CN108665993B - 一种核电厂超临界水氧化反应器及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核电厂超临界水氧化反应器，用于处理核电厂放射性废树脂，所述氧化反应器包括内部具有容置空间的主体部，以及若干个与容置空间分别连通的进料通道和出料通道，还包括：过滤容器，设置在所述容置空间内，所述进料通道延伸至所述过滤容器内；搅拌装置，可转动地设置在过滤容器内，用于对废树脂进行粉碎搅浑；氧气通道，设置在过滤容器外，用于喷射氧气；经搅拌氧化后的料液穿过过滤容器的滤网、并经出料通道排出。本发明还提供一种核电厂超临界水处理方法，使用上述的超临界水氧化反应器。本发明提供的超临界水氧化反应器及其处理方法大大增加了废树脂和超临界水的接触面积和反应时间，从而有效保证放射性废树脂的充分氧化处理。

Description

一种核电厂超临界水氧化反应器及其处理方法

技术领域

本发明涉及核电厂废弃物处理及其装置技术领域，尤其涉及一种核电厂处理放射性废树脂的超临界水氧化反应器及其处理方法。

背景技术

核电厂、核设施在运行和维修期间会产生一定数量的放射性废树脂，这些废树脂含有放射性，且容易发生热解和生物降解，给公众带来辐射危害的同时会造成严重的环境污染。而与之相对的，超临界水氧化技术是一种利用超临界水的物理性质，如特殊的溶解度、较低的表面张力和较高的扩散性等，通过添加氧化剂，使有机物在超临界水环境中发生氧化反应，转化成CO₂和H₂O等无机小分子，从而达到减容、减重的目的。

但是，采用超临界水氧化技术处理放射性废树脂时，由于树脂粒径大，在进入超临界水反应器后，与超临界水形成了非均相反应介质，因此需要较长的反应时间才能使得废树脂充分氧化，同时也增大了反应器容积，不利于反应器结构设计，也增加了设备采购成本，从而限制了超临界水氧化处理放射性废树脂的技术应用和推广。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种核电厂超临界水氧化反应器及其处理方法，有效保证放射性废树脂的充分氧化处理。

本发明的技术解决方案如下：一方面，提供一种核电厂超临界水氧化反应器，用于处理核电厂放射性废树脂，所述超临界水氧化反应器包括内部具有容置空间的主体部，以及若干个与所述容置空间分别连通的进料通道和出料通道，所述超临界水氧化反应器还包括：

过滤容器，设置在所述容置空间内，每一所述进料通道延伸至所述过滤容器内，用于导入水和废树脂；

搅拌装置，可转动地设置在所述过滤容器内，用于对通过所述进料通道输入至所述过滤容器的废树脂进行粉碎搅浑，增加废树脂与超临界水的接触面积；

至少一个氧气通道，设置在所述过滤容器外，用于向过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积；

所述过滤容器在超临界水氧化状态下，将搅拌氧化后的料液穿过其滤网，并经所述出料通道排出。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述主体部包括外筒体和与所述外筒体可拆卸连接的顶盖，所述超临界水氧化反应器还包括：

电动机，相对所述外筒体设置在所述顶盖的另一侧，用于提供驱动力；

转动杆，所述转动杆的一端连接所述电动机，所述转动杆的另一端穿过所述顶盖向过滤容器内延伸并悬空设置，所述搅拌装置安装在所述转动杆上，所述转动杆在电动机的驱动下带动所述搅拌装置进行转动；

多级轴封系统，套设在所述转动杆外并密封连接所述顶盖，用于封闭所述转动杆与顶盖的结合处。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，还包括套设在所述过滤容器和外筒体之间的内筒体，所述过滤容器和内筒体的一端安装在所述顶盖上，所述过滤容器和内筒体的另一端朝向所述外筒体内延伸，所述内筒体的长度大于过滤容器；所述内筒体与外筒体之间间隔设置形成环状间隙。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述出料通道包括：

第一出料通道，设置在所述外筒体上端，所述第一出料通道通过所述环状间隙连通所述内筒体内的反应区域，料液中的气液混合物通过所述环状间隙再经所述第一出料通道排出；

第二出料通道，设置在所述外筒体底部，所述容置空间朝向第二出料通道逐渐收缩并连通所述第二出料通道，所述第二出料通道处于常闭状态，用于在打开后将料液中沉淀到外筒体底部的固液混合物排出。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述主体部上开设有至少一个氧气入口，每一所述氧气通道的一端穿过对应的氧气入口用于接入氧气，每一所述氧气通道的另一端朝向所述过滤容器外延伸并设置有氧气喷嘴，其中一个所述氧气通道的氧气喷嘴平行所述过滤容器底部设置，用于在逆流状态下向所述过滤容器内喷射氧气。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述顶盖上开设有至少一个进料口，每一所述进料通道的一端穿过所述进料口，每一所述进料通道的另一端延伸至所述过滤容器内，用于引入废树脂和水；

其中，废树脂和水的进料方式包括分别通过单独的进料通道导入的单独进料方式和通过同一所述进料通道导入的混合进料方式。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述多级轴封系统包括沿远离所述顶盖方向依次设置的一级轴封、二级轴封和三级轴封，所述一级轴封与所述顶盖之间设置有高压轴封水注入口，用于注入高压轴封水；所述二级轴封和三级轴封之间设置有低压轴封水注入口，用于注入低压轴封水；所述三级轴封与电动机之间设置有轴封水出口，用于排出轴封水。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述顶盖上还开设有监测口，所述超临界水氧化反应器还包括监测装置，所述监测装置的一端穿过所述监测口，所述监测装置的另一端延伸至所述内筒体内，用于监测所述内筒体内的温度和压力。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述过滤容器包括沿所述外筒体轴向设置的内滤网，以及分别盖设在所述内滤网上下两端的上部滤网和下部滤网，所述上部滤网安装在所述顶盖上，用于防止所述外筒体内的废树脂通过所述转动杆与顶盖的结合处进入多级轴封系统；所述下部滤网用于过滤排出已充分氧化的料液。

本发明上述的超临界水氧化反应器中，所述外筒体靠近所述顶盖的一端设置有连通所述容置空间的上部开口，所述上部开口处设置有连接法兰，所述顶盖通过螺栓连接所述连接法兰，用于封闭所述上部开口形成所述容置空间。

另一方面，本发明还提供一种核电厂超临界水处理方法，使用上述的超临界水氧化反应器，用于处理核电厂放射性废树脂，所述超临界水处理方法包括以下步骤：

S10、将水和废树脂通过进料通道导入到过滤容器内，使废树脂发生超临界水氧化反应；

S20、通过搅拌装置对输入至所述过滤容器的废树脂进行粉碎搅浑，增加废树脂和超临界水的接触面积；同时，通过至少一个的氧气通道向所述过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积；

S30、在超临界水氧化状态下，经搅拌氧化后的料液穿过所述过滤容器的滤网，并经出料通道排出。

本发明上述的超临界水处理方法中，所述步骤S30具体包括：

经搅拌氧化后，料液中的气液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，通过内筒体与外筒体之间的环状间隙并经第一出料通道排出；

经搅拌氧化后，料液中的固液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，在重力的作用下沉淀到外筒体底部，可打开第二出料通道将外筒体底部的固液混合物排出。

本发明提供的一种核电厂超临界水氧化反应器及其处理方法具有以下技术效果：所述超临界水氧化反应器采用新型结构设计，通过在反应器内部设置过滤容器、搅拌装置和氧气通道，大大增加了废树脂和超临界水的接触面积和有机物反应时间，从而有效保证放射性废树脂的充分氧化处理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的超临界水氧化反应器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超临界水处理方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更加清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的用于处理核电厂放射性废树脂的超临界水氧化反应器包括内部具有容置空间的主体部，以及若干个与所述容置空间分别连通的进料通道和出料通道，所述容置空间内的温度大于超临界温度，所述容置空间内的压力大于超临界压力，以使氧化反应器内的水达到温度≥374℃，压力≥22.05MPa的超临界状态，为废树脂提供超临界水氧化处理的反应场所。

所述氧化反应器还包括：设置在所述容置空间内的过滤容器30，进料通道20延伸至过滤容器30内，用于导入水和废树脂；可转动地设置在过滤容器30内的搅拌装置63，搅拌装置63用于对通过进料通道20进入过滤容器30内的废树脂和超临界水进行粉碎搅浑，以增加废树脂与超临界水的接触面积，加大氧化效率，缩短废树脂的氧化时间；设置在过滤容器30外的至少一个氧气通道40，用于向过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积，以达到充分发生氧化反应的目的；放射性废树脂在朝临界水环境下经搅拌氧化充分反应后，有机物大分子被转化为CO₂、H₂O和无机盐等无机小分子，可穿过过滤容器30的滤网、并经出料通道排出，未粉碎的废树脂将被截留在过滤容器内，进一步被粉碎，直至完全发生氧化反应。

其中，所述主体部包括可拆卸连接的外筒体11和顶盖12，外筒体11靠近顶盖12的一端设置有连通所述容置空间的上部开口，所述上部开口处设置有连接法兰，顶盖12通过螺栓连接所述连接法兰，以封闭所述上部开口形成密闭的容置空间。在本发明的一些实施例中，顶盖12朝向所述上部开口还凸起设置有密封件121，密封件121的直径大于所述上部开口，密封件121盖设在所述上部开口，以进一步提高所述主体部的密闭性。本发明采用螺栓和连接法兰的可拆卸连接结构，易于拆卸，有利于氧化反应器的清洁和去污操作，同时，技术人员可在顶盖打开后对主体部内部进行材料挂片腐蚀测试。

所述氧化反应器还包括套设在过滤容器30和外筒体11之间的内筒体13，过滤容器30和内筒体13的一端安装在顶盖12上，另一端朝向外筒体11内延伸并悬空设置，其中，内筒体13的长度大于过滤容器30。本实施例中，过滤容器30、内筒体13分别采用焊接的方式固定安装在顶盖12上。在本发明的另外一些实施例中，过滤容器30、内筒体13可分别采用卡扣位连接可拆卸安装在顶盖12上。优选地，内筒体13的长度是过滤容器30的1.3-1.5倍，可有效增加在内筒体13内的反应区域；内筒体13和外筒体11之间间隔设置形成环状间隙14。本发明采用上述的内外筒体的间壁式反应器结构，内筒体13承担氧化反应及腐蚀，外筒体11承担压力，可大大缓解承压部件的耐腐蚀性，有效延长反应器的使用寿命。

本实施例中，所述出料通道设置两个，包括第一出料通道51和第二出料通道52，第一出料通道51设置在外筒体11上端，优选地，第一出料通道51紧邻顶盖12设置，第一出料通道51通过环状间隙14连通内筒体13内的反应区域；第二出料通道52设置在外筒体11底部，外筒体11内的容置空间朝向第二出料通道52逐渐收缩并连通第二出料通道52，第二出料通道52处于常闭状态；这样，料液中的含有CO₂和H₂O等密度较轻的气液混合物穿过过滤容器30的滤网后，还需依次经内筒体13底部的反应区域、环状间隙14后才从第一出料通道51中排出，大大延长了氧化反应路径，从而增加反应时间，有效保证有机物的充分反应；而料液中的含有无机盐等密度较大的固液混合物在重力的作用下逐渐沉淀后外筒体11底部，可定期开启第二出料通道52进行排放，减轻了后续无机盐固化处理的难度。

进一步地，所述超临界水氧化反应器还包括相对外筒体11设置在顶盖12另一侧的电动机61、转动杆62和多级轴封系统64，转动杆62一端连接电动机61、另一端穿过顶盖12向过滤容器30内延伸并悬空设置，搅拌装置63为若干个间隔安装在转动杆62位于过滤容器30内部分的搅拌桨。其中，电动机61用于提供驱动力，转动杆62在电动机61的驱动下带动搅拌装置63进行转动，搅浑过滤容器内的料液，避免废树脂快速沉降，同时，搅拌装置63可将大粒径的废树脂粉碎至粉末状态，增加废树脂和超临界水的接触面积，缩短废树脂的氧化时间。

多级轴封系统64套设在转动杆62外并密封连接所述顶盖12，包括沿远离顶盖12的方向依次设置的一级轴封641、二级轴封642和三级轴封643，一级轴封641和顶盖12之间设置有高压轴封水注入口651，用于注入高压轴封水；二级轴封642和三级轴封643之间设置有低压轴封水注入口652，用于注入低压轴封水；三级轴封643与电动机61之间设置有轴封水出口653，用于排出轴封水。其中，所述高压轴封水注入口651、低压轴封水注入口652和轴封水出口653分别连接外部管道，以实现轴封水的进出。

多级轴封系统64设置在电动机61和顶盖12之间，可有效封闭转动杆62与顶盖12的连接处，避免废树脂在主体部内反应的过程中溢出主体部，同时多级轴封系统可承担主体部的内部压力，延长设备使用寿命。

本实施例中，过滤容器30包括沿外筒体11轴向设置的筒状内滤网，以及分别盖设在内滤网上下两端的上部滤网31和下部滤网32，内滤网、上部滤网31和下部滤网32一体成型或者采用焊接的方式连接成一体结构。所述上部滤网31可焊接在顶盖12的内壁上，能够有效避免外筒体的废树脂通过转动杆进入多级轴封系统64，下部滤网32用于过滤排出已充分氧化的料液，避免废树脂未充分反应直接沉淀到外筒体底部。

所述主体部上还开设有至少一个氧气入口，每一氧气通道40的一端穿过氧气入口连接外部供养设备，以接入氧气，每一氧气通道40的另一端朝向过滤容器30外延伸并设置有氧气喷嘴，多个氧气喷嘴朝向过滤容器内同时喷射氧气，使得进入过滤容器内的氧气流不断地对废树脂进行搅拌；优选的，其中一个氧气入口开设在外筒体11下端，连接该氧气入口的氧气通道采用弯管形式，一端穿过该氧气入口，另一端折弯后在朝向下部滤网32位置平行设置有一氧气喷嘴，该氧气喷嘴平行下部滤网32设置，用于在逆流状态下向过滤容器30内喷射氧气，如此，向上喷出的氧气产生的托力可大大减缓废树脂的沉降速度，有效延长反应时间。

在本发明的一些实施例中，当氧气喷嘴喷射的氧气流能够起到对废树脂的搅浑和粉碎作用时，就可以替代所述搅拌装置，进而简化氧化反应器的结构设计，降低设备成本。

所述顶盖12上开设有至少一个进料口，每一所述进料通道20的一端穿过所述进料口，每一进料通道20的另一端延伸至过滤容器30内，用于引入废树脂和水。本实施例中，每一进料通道20在过滤容器30内的长度不超过过滤容器长度的10％，废树脂和水的进料方式包括分别通过单独的进料通道导入的单独进料方式和通过同一进料通道导入的混合进料方式；当采用废树脂和水单独进料时，可根据搅拌装置的粉碎效率设置废树脂进料流量，有效提高废树脂的粉碎效率，当采用混合进料时，可只设置一个进料通道，简化反应器的结构。

需要说明的是，本发明采用逆流式进料，废树脂和水经上部的进料通道进入，氧气经下部的氧气喷嘴喷入，向上喷出的氧气产品的托力可减缓废液的沉降速度，有效延长废树脂的反应时间。

在本发明的一些实施例中，顶盖12上还开设有监测口，所述超临界水氧化反应器还包括监测装置70，监测装置70的一端穿过所述监测口，监测装置70的另一端延伸至内筒体13与过滤容器30之间的间隙内，用于实时监测内筒体13内的温度和压力，以丰富所述超临界水氧化反应器的设备功能，提高设备安全性。

实施例二

如图2所示，本发明实施例还提供一种核电厂放射性废树脂的超临界水处理方法，使用上述实施例提供的超临界水氧化反应器，包括以下步骤：

S10、将水和废树脂通过进料通道导入到过滤容器内，使废树脂发生超临界水氧化反应；

S20、通过搅拌装置对输入至所述过滤容器的废树脂进行粉碎搅浑，增加废树脂和超临界水的接触面积；同时，通过至少一个氧气通道向所述过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积；

S30、在超临界水氧化状态下，经搅拌氧化后的料液穿过所述过滤容器的滤网，并经出料通道排出。

需要注意的是，本实施例提供的放射性废树脂的超临界水处理方法是基于实施例一提供的超临界水氧化反应器实现的，故本领域技术人员应该可知，其相互之间相同或近似的技术特征均可以借鉴通用，所述超临界水氧化反应器所具有的技术效果，所述放射性废树脂的超临界水处理方法同样具有，在此不再赘述。

进一步地，所述步骤S30具体包括：

经搅拌氧化后，料液中的气液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，通过内筒体与外筒体之间的环状间隙并经第一出料通道排出；

经搅拌氧化后，料液中的固液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，在重力的作用下沉淀到外筒体底部，此时，可打开第二出料通道将外筒体底部的固液混合物排出。

综上所述，本发明上述实施例提供的核电厂放射性废树脂的超临界水氧化反应器采用新型结构设计，通过在反应器内部设置过滤容器、搅拌装置和氧气通道，增加了废树脂和超临界水的接触面积和氧化反应时间，以使废树脂充分发生氧化，提高氧化率；且所述超临界水氧化反应器集废树脂进料粉碎预处理，超临界水氧化反应处理和料液的过滤、沉淀、排放于一体，大大优化了废树脂的处理工艺系统，有效减少了超临界水氧化反应器的容积和系统的安全控制点，同时避免了废树脂在粉碎过程中和粉碎后转运过程中人员的辐照问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种核电厂超临界水氧化反应器，用于处理核电厂放射性废树脂，所述超临界水氧化反应器包括内部具有容置空间的主体部，以及若干个与所述容置空间分别连通的进料通道和出料通道，其特征在于，所述超临界水氧化反应器还包括：

过滤容器，设置在所述容置空间内，每一所述进料通道延伸至所述过滤容器内，用于导入水和废树脂；

搅拌装置，可转动地设置在所述过滤容器内，用于对通过所述进料通道输入至所述过滤容器的废树脂进行粉碎搅浑，增加废树脂与超临界水的接触面积；

至少一个氧气通道，设置在所述过滤容器外，用于向过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积；所述主体部上开设有至少一个氧气入口，每一所述氧气通道的一端穿过对应的氧气入口用于接入氧气，每一所述氧气通道的另一端朝向所述过滤容器外延伸并设置有氧气喷嘴，其中一个所述氧气通道的氧气喷嘴平行所述过滤容器底部设置，用于在逆流状态下向所述过滤容器内喷射氧气;

所述过滤容器在超临界水氧化状态下，将搅拌氧化后的料液穿过其滤网，并经所述出料通道排出。

2.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述主体部包括外筒体和与所述外筒体可拆卸连接的顶盖，所述超临界水氧化反应器还包括：

电动机，相对所述外筒体设置在所述顶盖的另一侧，用于提供驱动力；

转动杆，所述转动杆的一端连接所述电动机，所述转动杆的另一端穿过所述顶盖向过滤容器内延伸并悬空设置，所述搅拌装置安装在所述转动杆上，所述转动杆在电动机的驱动下带动所述搅拌装置进行转动；

多级轴封系统，套设在所述转动杆外并密封连接所述顶盖，用于封闭所述转动杆与顶盖的结合处。

3.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，还包括套设在所述过滤容器和外筒体之间的内筒体，所述过滤容器和内筒体的一端安装在所述顶盖上，所述过滤容器和内筒体的另一端朝向所述外筒体内延伸并悬空设置，所述内筒体的长度大于过滤容器；所述内筒体与外筒体之间间隔设置形成环状间隙。

4.根据权利要求3所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述出料通道包括：

第一出料通道，设置在所述外筒体上端，所述第一出料通道通过所述环状间隙连通所述内筒体内的反应区域，料液中的气液混合物通过所述环状间隙再经所述第一出料通道排出；

第二出料通道，设置在所述外筒体底部，所述容置空间朝向第二出料通道逐渐收缩并连通所述第二出料通道，所述第二出料通道处于常闭状态，用于在打开后将料液中沉淀到外筒体底部的固液混合物排出。

5.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述顶盖上开设有至少一个进料口，每一所述进料通道的一端穿过所述进料口，每一所述进料通道的另一端延伸至所述过滤容器内，用于引入废树脂和水；

其中，废树脂和水的进料方式包括分别通过单独的进料通道导入的单独进料方式和通过同一所述进料通道导入的混合进料方式。

6.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述多级轴封系统包括沿远离所述顶盖方向依次设置的一级轴封、二级轴封和三级轴封，所述一级轴封与所述顶盖之间设置有高压轴封水注入口，用于注入高压轴封水；所述二级轴封和三级轴封之间设置有低压轴封水注入口，用于注入低压轴封水；所述三级轴封与电动机之间设置有轴封水出口，用于排出轴封水。

7.根据权利要求3所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述顶盖上还开设有监测口，所述超临界水氧化反应器还包括监测装置，所述监测装置的一端穿过所述监测口，所述监测装置的另一端延伸至所述内筒体内，用于监测所述内筒体内的温度和压力。

8.根据权利要求4所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述过滤容器包括沿所述外筒体轴向设置的内滤网，以及分别盖设在所述内滤网上下两端的上部滤网和下部滤网，所述上部滤网安装在所述顶盖上，用于防止所述外筒体内的废树脂通过所述转动杆与顶盖的结合处进入多级轴封系统；所述下部滤网用于过滤排出已充分氧化的料液。

9.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述外筒体靠近顶盖的一端设置有连通所述容置空间的上部开口，所述上部开口处设置有连接法兰，所述顶盖通过螺栓连接所述连接法兰，用于封闭所述上部开口形成所述容置空间。

10.一种核电厂超临界水处理方法，用于处理核电厂放射性废树脂，其特征在于，使用如权利要求1-8任一项所述的超临界水氧化反应器，所述超临界水处理方法包括以下步骤：

S10、将水和废树脂通过进料通道导入到过滤容器内，使废树脂发生超临界水氧化反应；

S20、通过搅拌装置对输入至所述过滤容器的废树脂进行粉碎搅浑，增加废树脂和超临界水的接触面积；同时，通过至少一个氧气通道向所述过滤容器内喷射氧气，增加废树脂与氧气的接触面积；

S30、在超临界水氧化状态下，经搅拌氧化后的料液穿过所述过滤容器的滤网，并经出料通道排出。

11.根据权利要求10所述的超临界水处理方法，其特征在于，所述步骤S30具体包括：

经搅拌氧化后，料液中的气液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，通过内筒体与外筒体之间的环状间隙并经第一出料通道排出；

经搅拌氧化后，料液中的固液混合物穿过所述过滤容器的滤网后，在重力的作用下沉淀到外筒体底部，可打开第二出料通道将外筒体底部的固液混合物排出。

Images