融物发生化学反应。

固化体养护装置18与接渣装置17相连，当接渣装置17中的接渣筒装满后，将接渣筒送入固化体养护装置18中。固化体养护装置18用于保持接渣筒内的固化体，在养护周期内，能够以一定的温度梯度降温，保证固化体能够形成最稳定的固化态。固化体养护温度为400~600℃。养护周期内，可先将初期温度设定为550摄氏度10小时，随后降温速率为20℃/h。

二次燃烧室12的平均炉膛温度为900 ~ 1300℃。在其高温区域，热解产物与混入的空气接触充分燃烧。将C转化为二氧化碳、将H元素转化为水。二次燃烧室12采用管状炉膛结构、多层结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳。耐高温内衬采用锆刚玉材料、耐火层采用氧化铝耐火砖、隔热层采用轻质莫来石砖、保温层采用陶瓷纤维针刺毡。二次燃烧室12配有天然气点火器，采用天然气能够有效降低氮氧化物NOx的生成。

经二次燃烧室12燃烧后的烟气，尚不能直接排放，需要对其进行尾气处理，本实施例中的尾气处理系统2采用半干法+布袋+湿法+脱硝组合的方式来处理此类尾气。

经二次燃烧室12燃烧后的烟气首先进入半干急冷除酸塔21。烟气中的酸性气体主要为SO₂和HCl。碱液被喷入半干急冷除酸塔21内进行吸收反应。烟气与垂直于该束流气体的双流体雾化器雾化后的纳米级碱雾在极短距离（≤0.2m）瞬间、完全、有效混合，为急冷提供了首要条件。与此同时，在高温酸性气体和纳米碱雾接触几率、表面积极大的情况下，蒸发吸热、中和反应同时瞬间完成。碱雾与酸性烟气接触直接反应成没有腐蚀的盐类，大大降低酸性湿烟气对设备的腐蚀，保证烟气处理系统正常稳定运行，延长脱酸设备的使用寿命。

为除酸塔21提供碱液的是半干急冷除酸装置，包含碱液加压泵、雾化喷头、管路系统、碱液池。碱液加压泵配置两台，一用一备，并联布置。加压泵选用不锈钢型泵，在喷淋泵进口设有控制阀门、底阀，出口设有控制阀门、止回阀、压力计、金属软管等。碱液来自碱液池，加压泵从碱液池内抽吸碱液经雾化喷头雾化后充分与烟气接触，完成酸碱反应，碱液中水分汽化蒸发。雾化采用雾化器，利用压缩空气作为雾化介质，雾化喷头采用内部混合式二流体雾化器，其混合程度、雾化效果、急冷速度及效率极好，过剩空气系数低（仅为1.1）。碱液与压缩空气在内部强烈混合后从喷嘴喷出，从而使浆液雾化为细小的颗粒，与烟气进行接触吸收，烟气在大量的冷却碱液的作用下急速降低200℃，从而将明显降低因加热空气所耗用的燃料。雾化器的喷头口径大，对液体的粘度、杂质含量要求不高，不易堵塞；采用低压喷雾方式，较高压喷枪式更安全，不易磨损，燃烧效果好。

请结合图2所示，半干急冷除酸塔21主体为立式圆筒体，外胆材质为不锈钢，为了保证喷入塔内的溶液完全蒸发、防止溶液粘壁及防止腐蚀，同时延长设备的使用寿命，内部与烟气接触面为内衬防腐耐高温浇注料。半干急冷除酸塔21上下端均为锥体，上端为烟气入口，一支冷却液雾化器布置在上锥体上；下锥体有一定倾斜角度，以方便出灰，使用的耐火材料致密度高，能经受高温烟气的冲刷，在高温下热线性变形小，抵抗烟气中的酸性和冷却液的碱性，内层浇筑料可在炉内保温蓄热，加快冷却液的汽化，具有吸湿性。

雾化后的碱性液滴在半干急冷除酸塔21内完成干燥反应，加上合理的温度控制，保证布袋除尘器22入口的烟气是干燥的（200℃左右），不会对布袋除尘器22有水汽影响。

布袋除尘器22包括：壳体部分、灰斗及出灰筒、脉冲清灰装置、压缩空气管路及减压装置、支脚、立式笼梯和栏杆。壳体部分包括过滤室、花板，脉冲清灰装置包括脉冲阀、气包。

布袋除尘器22是一种干式滤尘装置，适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。一般新滤料的除尘效率是不够高的，滤料使用一段时间后，由于筛滤、碰撞、滞留、扩散、静电等效应，滤袋表面积聚了一层粉尘，这层粉尘称为初层，在此以后的运动过程中，初层成了滤料的主要过滤层，依靠初层的作用，网孔较大的滤料也能获得较高的过滤效率。随着粉尘在滤料表面的积聚，除尘器的效率和阻力都相应的增加，当滤料两侧的压力相差很大时，会把有些已附着在滤料上的细小尘粒挤压过去，使除尘器效率下降。另外，除尘器的阻力过高会使除尘系统的风量显著下降。因此，除尘器的阻力达到一定数值后，要及时清灰。清灰时不能破坏初层，以免效率下降。滤袋材料采用诺美克斯材料，工作温度180～200℃，使用温度最高不超过250℃，靠脉冲定时清灰。

当附着在布袋表面粉尘逐渐增多时，布袋阻力变大，当阻力达到设定值时，清灰程序自动启动，清灰过程为自动控制：以清灰间隔时间或滤袋的内外压力差作为清灰的依据，到达人工根据物料情况调整的清灰时间或滤袋的内外压力差达到一定程度时，控制系统就发出信号，将滤袋上方的切换阀门转到与压缩空气接通的位置，同时压缩空气通过脉冲阀定时轮流向箱体内自动通入高压空气进行喷吹，瞬时完成清灰，将截留在布袋外表面的粉尘抖落到下部的集灰斗内。布袋除尘器22清灰采用压差传感器控制清灰效果，对滤袋停风及喷吹的时间，清灰周期进行控制，各时间均为可调。

布袋除尘器22设置有旁通管道，当设备出现异常情况，入袋温度超过设定温度时，为保证布袋不受损害，布袋进口气动阀门自动关闭，旁通管道的气动阀门打开，烟气由旁通管道经引风机排出，确保烟温异常时不对滤袋形成致命破坏。阀门开启、关闭通过自控系统完成。

本实施例在布袋除尘器22与喷淋洗涤塔24之间还设置有活性炭吸附装置23，用于对经布袋除尘器22处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附气相、液相中的各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。检验标准可按照中国国标GB，或按照其他国家标准，如：美国ASTM，日本JIS，德国DIN标准等。由于炭粒的表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触。利用固体表面的吸附能力，使废气与大表面的多孔性固体物质相接触，烟气中的放射性核素、二恶英和重金属被吸附在固体活性炭表面上，使其与气体混合物分离。

请结合图3所示，活性炭吸附装置23主体为立式圆筒体，外胆材质为不锈钢板，内部进行了防腐蚀处理，抗强酸碱的腐蚀，在长期运转使用状况下，不受其它因素氧化腐蚀。主结构体厚度5mm，且具有足够补强，足以负担结构体及运转中所需的负荷。活性炭吸附装置23设置活性炭装卸口及检查门，开启方便、密封严密。

烟气进入喷淋洗涤塔24后，在塔内和碱性溶液充分接触，将残余的SO2、HCl中和掉，通过对烟气的喷淋洗涤去除其中的酸性气体。所使用的碱性溶液通常为NaOH溶液（浓度通常为5%）。碱性溶液与酸性气体反应后生成盐类，其水分被完全蒸发并降低烟气温度。碱性溶液通过支管式喷淋装置241喷入，雾化成细小的液粒与塔内的烟气充分接触，从而去除烟气中的粉尘和多余的酸性气体。喷淋洗涤塔24主体材质为不锈钢，内部花岗岩衬里，花岗岩热涨稳定性好，在400度以下不会产生热应力变化。填料采用耐酸碱的鲍尔环陶瓷，解决防腐和耐高温问题，具有比表面积大，低压损等特点，能量消耗低，操作弹性大，运行可靠。

本实施例在喷淋洗涤塔24与SCR反应器26之间还设置有加热器25，用于提高烟气温度，通常提高至280~300℃摄氏度以上。经湿法处理后的烟气中含水率较高，若直接排空，当烟气接触到空气后，温度迅速下降，变为过饱和烟气，会产生烟雾，这将破坏周边地区的景观，视觉效果差。另一方面，为了给后续SCR反应器26提供合适的反应温度，须将烟气升高至适宜的温度。通过换热装置，烟气再热器的热源来自加热器25，将烟气升温至280~300℃后进入后续反应装置，给后续烟气的反应提供了条件。加热器25可以采用电加热器，也可采用天然气加热器。

SCR反应器26去除烟气中的氮氧化物NOx是指在催化剂的作用下，还原剂与烟气中的氮氧化物反应生成无害的氮和水，从而去除烟气中的NOx。选择性是指还原剂氨气NH₃和烟气中的NOx发生还原反应，而不与烟气中的氧气O₂发生反应。

化学反应原理为：4 NO + 4 NH₃ + O₂ ——> 4 N₂ + 6 H₂O

6 NO₂ + 8 NH₃ ——> 7 N₂ + 12 H₂O

SCR反应器26是包含催化剂的外部结构，外壳采用不锈钢304，附件A3钢，主要由钢结构框架、钢板等焊接而形成密闭的空间。为了防止烟气的散热，在反应器内外护板之间布置保温材料。

考虑到尾气中含有微量二恶英，按如下方式在SCR反应器26内装填催化剂：

装填SCR主催化剂，用于NOx的脱除；

最下层装填具有脱除二恶英功能的SCR催化剂；

出口处装填具有脱除多余氨气的SCR催化剂，保证烟气中氨的浓度。

为支撑催化剂，在每层催化剂的下面布置有支撑钢结构梁，将催化剂模块成排布置在支撑梁上。

为防止烟气中飞灰及其它杂质附着、沉积在催化剂表面，影响催化剂活性，需要在SCR反应器26中配置吹灰器。目前较常用的吹灰器有声波吹灰器及蒸汽吹灰器。本实施例采用清灰效果较好的蒸汽吹灰器。

SCR反应器26连接有氨水喷射装置261，氨水喷射装置261包括稀释风机、静态（氨/空气）混合器、供应支管和喷射格栅（AIG）。被汽化的氨与稀释空气在静态（氨/空气）混合器中混合，通过喷氨格栅喷入SCR反应器26上游的氨/空气混合器，混合均匀后进入SCR反应器26。氨在空气中的体积浓度达到16～25%时，会形成II类可燃爆炸性混合物。为保证注入烟道的氨与空气混合物的安全，除控制混合器内氨的浓度远低于其爆炸下限外，还保证氨在混合器内均匀分布。一般情况下，通过稀释风机将喷入SCR反应器26入口烟道的氨气，稀释至含5％左右氨气的混合气体。

根据烟气氮氧化物浓度、氮氧化物脱除率、烟气温度、烟气杂质成分及催化剂期望寿命，合理选择催化剂，并对反应器、烟道流场、氨/烟气混合系统等进行优化设计，合理布局，确保在正常负荷范围内烟气脱硝效率均不低于80%。

本实施例的SCR反应器26还连接有高效过滤器（HEPA）27，用于捕捉以微小颗粒物为载体的核素。此外，还设置有烟囱28，与高效过滤器27相连，用于向高空中排放经过处理后的尾气，以便被风吹散，避免发生尾气在低处积聚。烟囱28底部直径大，出口小，底部用地脚螺栓固定。烟囱28的主体采用不锈钢+内衬耐温防腐涂料，可耐高温耐腐蚀（使用温度300℃左右），较传统的不锈钢及砖砌烟囱使用寿命更长。烟囱28采用抗震设计，烟囱28的顶部设置避雷装置，与地面避雷装置相连，接地电阻小于4Ω。

为了保证焚烧主体设备正常运行，本实施例还配置有完善的辅助设备，包括排风系统、供水系统、碱液制备系统和工艺管道及检修平台等。

通过上述说明可知，本实施例的等离子体减容系统，通过高温等离子熔融和二次燃烧技术，能够处理各种类型的核固体废物，使得废物的体积减至1/6，并能够将放射性核素稳定固化在固化体内。经二次燃烧室充分燃烧的具有放射性的烟气通过尾气处理系统，尾气排放可以达到国家标准。综合来看，能够实现减容技术中较高的减容比和较高的安全性。

请再参照图5所示，相应于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容方法，包括：

步骤S1，利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融；

步骤S2，将经热解后的产物进行充分燃烧，生成待处理的烟气；

步骤S3，按照半干急冷法，利用喷入的碱液对所述待处理的烟气进行冷却并中和其中的酸性气体；

步骤S4，采用布袋法捕集经步骤S3处理后的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素；

步骤S5，采用湿法对经步骤S4处理后的烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素；

步骤S6，采用选择性催化还原法去除经步骤S5处理后的烟气中的氮氧化物。

具体来说，在步骤S1之前还包括：

步骤S10，对待处理核固体废物进行重新分拣和分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起；

步骤S11，将分拣后的核固体废物破碎成小体积。

步骤S1中，可燃烧的核固体废物被高温等离子体热解成小分子热解气体产物，不可燃烧的核固体废物被熔融成金属熔融物或者硅酸盐类熔融物。之后，将熔融物排出并对其加热以保持一定的温度，当熔融物累积到一定量时，在养护周期内对其以一定的温度梯度降温。

步骤S4中，经步骤S3处理后的烟气为温度在200℃左右的干燥烟气。当布袋阻力变大，达到设定值时，自动启动清灰过程。当布袋的入袋温度超过设定温度时，布袋的进口气动阀门自动关闭，布袋的旁通管道的气动阀门打开，烟气由旁通管道经引风机排出。

步骤S4之后还包括：采用活性炭对经步骤S3处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。

步骤S6之前还包括：在SCR反应器装填用于脱除氮氧化物的SCR主催化剂，在SCR反应器的最下层装填用于脱除二恶英的SCR催化剂，以及在SCR反应器的出口处装填用于脱除多余氨气的SCR催化剂。

步骤S6中，经步骤S5处理后的烟气为经电加热或天然气燃烧加热后的烟气。

步骤S6之后还包括：捕捉经步骤S6处理后的烟气中以微小颗粒物为载体的核素；然后向高空中排放经过处理后的尾气。

有关本实施例的原理及有益效果请参照本发明实施例一的说明，此处不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (35)

1.一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容系统，其特征在于，包括：熔融燃烧系统和尾气处理系统，其中，

所述熔融燃烧系统进一步包括熔融炉和二次燃烧室，所述熔融炉用于利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融，所述二次燃烧室用于将经所述熔融炉热解后的产物进行充分燃烧；

所述尾气处理系统进一步包括顺序相连的半干急冷除酸塔、布袋除尘器、喷淋洗涤塔以及选择性催化还原法SCR反应器，所述半干急冷除酸塔用于按照半干急冷法，利用喷入的碱液对来自所述二次燃烧室的烟气进行冷却并中和烟气中的酸性气体，所述布袋除尘器用于捕集来自所述半干急冷除酸塔的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素，所述喷淋洗涤塔用于对烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素，所述SCR反应器用于去除烟气中的氮氧化物。

2.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，还包括分拣配料装置和粉碎装置，所述分拣配料装置用于将待处理的核固体废物重新分拣、分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起，所述粉碎装置用于将经过所述分拣配料装置分拣后的核固体废物破碎成小体积，以便投入所述熔融炉内。

3.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，还包括等离子体发生器和发生器辅助系统，所述等离子体发生器与所述熔融炉的中下部相连，用于提供高温的等离子体以热解可燃废物和熔融不可燃废物，所述发生器辅助系统与所述等离子体发生器相连，用于为所述等离子体发生器提供冷却水和高纯氮气。

4.根据权利要求3所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述等离子体发生器为非转移弧的等离子体发生器。

5.根据权利要求4所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述等离子体发生器为一个，功率为300kW；或者所述等离子体发生器为三个，每个功率为100kW。

6.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述熔融炉采用管状炉膛结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳，所述耐高温内衬采用锆刚玉材料，所述耐火层采用氧化铝耐火砖，所述隔热层采用轻质莫来石砖是，所述保温层采用陶瓷纤维针刺毡。

7.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，还包括接渣装置，用于接收所述熔融炉内的各种熔融物，所述接渣装置设有加热装置和接渣筒，所述加热装置用于保证所述熔融物在所述接渣筒内保持一定的温度。

8.根据权利要求7所述的等离子体减容系统，其特征在于，还包括固化体养护装置，与所述接渣装置相连，用于当所述接渣筒装满后收纳所述接渣筒，并保持所述接渣筒内的固化体在养护周期内以一定的温度梯度降温。

9.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述二次燃烧室采用管状炉膛结构，包括：耐高温内衬、耐火层、隔热层、保温层、金属外壳，所述耐高温内衬采用锆刚玉材料，所述耐火层采用氧化铝耐火砖，所述隔热层采用轻质莫来石砖，所述保温层采用陶瓷纤维针刺毡。

10.根据权利要求9所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述二次燃烧室配有天然气点火器，用于降低氮氧化物的生成。

11.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述半干急冷除酸塔的主体为立式圆筒体，上下端均为锥体，上椎体设有冷却液雾化器，下椎体具有一定倾斜角度以方便出灰。

12.根据权利要求11所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述半干急冷除酸塔的外胆材质为不锈钢，内部与烟气接触面为内衬防腐耐高温浇注料。

13.根据权利要求11所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述半干急冷除酸塔配有用于提供碱液的半干急冷除酸装置，所述半干急冷除酸装置包含碱液加压泵、雾化喷头、管路系统以及碱液池，所述碱液加压泵有两台，采用一用一备的并联方式布置，所述雾化喷头采用内部混合式二流体雾化器。

14.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，在所述布袋除尘器与所述喷淋洗涤塔之间还设置有活性炭吸附装置，用于对经所述布袋除尘器处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。

15.根据权利要求14所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述活性炭吸附装置设置有活性炭装卸口以及检查门。

16.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述喷淋洗涤塔通过NaOH溶液洗涤烟气中的酸性气体，所述NaOH溶液通过支管式喷淋装置喷入。

17.根据权利要求16所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述喷淋洗涤塔的主体材质为不锈钢，内部花岗岩衬里，填料采用耐酸碱的鲍尔环陶瓷。

18.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，在所述喷淋洗涤塔与所述SCR反应器之间还设置有加热器，用于提高烟气温度，以为所述SCR反应器提供合适的反应温度。

19.根据权利要求18所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述加热器是电加热器或天然气加热器。

20.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述SCR反应器装填有用于氮氧化物的SCR主催化剂，在最下层还装填有用于脱除二恶英的SCR催化剂，在出口处还装填有用于脱除多余氨气的SCR催化剂。

21.根据权利要求20所述的等离子体减容系统，其特征在于，在每层所述催化剂的下面布置有用于支撑催化剂的支撑钢结构梁。

22.根据权利要求20所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述SCR反应器还设有用于防止烟气中飞灰及其它杂质附着、沉积在所述催化剂表面的蒸汽吹灰器。

23.根据权利要求20所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述SCR反应器连接有氨水喷射装置，所述氨水喷射装置包括稀释风机、氨/空气混合器、供应支管和喷射格栅。

24.根据权利要求1所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述SCR反应器还连接有高效过滤器，用于捕捉以微小颗粒物为载体的核素。

25.根据权利要求24所述的等离子体减容系统，其特征在于，所述高效过滤器还连接有烟囱，用于向高空中排放经过处理后的尾气。

26.一种用于处理核设施固体废物的等离子体减容方法，包括：

步骤S1，利用等离子体对经分拣和粉碎后的核固体废物进行热解和熔融；

步骤S2，将经热解后的产物进行充分燃烧，生成待处理的烟气；

步骤S3，按照半干急冷法，利用喷入的碱液对所述待处理的烟气进行冷却并中和其中的酸性气体；

步骤S4，采用布袋法捕集经所述步骤S3处理后的烟气中的粉尘、焦炭以及放射性核素；

步骤S5，采用湿法对经步骤所述S4处理后的烟气进行洗涤以去除其中的酸性气体和放射性核素；

步骤S6，采用选择性催化还原法去除经所述步骤S5处理后的烟气中的氮氧化物。

27.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：

步骤S10，对待处理核固体废物进行重新分拣和分类整理，以将同类的核固体废物重新整理在一起；

步骤S11，将分拣后的核固体废物破碎成小体积。

28.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S1中，可燃烧的核固体废物被高温等离子体热解成小分子热解气体产物，不可燃烧的核固体废物被熔融成金属熔融物或者硅酸盐类熔融物。

29.根据权利要求28所述的等离子体减容方法，其特征在于，将所述熔融物排出并对其加热以保持一定的温度，当所述熔融物累积到一定量时，在养护周期内对其以一定的温度梯度降温。

30.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S4中，经所述步骤S3处理后的烟气为温度在200℃左右的干燥烟气。

31.根据权利要求30所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S4中，当布袋阻力变大，达到设定值时，自动启动清灰过程；当布袋的入袋温度超过设定温度时，布袋的进口气动阀门自动关闭，布袋的旁通管道的气动阀门打开，烟气由旁通管道经引风机排出。

32.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：采用活性炭对经所述步骤S3处理后的烟气中残留的放射性核素、二恶英和重金属进行吸附处理。

33.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S6之前还包括：在SCR反应器装填用于脱除氮氧化物的SCR主催化剂，在SCR反应器的最下层装填用于脱除二恶英的SCR催化剂，以及在SCR反应器的出口处装填用于脱除多余氨气的SCR催化剂。

34.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S6中，经所述步骤S5处理后的烟气为经电加热或天然气燃烧加热后的烟气。

35.根据权利要求26所述的等离子体减容方法，其特征在于，所述步骤S6之后还包括：捕捉经所述步骤S6处理后的烟气中以微小颗粒物为载体的核素；然后向高空中排放经过处理后的尾气。