CN110431639A

CN110431639A - 放射性废物的热减容

Info

Publication number: CN110431639A
Application number: CN201780083060.6A
Authority: CN
Inventors: 思考特·D·浦耳; 刘璐; 蒂莫西·米尔纳
Original assignee: Atkins Energy Global Solutions Ltd
Current assignee: Atkins Energy Global Solutions Ltd
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-11-08
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: CN110431639B; EP3542373A1; US20180137946A1; JP7182542B2; CA3044232A1; EP3542373B1; EP3542373A4; WO2018094066A1; US10573423B2; KR20190073596A; JP2020501129A; KR102531505B1

Abstract

一种用于对被放射性核素污染的废物材料进行热减容的方法包括：将所述废物材料进料到流化床反应器中；将流化气体注入流化床反应器中以使所述流化床反应器中的床介质流化；以及在所述流化床反应器中分解所述废物材料。一种用于废物材料的热减容的系统包括原料制备和处理系统、流化床反应器系统、固体分离系统和废气处理系统中的一个或多个。所述方法和所述系统可用于有效地减少核设施诸如核电厂的运行所产生的放射性废物的体积，包括诸如废离子交换树脂、废颗粒活性炭和干活性废物的废物。所述废物材料中的大部分有机物含量转化为二氧化碳和蒸汽，而包括放射性核素的固体转化为适合处置或长期储存且无水稳定的最终产物。

Description

放射性废物的热减容

背景技术

放射性废物的长期储存和/或处置是昂贵的。一种减少成本并更好地利用可用的储存和处置空间的方法是减少放射性废物的体积。大多数放射性废物包括大量非放射性材料，尤其是有机物。这种材料可以被去除和/或转变成为一种更密实的形式以减少废物的体积。

热处理是减小废物体积的最佳方法之一。该处理可以将废物体积减小到使用其它方法无法达到的水平。一种常见的热处理方法是焚烧。几十年来，焚烧一直用于城市垃圾产业的减容。

不幸的是，焚烧有许多缺点。一个缺点是该反应是在高温下在富氧环境中进行，其会促进形成二恶英和呋喃化合物，而这些化合物受到严格的和越来越多的监管限制。另一缺点是高温条件会使具有相对低沸点的放射性核素(诸如铯和锝)挥发。必须在下游工艺中去除这些材料，这增加了工艺的复杂性和成本。所述缺点限制了焚烧在核工业中的应用。

蒸汽重整(steam reforming)是一种用于在放射性废物中热减容有机物的方法，其在近年来已经受到了一些关注。在蒸汽重整工艺中，放射性废物被送入一个或两个维持在适度温度和近环境压力下的流化床重整器中，以实现放射性废物的受控氧化和还原反应。该工艺允许完全蒸发来自废物中的水，破坏有机物，并将硝酸盐转化为氮气而不挥发放射性核素。

虽然常规蒸汽重整工艺已经取得了一定水平的成功和商业认可，但是其仍然存在许多缺点。一个缺点是需要向反应器中添加固体可燃材料以为热解和蒸汽重整反应提供能量。添加这种材料增加了工艺成本，并且可能由于在材料中引入了固体杂质而减少减容程度。另一缺点是它们通常无法共处理不同的废物流，诸如干燥活性废物(DAW)、废离子交换树脂(IER)等。

期望有一种可以有效地处理不同废物流的集成热处理工艺，以简化和促进废物处理。尤其期望一种针对在数量和物理特性上都大不相同的不同废物流(诸如DAW和废IER)的集成热处理工艺。

发明内容

公开了一种用于核电厂运行中产生的放射性废物的转化和减容的系统和集成处理方法，所述放射性废物包括废离子交换树脂(IER)、废颗粒活性炭(GAC)、干燥活性废物(DAW)和通常与厂液体废物处理系统不相容的化学液体。该工艺使用可配置成单独或彼此组合以用于处理废IER、废GAC或DAW的单个流化床反应器，从而为核设施提供“一站式”解决方案。

该系统包括原料制备和处理系统、流化床反应器系统、固体分离系统和废气处理系统。通过反应器系统中的复杂反应网络(包括热解、蒸汽重整、氧化等)实现减容。可以将添加剂添加到反应器系统中以促进反应并稳定废物。该工艺可以有效地减少放射性废物的体积并将其转化为适于处置或长期储存的无水稳定的最终产物。废物中的大部分有机物含量转化为二氧化碳和蒸汽，使气体排放对环境无害。

在一些实施例中，该工艺可包括在流化床反应器中处理脱水废物材料，诸如脱水废IER和/或脱水废GAC。脱水废物材料也可以与其它干燥的放射性废物(诸如DAW)共处理，以产生同质的最终废物产物。使废物材料脱水是有利的，因为它允许以比浆料可能的更低的进料速率将其进料到流化床反应器中。这使得由核设施产生的相对少量的脱水废物材料能够与该设施产生的相对大量的DAW连续地共处理。

发明内容是以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。发明内容和背景技术并非指出所公开的主题的关键概念或必要方面，也不应用于限定或限制权利要求的范围。例如，不应基于所述主题是否包括发明内容中提到的任何或所有方面和/或解决背景技术中提到的任何问题来限制权利要求的范围。

附图说明

结合附图公开了优选实施例和其它实施例，在附图中：

图1是用于对被放射性核素污染的废物进行蒸汽重整的工艺的一个实施例的工艺流程图。

图2是DAW进料系统的一个实施例的工艺流程图，其中DAW通过流化床反应器的侧面进料。

图3是DAW进料系统的另一实施例的工艺流程图，其中DAW通过流化床反应器的底部进料。

图4是废IER进料系统的一个实施例的工艺流程图，其中废IER以浆料进料到流化床反应器。

图5是废IER进料系统的另一实施例的工艺流程图，其中废IER以脱水固体进料到流化床反应器。

图6是用于对被放射性核素污染的废物进行蒸汽重整的工艺的另一实施例的工艺流程图，其中流化床反应器处于再循环配置。

图7示出了流化床反应器的实施例，其中氧气与流化气体通过反应器底部向上进料。流化床反应器以单通配置(A)、部分再循环配置(B)和完全再循环配置(C)示出。

图8示出了流化床反应器的另一实施例，其中氧气在恰好废物进料进入位置上方一点点的位置通过反应器侧面进料。流化床反应器以单通配置(A)、部分再循环配置(B)和完全再循环配置(C)示出。

图9示出了流化床反应器的另一实施例，其中氧气通过反应器底部向上并在恰好废物进料进入位置上方一点点的位置通过反应器侧面进料。流化床反应器以完全再循环配置示出。

图10示出了流化床反应器的另一实施例，其中通过风箱部分向流化床反应器提供热。

图11示出了高温过滤器的三个不同实施例。每个实施例使用不同的方法来防止颗粒桥接在过滤器底部。

图12示出了用于对被放射性核素污染的废物进行蒸汽重整的工艺的另一实施例，其中将来自热氧化器的废气用作流化床反应器的流化气体。

图13示出了进料适配器装置的一个实施例，为进料适配器装置沿其纵向轴线的剖视图。

图14示出了图13中的进料适配器装置的进料端视图。

图15示出了图13中的进料适配器装置沿着垂直于该装置纵向轴线的轴线的剖视图。

图16示出了热套环的一个实施例的透视图，该热套环被配置成定位在进料适配器装置的排出端处，以促进从热处理到冷却流体的热传递。

图17至图18分别示出了图13中的进料适配器装置的热芯的透视图和剖视图。

具体实施方式

公开了一种可用于对被放射性核素污染的废物材料进行热分解的系统和工艺。具体地，该系统和工艺可用于分解废物材料中的有机物，从而减少最终废物产物的体积和质量。这减少了长期储存和/或处置放射性废物的成本。

图1是可用于对放射性废物进行热减容的工艺的一个实施例的工艺流程图。总体上，该工艺是蒸汽重整工艺，其依赖于使用蒸汽的热解并且可选地补充氧气以维持反应器中的期望温度。该工艺由系统20执行，系统20包括原料制备和处理系统22、流化床反应器系统24、固体分离系统26和废气处理系统28。

原料制备和处理系统22包括干燥活性废物(DAW)进料系统30和废离子交换树脂(IER)进料系统32。流化床反应器系统24包括流化床反应器34。固体分离系统26包括旋风分离器36和高温过滤器38。废气处理系统28包括热氧化器40、洗涤器42、干燥器系统44和过滤系统46、48。

应当理解，可以对系统20及其子系统22、24、26、28进行许多改变。例如，原料制备和处理系统22可以包括用于DAW、废IER、废颗粒活性炭(GAC)或任何其它类型的放射性废物的单个进料系统。原料制备和处理系统22还可包括多于两个的如图1中所示的进料系统。同样，流化床反应器系统24也可包括串联、并联或串并联设置的多个流化床反应器。固体分离系统26也可以包括比图1中所示的两个更少或更多的分离单元。它还可以包括不同类型的分离单元。

该工艺可用于处理任何合适的放射性废物材料。在一些实施例中，它可用于处理低和中等水平的放射性废物。在其它实施例中，它可用于处理由商业核电厂产生的放射性废物。在其它实施例中，该工艺可用于处理由商业核电厂产生的低和中等水平的放射性废物。

该工艺可用于处理各种不同的放射性废物。合适的废物的示例包括废IER、废GAC和DAW，尤其是由商业核电厂产生的废IER、废GAC和DAW。合适的废物的其它示例包括各种液体(诸如与典型的液体废物处理系统不相容的化学液体)、污泥、固体有机废物等。

废IER是用于从核电厂或其它设施的污染水中去除放射性核素的离子交换树脂。废IER载有放射性核素，且必须作为放射性废物处置。废GAC是用于从核电厂或其它设施的污染水中去除放射性核素的颗粒活性炭。它也载有放射性核素，且必须作为放射性废物处置。

DAW是在受污染区域和核电厂或其它设施的受污染系统中进行工作所产生的废物。它是在设施运行和维护期间产生的受污染废物。DAW包括诸如个人防护服、纸巾、抹布、手套、橡胶靴、塑料袋、床单、通风空气过滤器等物品。

废物材料还可以基于其含水量来对其进行特征化(characterized)。废IER和废GAC通常被认为是湿固体废物。湿固体废物是含有足够的游离水超过10 CFR 61下的处置限制而无需处理的任何固体废物。非湿固体废物的固体废物是不符合这些标准的废物。湿废物是指含有足够水分而将其泵送入收集罐进行进一步处理的废物。大多数湿固体废物是由处理液体废物产生的。

如上所述，该工艺可用于显著减少废物材料的体积。减容程度在很大程度上取决于废物材料的特性。例如，给定体积的DAW可以比相同体积的IER减小更多，因为DAW含有更多量的有机材料。

该工艺可用于将DAW的体积减少至少约5:1或至少约10:1。该工艺也可用于将DAW的体积减少约5:1至约40:1或约10:1至约50:1。该工艺也可用于将DAW的体积减少不超过约40:1或不超过约50:1。

该工艺可用于将废IER的体积减少至少约3:1或至少约5:1。该工艺还可用于将废IER的体积减少约3:1至约15:1或约5:1至约10:1。该工艺还可用于将废IER的体积减少不超过约15:1或不超过约10:1。

再次参见图1，进料系统30、32分别向流化床反应器系统24供应DAW和废IER。DAW进料系统30的工作原理如下。DAW最初通过分选阶段50进料，在该分选阶段去除不适合处理的物品。这些不适合处理的物品通常具有相对高的密度，因此在流化期间，颗粒在流化床反应器34中逐渐向下移动并在底部积聚。

DAW的分选可以以多种方式中的任何一种进行。例如，可以使用手套式操作箱(glove box)手动分选DAW。DAW通过手套式操作箱进料，通过工人去除不适合处理的物品。优选的是，分选阶段进行粗选，着重去除可以容易分离的大物体。小物品和包含需要大工作量进行分离的包含可处理和不可处理材料的组合的物品可以向下游传送以由切碎机进一步处理。

在分选之后，然后将DAW通过切碎机52，切碎机52减小废物的尺寸并将其均匀化为更窄的粒度分布。切碎机52能够处理诸如金属部件的刚硬物品以及由于上述原因而被认为是不可处理的一些物品。换句话说，切碎机52可用于处理几乎任何种类的废物材料。

应当理解，可以使用任何合适的粒度减小设备来代替切碎机52。唯一的要求是该设备应该能够减小粒度和/或增加废物材料的均匀性。这种设备的示例包括压碎机、粉碎机、研磨机、磨粉机等。而且，作为一般实践，经常期望在具有灰尘控制的封闭室中操作切碎机52或其它粒度减小设备。

切碎机52可以被配置成将DAW减小到任何合适的粒度。在优选实施例中，切碎机52被配置成抵靠具有约0.5英寸(12.7mm)到约1英寸(25.4mm)范围的开口的筛子将DAW粉碎。该范围的选择基于以下因素：(1)将废物材料减少到低于0.5英寸的粒度可能导致产生大量粉尘；(2)粒度低于0.5英寸会增加过早淘洗(premature elutriation)，使得颗粒在流化床反应器34中没有足够的停留时间；(3)粒度大于1英寸不能在流化床很好地流化，并且可能导致停留时间延长并对吞吐量和转化产生负面影响。

使用进料器54(可选择地，进料装置或进料机构)将尺寸减小的DAW颗粒进料到流化床反应器34中。应当理解，进料器54可以是能够将DAW颗粒转移到流化床反应器34中的任何合适的装置或机构。合适的进料器的示例包括螺杆或螺旋进料机构、液压进料机构等。

DAW进料可以在任何合适的位置进入流化床反应器34。例如，DAW进料可以通过流化床反应器34的侧壁或通过底部进入。图2示出了被配置成通过流化床反应器34的侧壁(优选地在流化气体分配器64上方几英寸)进入的DAW进料的示例。图3示出的例子中，DAW进料被配置成通过流化床反应器34的底部进入并恰好在流化气体分配器64上方一点点的位置具有开口。通常，DAW进料期望的是进入流化床反应器34的流化部分。

参考图2至图3，可以使用竖直闭锁料斗56将DAW进料到流化床反应器34中，所述竖直闭锁料斗56包括位于腔室或管道60顶部的顶阀或第一阀58，和位于腔室60底部的底阀或第二阀62。阀58、62可以是任何合适类型的阀，诸如球阀、刀阀、闸阀等。

阀58、62可以按以下顺序操作：(1)顶阀58打开，DAW颗粒进入腔室60；(2)顶阀58关闭；(3)用气体(例如氮气)加压腔室60直到腔室60中的压力与进料器54和流化床反应器34中的压力相同；(4)底阀62打开并且DAW颗粒下降和/或推送到水平进料器54直到整批料位于底阀62下方；(5)底阀62关闭，腔室60减压至上游单元操作的压力水平；(6)使用气密的高扭矩螺杆进料器(例如，没有挤压模的挤压机)将DAW颗粒进料至流化床反应器34。

如上所述，进料器54可以是任何合适类型的进料器。然而，高扭矩螺杆进料器(诸如，没有模具的挤压机)可能是有利的，因为即使当颗粒由于反应器34的高热已经熔化、团聚(agglomerated)或以其它方式经历物理变化时，它仍可以将DAW颗粒进料到流化床反应器34中。挤压机螺杆可以延伸通过流化床反应器34的壁，并且其端部可以与壁的内表面齐平。挤压机还可以配备冷却夹套，诸如与下面描述的进料适配器装置相关联的冷却夹套。

废IER进料系统32用于接收、保持并将废IER进料到流化床反应器34中。应当理解，IER进料系统32可以具有任何合适的配置并且使用多个合适装置的任何一种，只要它能够将废IER送入流化床反应器34中。应该理解，虽然下面的讨论集中于废IER的进料，但它同样适用于废GAC。废GAC可以与废IER同时进料，但通过具有与系统32、73有关的任一特征或特征组合的单独进料系统或一些其他系统与废IER分开进料。

图1中所示的废IER进料系统32是基于浆料的系统，其被配置成将废IER作为浆料进料到流化床反应器34中。图4更详细地示出了废IER供给系统32的相同实施例。废IER最初分批或连续地输送到储罐66。使用泵68(例如，蠕动泵、螺杆泵等)将废IER以恒定流量连续进料到流化床反应器34中。

水用于将废IER珠/粉末悬浮和/或输送到流化床反应器34中。通常，流出的IER浆料的水含量为75-90wt％。废IER以设计的处理速率进行流动。最大流率受流化床反应器34的尺寸限制。最小流率受废IER的特性限制。流动必须足够快，以使废IER悬浮在溶液中，这样它就不会沉淀下来。此外，输送管线或管道必须具有一定的尺寸，以防止废IER堵塞管线。例如，对于废IER珠，使用0.5英寸内径(ID)浆料输送管道的最小速率为0.25gpm(2ft3/hr)。

可选地将一种或多种添加剂70添加到废IER进料流中以防止流化床的团聚和/或稳定最终废物产物。可以以任何合适的方式将添加剂70添加到IER进料流中。例如，添加剂70可以以浆料的形式进料到IER进料流中，或者作为粉末/颗粒螺杆进料到IER进料浆料中。

当操作流化床反应器时，流化床团聚是个常见问题。碱金属组分(诸如Li、Na、K、硼酸盐等)可在反应温度下形成低熔点共晶体(例如碱金属硅酸盐)。低熔点共晶体在一定温度下变粘，并与流化床颗粒彼此结合。流化床颗粒的团聚可能导致流化床反应器34的脱流化和计划外关闭。在高放射性环境中，团聚可能甚至更成问题，因为修复团聚床的成本要高得多。

废IER和DAW通常含有显著量的Na和K化合物，这可能造成床团聚的高风险。可以将抗团聚添加剂或试剂(AA)添加到废物进料中以防止床材料团聚。AA材料或AA材料中的活性成分应与有问题的组分(诸如碱金属)反应形成高熔点共晶体，该反应应比低熔点共晶形成反应更具竞争力。

合适的AA材料的示例包括能够与有问题的组分结合以形成高熔点共晶体的铝和铁化合物。铝和/或铁化合物与进料的碱金属的摩尔比的范围可以为约0.2至约1.5。例如，铝和/或铁化合物的剂量可以遵循以下配方：每摩尔B对应1.5摩尔铝和/或铁化合物、每摩尔Na对应1摩尔铝和/或铁化合物、每摩尔K对应1摩尔铝和/或铁化合物、每摩尔Li对应1摩尔铝和/或铁化合物。例如，可以将包含40wt％的MICRAL 632(三水合铝)或氧化铁(Fe2O3)和60wt％的水的浆料添加到IER进料浆料中。

使用的AA材料的量可以通过分析废物材料得到的有问题的组分(诸如碱金属和硼)来确定。当废物材料中已经存在一定量的AA材料时，所需的AA材料可以减少相应的量。来自沸水反应器的废IER通常具有大量的Fe2O3，可以轻易地用作AA。除了防止流化床的团聚之外，铝和/或铁化合物还可以形成用于稳定最终废物产物的尖晶石(spinels)。最终废物产物的优选形式是具有高浸出阻力的无水稳定产物。

废IER也可以使用图5中所示的IER进料系统73进料到流化床反应器34中。虽然进料系统32、73具有一些相似性，但主要区别在于废IER进料系统73不将废IER以浆液形式进料到流化床反应器34中。相反，将废IER脱水并机械地进料到流化床反应器34中。

术语“脱水”通常是指从废IER中去除游离水。因此，脱水的废IER是已经去除了全部或基本上全部的游离水的废IER。与废IER浆料的含水量为约75wt％至约90wt％相比，脱水的废IER的水含量通常为约45wt％至约55wt％。在一些实施例中，脱水的废IER具有不大于70wt％或不大于60wt％的水含量。

脱水的废IER可以以多种方式进料到流化床反应器34中。例如，废IER可以被批量输送到其中IER被脱水的储罐66中。将脱水的废IER与任何添加剂70混合，然后通过进料器72进料到流化床反应器34中。可以将添加剂70作为粉末或颗粒加入脱水的废IER中。进料器72可以是任何合适类型的进料机构，包括与所公开的进料器54相关的任何进料机构。例如，进料器72可以是高扭矩螺杆进料器，诸如其端部没有模具的挤压机。

在另一示例中，废IER可以被批量或连续地输送到第一罐，然后流动到在其中进行脱水的第二罐中。然后将脱水的废IER进料到储罐66。将脱水的废IER进料到流化床反应器34的过程与上述相同。

将脱水的废IER进料到流化床反应器34中提供了许多优点。一个优点是它更节能，因为没有必要使废IER浆液中的游离水气化。另一优点是废IER不再像浆料那样受到最小进料速率限制。这使得可以将少量的废IER与其它废物材料(诸如DAW)一起连续进料到流化床反应器34中。消除废IER的最小进料速率要求提供了优化不同废物材料的进料速率的灵活性，以使得能量消耗最小化并在最终废物产物中提供期望的放射性。

关于能量消耗，当处理废IER(无论是脱水的还是浆料中的)时，通常需要向反应器34中添加可燃材料(诸如炭、煤等)以提供能量进行蒸汽重整。添加可燃材料具有许多缺点。一个缺点是它增加了工艺的成本。另一缺点是它引入了这些材料中固有的杂质，这些杂质最终会留在最终废物产物中，并对总减容产生负面影响。

通过将废IER与具有大量有机物质(诸如DAW)的另一种废物材料共处理，可以减少或消除对可燃材料的需求。DAW具有与常用的可燃材料(诸如木炭)相当的热值，并且DAW本身无论如何都需要经历该过程。与分开处理它们相比，共处理废IER和DAW可使得最终废物产物的量最小化。此外，通过处理DAW产生的最终废物产物或重整残余物通常比通过处理废IER产生的那些产物具有更少的放射性。共处理废IER和DAW提供了使最终废物包的放射性水平均一化的益处。

商业核电厂中废IER与DAW的典型体积比为1:6至1:15。如果废物在废物处理设施中现场处理或在处理全系列核电厂废物的废物处理设施进行场外处理，并且废IER以浆料形式进料到流化床反应器34，那么为了满足最低流速要求，处理废IER必须以运动式(on acampaign basis)方式处理，而大部分操作时间仅用于处理DAW。

然而，如果废IER没有以浆料形式进料到流化床反应器34中，那么它可以与DAW一起以减少的速率共同进料到流化床反应器34中，DAW提供了维持反应温度所需的能量。实际上，DAW用作流化床反应器34中可燃材料的替代物。应当理解，仍然可以运动式方式处理废IER。

共处理废IER和DAW提供了许多优点，包括：(1)在一个工艺中消除大部分核设施的废物；(2)避免使用或减少诸如炭等可燃材料的数量，使其从能量角度可自足，减少成本，防止因含有不期望的杂质而对减容产生负面影响；(3)通过调节废IER和DAW的进料比来控制最终废物产物的放射性。

参考图1，流化床反应器34是用于实现有机物的气化和减容的主要单元。通常，流化床反应器34用于分解和蒸汽重整废物材料，使有机部分主要气化成合成气。床介质主要被过热蒸汽流化。还可以将少量氧气进料到流化床反应器34中以促进氧化反应，该氧化反应提供废物材料的热解和蒸汽重整所需的热量。任何不可处理的DAW颗粒可以周期性地从流化床反应器34的底部旋出。

流化气体向上流过位于流化床反应器34底部的分配器64。该气体流速大于最小流化速度，该最小流化速度是床颗粒上的阻力等于颗粒的重量并使床具有类似流体的行为的情况下的流动速度。类似流体的环境提供强烈的混合和固体/气体接触。这显著改善了材料之间的热传递和质量传递，使得反应均匀地发生且具有优异的温度分布。

流化床反应器34包含被流化气体流化的床介质。床介质优选是惰性的(不进行化学反应)、耐磨和抗压。床介质可具有任何合适的形状，但优选为球形颗粒。床介质也可具有任何合适的尺寸。在一些实施例中，床介质的直径为约200微米至约2000微米，或优选地直径为约400微米至约1000微米。

床介质可以由任何合适的材料制成。例如，床介质可以由烧结粘土、铝土矿支撑剂等制成。通常不推荐使用二氧化硅作为床介质，因为二氧化硅倾向于通过与重整残余物相互作用而团聚。

流化床反应器34可包括位于底部的螺旋钻(auger)。螺旋钻能够被定期操作以去除沉淀在流化床反应器34底部的重颗粒。在最终废物产物或重整残余物中，去除的颗粒与从系统20中去除的其他固体结合。

流化床反应器34可以在任何合适的温度下操作。通常，流化床提供良好的温度控制。流化床区域是废物材料反应且温度最高的地方。反应温度(或流化床区域中的温度)可以控制在约650℃至约850℃，或者优选地约700℃至约750℃。更高的温度加速反应，但基于以下因素通常设定反应温度的上限：(1)在更高温度下Cs和Tc的挥发增加；(2)在一定的CO2分压下DAW中Ca化合物的煅烧(calcination)和碳酸化；(3)由于流化床反应器34和下游分离设备之间大的温度变化，下游设备中的团聚和沉积可能是成问题的。

在某些情况下，相对于放射性核素浓度较高的其它形式放射性废物(诸如废IER)而言，可能期望在更高的温度下处理极低水平放射性废物(VLLW；小于100kBq/kg)，诸如VLLW DAW。较高的温度有助于防止有机材料在到达热氧化器之前作为粘性残余物冷凝和/或沉积在工艺设备上。在这些情况下，流化床反应器34可以在约600℃至约1100℃、约850℃至约1100℃、约900℃至约1100℃或约950℃至约1100℃的温度下操作。

应该注意，通常不期望在这些温度下处理废IER和其它更高水平的废物，因为它会使放射性核素挥发。然而，当处理VLLW(诸如VLLW DAW)时，较高的温度是有利的，因为它具有相对低的放射性核素含量，并且较高温度的益处超过了使放射性核素挥发的缺点。VLLW废物中的少量放射性核素在下游气体过滤过程中捕获，从而它们不会释放到环境中。

为了在这些更高的温度下运行，工艺和/或系统部件(尤其是流化床反应器34和热氧化器40之间的那些部件)可以使用高温合金(诸如Haynes 556、Inconel 617、Haynes 230等)制造和/或包括耐火隔热罩。而且，耐火隔热罩的使用可以使得可以用较少特殊的材料和/或成本较低的材料制造工艺设备，并且包括由例如镍铬合金制成的伴热附件。

流化床反应器34可以在任何合适的压力下操作。例如，反应器34可以在自由空域(freeboard)的大气压下操作、或者优选地在自由空域的略微负压下操作。在略微负压下操作减少了气体和/或放射性颗粒从系统20泄漏的风险。这有助于保持对放射性的控制。在一些实施例中，流化床反应器34可在约-50英寸水(约-12.5kPa)至约-25英寸水(约-6kPa)或约-35英寸水(约-8.7kPa)的压力(自由空域)下操作。

流化气体通过气体分配器64进入流化床反应器34。流化气体可以是过热至约450℃至约600℃的蒸汽。在一些实施例中，蒸汽是主要的流化气体和反应性气体。废物颗粒主要根据方程式1进行分解，根据方程式2进行蒸汽重整，并根据方程式3-6进行氧化。废物材料的有机部分和水(在废IER中)被气化，与原始废物相比，这大大减少了最终固体废物产物或重整残余物的体积。

在流化床反应器34中产生的合成气体由下列反应产生，包括CO、H2、H2O、蒸汽、CO2和烃类。

C_xH_yO_z→C+CH₄+CO+H₂+C_mH_nO_l (方程式1)

流化的气体蒸汽与来自有机物分解或来自添加的可燃物质(用于在某些情况下处理废IER)的碳反应，产生氢气和一氧化碳气体。

C+H₂O→H₂+CO (方程式2)

碳、一氧化碳和氢气可以如下氧化。

C+O₂→CO₂ (方程式3)

2CO+O₂→2CO₂ (方程式4)

H₂+O₂→2H₂O (方程式5)

一氧化碳和蒸汽可通过水煤气变换反应(water gas shift reaction)，而转化为碳氧化物和氢气。

CO+H2O→CO2+H2 (方程式6)

即使通过氧化含碳材料来提供维持反应温度的能量，流化床反应器34也应保持在还原条件下。这可以通过控制流化床反应器34中的氧逸度来完成。

流化床反应器34的氧逸度可以通过控制进料到流化床反应器34的氧气的量来调节。可以加入氧气以将流化床反应器34中的氧化还原条件从“强还原”(无氧)改变为“正常还原”、如果需要的话，甚至可以改变为“相对氧化”。通常，期望将反应条件保持在还原侧以防止产生不想要的二恶英/呋喃，保持期望的蒸汽重整反应温度，防止一些放射性核素的挥发，和/或使NOx的形成最少化。

通常，期望提供维持流化床反应器34内的反应温度(包括提供系统24中的吸热反应所需的热，例如由方程式1和2所示的那些)所需的最少量的氧气。在一些实施例中，进料到反应器的氧气不超过输入流化床反应器34的气体总体积的20vol％。在其它实施例中，当量比不大于0.5并且没有残余的氧气离开流化床反应器34。当量比是供应的氧与完全化学计量燃烧所需的氧之比。

在图1中，流化床反应器34为单通配置(one-pass configuration)。废物材料进入流化床反应器34，有机材料气化，并且包含碳质固体颗粒、无机固体和/或床细粒的夹带颗粒在气流中排出。旋风分离器36和高温过滤器38分离夹带的颗粒以便处置和/或长期储存。

在单通配置中，流化床反应器34具有两个部分：(1)位于反应器34下部的流化床区和(2)位于反应器34上部的分离自由空域区。与流化床区相比，自由空域区具有更大的直径。自由空域区的直径增加导致表面空间速度降低。这导致大部分夹带的颗粒回落到流化床区域。

应当理解，流化床反应器34可以具有在流化床部分中测量的任何合适的表面空间速度。通常，表面空间速度应该产生良好的流化并且使得床材料的淘洗(elutriation)最小化。在一些实施例中，表面空间速度可以是约1.1ft/s至约2.5ft/s(约33.5cm/s至约76cm/s)、约1.2ft/s至约2.0ft/s(约36.5cm/s至约61cm/s)、约1.3ft/s至约1.7ft/s(约39.5cm/s至约52cm/s)或约1.4ft/s至约1.6ft/s(约42.5cm/s至约49cm/s)。

流化床反应器34可以以再循环床配置而不是单通床配置操作。再循环床配置的一个示例如图6所示。在再循环床配置中，夹带的颗粒被旋风分离器36分离并返回到流化床反应器34。颗粒以这种方式再循环直到它们变得太细或者太轻而不能被旋风分离器36分离为止。这种配置通过使本来会直接成为最终废物产物的固体碳质颗粒反应而提升了废物材料的减容。

在这种单通配置中，流化气体夹带轻质精细废物颗粒、包括无机物和炭(未反应的碳)的重整残余物以及已长时间流化并且已磨损到可洗脱的尺寸和/或重量的一些床介质。将气流中的全部或几乎全部颗粒收集在重整残余物中。在单通配置中，重整残余物包含5wt％至20wt％的残余碳质材料。

在再循环配置中，未反应的碳和/或碳质中间体被处理多次以实现更好的转化，并因此实现更大的减容。再循环模式还允许更高的气体速度和更快的流化，这进一步改善了混合和/或热传递和质量传递并减少了团聚的风险。在再循环配置中，重整残余物包含不超过5wt％或不超过4wt％的残余碳质材料。

应当理解，流化床反应器34的配置可以以多种方式改变。例如，在再循环配置中，可以使用一个以上的旋风分离器36来分离废物颗粒并使它们循环到流化床反应器34。旋风分离器36可以串联和/或并联定位。在一个实施例中，串联定位的两个旋风分离器36可用于将废物颗粒从气流中分离并使它们循环到流化床反应器34。

流化床反应器34可以作为完全再循环床或部分再循环床操作。不同之处在于，在完全再循环床中，所有颗粒都流过流化床反应器34到达旋风分离器36，而在部分再循环床中，只有部分颗粒流过流化床反应器34到达旋风分离器36。完全再循环床配置的流化床反应器34通常不包括扩大的自由空域区。相反，流化床反应器34沿其整个长度具有相同或大致相同的直径。相反，部分再循环床下的流化床反应器34通常包括扩大的自由空域区。

流化床反应器34在图7中以单通次配置A、部分再循环配置B和完全再循环配置C(均匀直径；没有自由空域区)示出。在完全再循环配置中，废物进入流化床反应器34并被气化。夹带的颗粒(包括碳质固体中间体、无机固体和床材料)通过旋风分离器36与气流分离，并循环回流化床反应器34。固体通过流化床反应器34保持往返行程，直到它们变为太精细而不能被旋风分离器36捕获。

应当理解，再循环配置中的流化气体可具有任何合适的表面空间速度。通常，完全再循环配置中的流化气体的表面空间速度可以高于部分再循环配置。例如，在完全再循环配置中，在流化床部分中测量的流化气体的表面空间速度可以是约4ft/s(约122cm/s)到约6ft/s(约183cm/s)。在部分再循环配置中，在流化床部分中测量的流化气体的表面空间速度可以为约2ft/s(约61cm/s)至约4ft/s(约122cm/s)。

回到向流化床反应器34中添加氧气的主题，应当理解，可以以任何合适的方式将氧气进料到流化床反应器34中。图7至图9示出了将氧气进料到流化床反应器34的各种配置。氧气可用于为热解反应和蒸汽重整反应提供能量。

图7示出了一种配置，其中氧气与流化气体一起进料到流化床反应器34中。具体地，氧气与过热蒸汽通过气体分配器64向上流动进入流化床反应器34。图7示出了单通配置A、部分再循环配置B和完全再循环配置C下的流化床反应器34(表面空间速度从A到C增加)。

图8示出了另一种配置，其中氧气在比废物材料进入流化床反应器34一侧的位置略高的位置进料到流化床反应器34中。氧气可以在该高度通过单个开口或通过围绕反应器34的周边分布的多个端口或开口进入流化床反应器34中。在刚好高于废物进料入口的位置添加氧气可有助于防止一些较高密度的进料颗粒积聚在流化床的底部。这种配置也可能使得废物进料入口附近的氧气浓度较高，而这可能在该区域产生热点。图8示出了单通配置A、部分再循环配置B和完全再循环配置C下的流化床反应器34。

在另一种配置中，氧气可以如图7所示与流化气体一起，并如图8所示通过反应器34的侧面进料到流化床反应器34中。每个位置的流率可以减少以保持相同的总流量。

图9示出了另一种配置，其中氧气在多个不同高度的位置进料到流化床反应器34中。它还示出了氧气与流化气体一起通过流化床反应器34的底部进料。然而，应当理解，其它实施例可以包括仅通过流化床反应器34的侧面而不通过底部进料氧气。当图9中所示的配置以完全再循环模式操作时，其尤其适用于流化床反应器34。在多个不同高度的位置添加氧气有助于防止给定区域的氧气变得过多，从而防止改变流化床该给定区域处的还原条件。

图10示出了用于向流化床反应器34中的热解和蒸汽重整反应提供热的另一种布置。在这种布置中，通过在进入流化床之前在风箱部74中燃烧燃料来供应能量，而不是通过向流化床供应氧气并使用由进料和/或添加的可燃材料氧化产生的热来提供能量。

燃料在风箱部分74中燃烧，产生的气体(CO2和蒸汽)是热的并且将能量传递到流化床，该能量可用于支持热解和蒸汽重整反应。而且，通过燃烧燃料产生的反应热可用于使流化气体蒸汽过热。

这种布置的一个优点是流化床反应器34(包括实际的流化床区)可以保持在完全还原条件。另一优点是可以使用气体燃料代替产生固体杂质的固体可燃燃料(诸如炭)，这些固体杂质被收集在最终废物产物中。另一优点是它允许通过流化床反应器34的更高的流化气体流率。当流化床反应器34以部分或完全再循环模式操作时，这是特别期望的。氧气仍可以上述任何方式供应以微调氧化还原条件。

应当理解，可以使用其它方法来加热流化床反应器34。一种这样的方法是使用电加热元件加热流化床反应器34。加热元件可以位于流化床反应器34的内部，或者优选地，位于流化床反应器34的外部周围。如果设置在流化床反应器34的高度磨蚀性环境之外，则加热元件的使用寿命会更长。电加热可能是特别适用于较小尺寸的系统，在该系统中流化床反应器的直径不大于约10英寸(约25.4厘米)。氧气仍可以上述任何方式供应以微调氧化还原条件。

参考图1，气体与一些夹带的固体一起离开流化床反应器34并进入固体分离系统26。在图1所示的实施例中，固体分离系统26包括旋风分离器36和高温过滤器38。旋风分离器36进行固体的粗分离并且承担了大部分分离负荷。通过高温过滤器38去除剩余的固体。固体分离系统26可以从废气流中去除大于99.9％的固体。将固体捕获在固体收集容器76中并最终作为最终废物产物处置。

从流化床反应器34到热氧化器40的设备和管道的温度可以保持在升高的温度，该温度足以防止气流中的烃类在热氧化器40中被消耗之前冷凝。在图1所示的实施例中，这可以通过将旋风分离器36的出口处的气体温度保持在至少600℃以上并且在高温过滤器38的出口处的温度保持在至少500℃或优选高于至少550℃以上来实现。设备和管道也可以被很好地隔热和/或甚至伴热以保持期望的温度。

高温过滤器38被构造成将夹带的细粒从来自旋风分离器36的热废气流分离。图11示出了高温过滤器38的合适配置的一些示例。通常，高温过滤器38包括过滤元件78，过滤元件78可以承受高达至少600℃或优选地高达至少700℃的温度。承受这些温度的过滤元件78的示例包括由烧结金属和/或陶瓷制成的过滤元件。

在图11所示的实施例中，过滤元件78被构造成以从外向内的方式操作，从外向内的方式是指气体通过入口开口82流入高温过滤器38中的腔室80，穿过过滤元件78的外表面(固体被保持在该外表面)，行进通过过滤元件78的内部，然后通过出口开口84离开。

气流中的固体具有在过滤元件78的外表面上积聚的趋势。这可以通过周期性地对过滤元件78反向脉冲来去除。例如，过滤元件78可以在高温过滤器38上的压降超过预设阈值时被反向脉冲。

从过滤元件78去除的固体掉落并积聚在高温过滤器38的底部。在一些情况下，固体可形成阻挡高温过滤器38底部的排出端口的桥(bridge)。图11示出了可以防止和/或破坏颗粒桥的高温过滤器30的一些实施例。

左边的实施例使用机械装置86(诸如旋转凸舌、链条等)以破坏固体桥。中间的实施例使用来自侧面的稳定或脉冲式的气流(例如，氮气)以气动地破坏固体桥。右边的实施例使用来自顶部的脉冲式气流(例如，氮气)来气动地破坏固体桥。

在使用气体破坏固体桥的那些实施例中，应将气体加热至高于至少500℃或优选地至少650℃的温度。而且，过滤元件78内和周围的温度应保持在高于至少500℃。中间和右边的实施例是优选的，因为它们没有移动的机械部件并因此更易于维护。应当理解，可以使用许多其它方法来防止固体桥的形成和/或破坏固体桥。

参考图1，气流离开固体分离系统26并进入废气处理系统28。具体地，废气流进入热氧化器40，其中在该热氧化器40中，利用天然气火焰将气体加热到约1000℃至约1200℃，从而将还原气体组分(诸如H2、CO、CH4)转化为CO2和H2O。在进入热氧化器40之前，废气流可选地与空气混合。

来自热氧化器40的气体然后进入洗涤器系统42，在其中气体优选在几秒内在氢氧化钠溶液中被淬火至低于80℃的温度。任何气态酸性组分(诸如HCL、SO2和NOx)都被洗涤，且蒸汽被冷凝。通过不断补充氢氧化钠溶液，洗涤浴的pH可保持在约6.5至约7.5。通常，期望不使溶液的pH下降到远低于6.5以防止二氧化碳被洗涤，这将显著增加二次废物盐的体积。

来自洗涤器系统42的洗涤器液体在干燥器系统44中被喷雾干燥以去除水。在过滤系统46中将干燥的固体颗粒与含蒸汽的气流分离。从过滤系统46收集的干燥的盐作为副产物。

来自洗涤器系统42的废气主要由二氧化碳和氮气以及可能的一些残余氧气组成。它和来自过滤系统46的废气流在排放到大气中之前通过最终的过滤系统48。在一个实施例中，过滤系统48包括去除气流中的任何额外杂质的高效空气过滤器(HEPA过滤器)。

图12示出了系统20的替代实施例，其中来自热氧化器40的一部分废气用作流化床反应器34的流化气体。该实施例可有利地减少能量消耗、水库存和整体排放。

图12示出了处于再循环配置(部分或完全再循环)的流化床反应器34。然而，应当理解，当流化床反应器34以单通方式配置时，来自热氧化器40的废气也可以再循环。

来自热氧化器40的废气流具有约950℃至约1100℃的温度，并且废气流主要由蒸汽和二氧化碳组成。热氧化器40的设计使得废气流的压力为约15psig(约103kPa)至约50psig(约345kPa)，这与流化气体的压力要求一致。

废气流被分流以维持系统20中的总质量平衡。排出流通过如上所公开的方式经过下游工艺。再循环的废气流包括大量的蒸汽，如果蒸汽未消除的话，将减少对额外新鲜蒸汽的需求。

该实施例具有若干优点：(1)能量消耗显著减少(产生/过热流化气体所需的能量最小/无需这种能量；对减容废气淬火所需的能量更少)；(2)更少的耗水量，从设施中排放的水蒸气量更少；(3)下游设备和蒸汽发生器的尺寸可能显著减小。在DAW和废IER中没有氚或仅有最低水平的氚，这使得可以在系统中对水(蒸汽)进行循环利用而不增加氚水平。

图13至图15示出了进料适配器装置90的一个实施例，该进料适配器装置90可用于在进料材料被进料到高温单元操作时防止进料材料的热诱导反应。图13示出了进料适配器装置90沿其纵向轴线的剖视图。图14示出了进料适配器装置90的进料端的端视图。图15示出了沿垂直于进料适配器装置90的纵向轴线的轴线的剖视图。在系统20的背景下，进料适配器装置90可用于将废物材料进料到流化床反应器34中。

进料适配器装置90被构造成防止废物材料在进入流化床反应器34之前分解或以其它方式反应。它特别适合与进料器54、72一起使用以使DAW和脱水的废IER在进入反应器34之前，可以在没有经历任何明显反应的情况下进料到流化床反应器34中。它也可以与进料流(诸如浆料进料流)一起使用。然而，浆料含有水，其在进料流到达流化床反应器34之前冷却进料流，从而使进料适配器装置90在很大程度上是多余的。

废物材料进入流化床反应器34的最佳位置之一位于流化床的下部。其示例示于图2至图3中。这使得进料器54、72和废物材料与流化床反应器34中的最热区直接接触，使得它们易于受到来自流化床的热传递的影响。

废物材料在物理地进入流化床之前在进料器54、72中反应是不希望发生的。而且，如上所述，将诸如水的冷却剂流体与废物材料进料到流化床中也是不希望有的。进料适配器装置90在废物材料进入流化床之前冷却该废物材料。进料适配器装置90可以联接到进料器54、72并延伸通过流化床反应器34的壁或底部。如上所述，进料器54、72可以是任何合适的进料器，包括高扭矩螺杆进料器，诸如挤压机等。而且，可以使用诸如冷却液或气体的冷却剂流体来主动冷却进料适配器装置90。

进料适配器装置90被构造成在不向通往热工艺的废物进料流中引入冷却剂的情况下防止在该废物进料流中发生热诱导反应。这是通过限制从该热工艺到进料适配器装置90的喷嘴的热能传递、去除传递到喷嘴的热能以及从进料流本身去除热能来实现的。

进料适配器装置90包括包围孔管或孔套筒94的壳体92，孔管或孔套筒94形成穿过装置90的进料孔96。进料适配器90还包括包围孔管94的热芯98和包围热芯98的隔离管或环100。它还包括进料端102和排出端104。热芯98被构造成将热从孔管94传递出去并防止废物材料过热和分解。

壳体92包括工艺凸缘106、进料凸缘108、主体110和主体延伸部112。主体延伸部112包括定位在进料适配器装置90的排出端104处的热套环或环114。热套环114是包围孔管94并且一直延伸到壳体92的外表面的相对较厚的材料。

工艺凸缘106用于将进料适配器装置90联接到工艺反应器或容器(在本实施例中是流化床反应器34)。进料凸缘108用于将进料适配器装置90联接到进料流输送设备。例如，进料凸缘108可用于将进料适配器装置联接到基于螺杆的进料装置(诸如没有模具的挤压机)。

主体110将凸缘106、108联接在一起并为冷却流体提供容纳空间。它还为冷却流体的供应管线和排出管线提供连接点，并支撑主体延伸部112和孔管94。连接点的构造可根据需要改变。主体110还具有内部容积，该内部容积有助于冷却流体流入和流出装置90。主体延伸部112联接到工艺凸缘106并向外延伸到流化床反应器34中。它还为冷却流体提供容纳空间。应当理解，可以改变主体110和主体延伸部112的构造以满足各种应用要求。

孔管94连接到进料凸缘108并延伸穿过壳体主体110的中心、壳体主体延伸部112和热套环114。孔管94容纳进料流并将进料流与冷却流体分离。对于使用螺杆进料器或挤压机的进料系统，孔管94成为螺杆进料器或挤压机的孔的延伸部。可以使用一直延伸穿过孔管94到达进料适配器装置90的排出端104的伸长螺杆。这样，废物材料在整个装置90内被螺杆推动，包括在排出端104处。伸长螺杆可包括集成冷却系统。而且，一个或多个耐热或耐磨涂层可以被应用于孔管94，以促进废物材料通过进料孔96。

参考图13和图15，热套环114被定位在进料适配器装置90的排出端104处。它是作为壳体主体延伸部112的一部分并支撑孔管94的环。热套环114位于进料适配器装置90的末端，在该末端，它与热处理工艺交界并将冷却流体与热处理工艺隔开。热套环114可涂覆有热涂层。

工作时，热套环114用作将热处理工艺与废物进料系统30、73分开的热屏障。热套环114的一端或一侧暴露于热处理工艺中而另一端或另一侧暴露在冷却流体中。由热套环114吸收的热能通过热套环114传导，然后被排放到冷却流体中。顺沿着热套环114的长度产生的温度梯度可以根据工艺和冷却条件确定。可替代地，热套环114可以定位成与热芯98直接接触以替代冷却流体或作为冷却流体的补充。在该实施例中，可以使用导热剂将热能从热套环114传递到热芯98。

热芯98是具有高导热率并且定位成与孔管94的外表面直接接触的管或套筒。热芯98从壳体中的冷却剂供应区延伸到邻近于热套环114的区域。热芯98沿其长度具有内部通道116，内部通道引导来自冷却流体供应源的冷却流体沿着热芯98的长度流动，并且将冷却流体以射流排出，这些射流撞击在热套环114上。

冷却流体围绕热芯98流动，并且通过壳体主体延伸部112中的通道或腔118返回，其中冷却流体从通道118排出装置90。冷却流体在通过通道118回流时去除热芯98的热能。与孔管94直接接触的热芯98去除孔管94中的热能，而孔管94去除工艺进料流中的热能。

隔离管100包围热芯98并使通道116中进入的冷却流体保持与通道118中输出的冷却流体分离。实际上，隔离管100将装置90的内部容积分隔成两个区域。一个区域用于供应冷却流体并且包括通道116。另一个区域用于去除和排出冷却流体并且包括通道118。

冷却流体或冷却剂可以是液相或气相的任何合适的传热流体。合适的液体冷却流体的示例包括但不限于：工业用水、冷凝器水、冷却水等。气体冷却流体的示例包括但不限于：氮气、氩气、氟利昂、压缩空气等。冷却剂流体可经历液/气相变以增加热性能。

示例

提供以下示例以进一步说明所公开的主题。它们不应以任何方式用于限制或限定权利要求的范围。

示例1

在该示例中，使用脱水离子交换树脂(IER)进料和IER浆料进料测试热减容处理，以确定不同进料如何影响该处理。脱水的IER进料具有约55％的水含量，并使用不带模具的螺杆挤压机进料到流化床反应器中。IER浆料进料具有约85％的水含量，并使用蠕动泵进料到流化床反应器中。流化床反应器的直径为15英寸。

IER浆料进料在单次运行中进行测试。测试脱水的IER进料在两次运行中进行测试，其中第二次运行的进料速率比第一次运行的进料速率高50％。测试结果如下表1所示。

表1-IER进料选项：IER浆料与脱水的IER

数据显示将脱水的IER进料到流化床反应器中提供至少两个优点。第一，它允许炭进料速率显著减少。这降低了该工艺的成本，并使得由于炭中的杂质导致的废物减容的负面影响最小化。第二，与流动IER相比，它增加了给定尺寸的流化床反应器的吞吐量。

示例2

在该示例中，使用不同的进料成分测试热减容处理以确定它们如何影响该处理。测试的进料成分是：(1)IER浆料进料；(2)干燥活性废物(DAW)进料；(3)DAW和IER的混合物(DAW和IER在进入流化床反应器之前混合)；和(4)将DAW和IER连续地共进料到流化床反应器中(DAW和IER分开进料到反应器中)。进料1用泵送的方式进料到流化床反应器中，进料2-4使用不带模具的挤压机通过螺旋进料方式进料到流化床反应器。测试结果如下表2所示。

表2-进料成分比较

数据显示将DAW和IER一起处理提供至少两个优点。第一，它不需要在稳态操作期间添加任何炭。这降低了该工艺的成本，并使得由于炭中的杂质导致的废物减容的负面影响最小化。第二，由DAW和IER的组合产生的重整残余物(RR)的放射性低于单独的IER。这表明将两种废物一起处理在控制最终产物包的放射性方面提供了一些灵活性。这在从核电厂进入的废物的放射性水平变化很大的情况下可能是有用的。

示例3

在该示例中，测试了将干燥活性废物(DAW)成功进料到热减容工艺的流化床反应器中的能力。将DAW加入流化床反应器的常规方法是将其与水混合以形成浆料，然后将浆料加入反应器中。水充当冷却剂以防止DAW在进入流化床反应器之前进行反应。进行该测试以确定DAW是否可以在非浆料形式的情况下进料到反应器中。

使用进料适配器装置将螺杆挤压机连接到流化床反应器。进料适配器装置延伸13.5英寸穿过流化床反应器的壁，其包括金属外壁和内部耐火衬里。进料适配器装置的壳体包括内部流体通道，冷却剂流体通过该内部流体通道循环以冷却所述装置。冷却剂流体在-3℃的温度下进行供应并以5gpm的速率循环。通常，进料适配器装置的配置与附图中示出和描述的配置类似或相同。

流化床反应器在900℃下操作超过50小时，同时进行一系列工艺测试。操作温度处于反应器的正常操作温度的最高点，其为约700至约900℃。使用2英寸的没有模具的挤压机将DAW通过进料适配器装置进料至流化床反应器。进料适配器装置的喷嘴或排出端口位于流化床反应器的内壁内侧，且其前部直接面向热流化床。

进料适配器装置的穿过流化床反应器的壁的那一部分经历了从反应器的壁的外表面处的220℃到耐火衬里的内表面处的900℃的温度梯度。进料适配器装置通过来自流化床反应器的壁的传导热传递以及来自其面对的流化床区域的辐射热传递来进行加热。

挤压机本身内未观察到熔化，并且在进料适配器装置的喷嘴中未观察到熔化或炭化残余物。在喷嘴的端部有一些变色，这是由于一些重质烃蒸气的冷凝造成的，这些重质烃蒸气侵入喷嘴外壁和端口的壁之间的区域并进入流化床反应器。但总的来说，结果表明，进料适配器装置在DAW废物进料被送入反应器时成功地屏蔽了DAW废物进料。

示例4

在该示例中，使用不同的DAW进料组分和工艺条件测试热减容工艺以确定它们如何影响该工艺。测试了三种类型的进料。其中两种进料仅包括DAW(进料类型A和B)，另一种进料包括DAW和IER的组合(进料类型C)。该工艺包括流化床反应器、位于所述反应器下游的旋风分离器和位于高温反应器下游的高温过滤器。该工艺以单通模式(其中没有固体从旋风分离器再循环回到流化床反应器)或以部分再循环模式(其中一些固体从旋风分离器再循环到流化床反应器)操作。每个测试的工艺条件以及结果显示在表3A和表3B中。

表3A-热减容测试条件

表3B-热减容测试条件(续)

结果显示了该工艺的一些值得注意的方面。一个是在进料包括IER的那些工艺中的任一工艺条件下，该工艺的稳态操作不需要额外的燃料。另一个是当该工艺在700-750℃的温度下操作时，有可以忽略不计的二恶英形成。再另一个是与单通操作相比，在部分再循环条件下操作流化床显著提升了还原和碳转化。结果还表明，通过优化系统的操作参数和/或通过例如在完全再循环条件下操作流化床反应器进一步改变其设计，有可能进一步优化废物的减容/减重。

结果表明，当反应器缺乏较多氧气时，碳转化不如反应器在较低还原条件下操作时的转化高。然而，在较高的反应器温度(即850-900℃下)，需要更多的氧气(因而氧化程度更高)来提供维持流化床的高温所需的能量。在较高温度下操作时会形成一些二恶英。然而，在这些条件下排放到大气的位置点的二恶英水平均低于0.05ng/dscm。在较高的反应器温度(即850-900℃)下观察到旋风分离器中存在一些不希望有的钙化合物积累。

说明性实施例

下文参考所公开主题的多个说明性实施例。以下实施例仅示出了几个选定的实施例，其可以包括所公开的主题中的各种特征、特性和优点中的一个或更多个。因此，以下实施例不应被视为是包含了所有可能的实施例。

一种方法可以包括减少来自核设施的放射性废物的体积。放射性废物可包括废IER和/或DAW。该方法可用于减少仅废IER、仅DAW、或IER和DAW两者一起的体积。

可以使用高扭矩螺杆进料器或挤压机(没有挤压模具)将DAW尺寸减小并进料到流化床反应器中。废IER可以作为浆料泵送入流化床反应器中。废物流可以在反应器中用惰性床气化，惰性床主要通过过热蒸汽流化。

废物可以在还原条件下在流化床反应器中反应。可以向流化床中加入抗团聚材料(诸如铝化合物或铁化合物)，以防止团聚并有助于稳定废物。产生的气体和夹带的固体颗粒可以通过旋风分离器分离，然后通过高温过滤器进一步分离。收集的固体在未处理的废物进料中具有大部分放射性，但显著减容，并且可安全储存或处置。在不使用旋风分离器的情况下也可以仅使用高温过滤器捕获固体。

气流通过废气处理系统进一步处理，所述废气处理系统包括：热氧化器，氧化H2、CO、H2S、CH4和其它烃类；洗涤器系统，对气流快速淬火并去除酸性气体组分，诸如HCl、SO2；过滤系统，用于最终气体净化然后将其排放到大气中。

流化床反应器包括复杂的反应网络，包括热解和蒸汽重整。反应器通过控制氧逸度或浓度而维持在合适的氧化还原条件，这确保了维持反应温度的能量。

该工艺可以在负压下操作以防止放射性颗粒和/或气体的泄漏。系统压力可以根据流化床反应器的自由空域进行控制。在一个实施例中，压力为约-50英寸水柱(约-12.5kPa)至约-25英寸水柱(约-6kPa)。

流化床的反应温度可为约650℃至约800℃，或优选地约725℃至约750℃。反应可在流化床区域中发生，流化床区域在流化床反应器中具有最高温度。温度不超过约800℃是更可取的，以防止Cs和Tc的挥发。

该方法可以以在正常或稳态操作期间不依赖于添加燃料的方式操作。该方法还可以以依赖于诸如炭的额外燃料的方式操作，以在稳定状态、启动期间和/或热备用(hotstandby)期间维持升高的温度。

流化床反应器中反应的氧化还原条件可以通过调节加入反应器的氧气的量来调节。在反应后气流中，氧气的体积浓度可以控制为小于1vol％，氢气的体积浓度可以低于4vol％，甲烷的体积浓度可以低于5vol％，并且一氧化碳的体积浓度可低于10vol％。这样做可以帮助确保流化床反应器的安全操作。

可选择地，反应条件可被控制以产生更大的还原条件(更少的氧气输入)。氢气的体积浓度可以高于10vol％，一氧化碳可以高于4vol％，甲烷可以高于5vol％，并且可以没有可测量到的氧气。氢气、一氧化碳、甲烷和其它烃类基本上是用于热氧化剂的燃料。当蒸汽重整器在高度还原条件下操作并且所得产物气体具有高燃料含量时，热氧化器可以在没有额外燃料输入的情况下进行操作。

氧气和过热蒸汽可以通过流化气体分配器一起进料到流化床反应器中。可选择地，可以将氧气在稍微高于废物进料入口的位置进料到流化床反应器中。另一种可选方案是在上述两个位置同时并在每个位置以减少的量将氧气进料到流化床反应器中。另一种可选方案是在上述两个位置以及在一个或更多个另外的位置将氧气进料到流化床反应器中，在每个位置的供应量减少，使得加入的总氧气保持相同。当流化床反应器以完全再循环模式操作时，这可能特别有用。

废IER可以以脱水形式进料到流化床反应器中。这可以使用高扭矩螺杆进料器(例如，没有模具的挤压机)来完成。该进料方法不像浆料那样受到最小进料速率限制，因此可以将少量的废IER与DAW一起连续地进料到流化床反应器中。这使得该工艺更加灵活。可调节DAW和废IER的相对进料量以调节最终废物包的放射性。

用于DAW的进料器54可以以水平布置方式联接到流化床反应器的侧壁。DAW也可以使用一个或更多个螺杆进料器通过流化床反应器的底部竖直进料，例如，一个螺杆进料器主要将DAW横向输送到反应器的下侧，另一个螺杆进料器将其穿过反应器的底部竖直向上输送。对于任何DAW进料装置，DAW进料的进入点可以在流化气体的分配器上方。螺杆进料器可以产生高扭矩。一种合适的螺杆进料器是末端没有模具的挤压机。

减容蒸汽重整工艺可以使用完全再循环的流化床反应器系统来操作。流化床材料与进料、中间体和重整残余物一起通过FBR。旋风分离器分离大部分固体并将它们返回流化床反应器。固体保持循环通过流化床反应器，直到它们太小和/或太轻而不能被旋风分离器分离。

该工艺也可以使用部分再循环的流化床反应器系统进行操作。在部分再循环流化床工艺中，大多数流化床材料不从流化床反应器中淘洗。由旋风分离器捕获的固体返回流化床反应器进行再处理。继续再循环，直到固体变得太小/太轻而不能被旋风分离器分离。

对于单通系统，流化气体的表面空间速度可以是约1.1ft/s至约2.0ft/s(约33.5cm/s至约61cm/s)，或者优选地，约1.4ft/s至约1.6ft/s(约42.5cm/s至约49cm/s)。对于完全再循环系统，流化气体的表面空间速度可为约4ft/s至约6ft/s(约122cm/s至约183cm/s)。对于部分再循环系统，流化气体的表面空间速度可为约2ft/s至约4ft/s(约61cm/s至约122cm/s)。

进料器可以通过进料适配器装置联接到流化床反应器，进料适配器装置配置成使高温工艺对进料器中的材料的热影响最小化，从而确保工艺平稳性和完整性。进料适配器装置可用于需要对直接附连的和/或穿透式的工艺连接进行冷却的所有高温热工艺。

高温过滤器可包括多个过滤元件和/或使用从外向内的流动模式。固体可以保留在过滤元件的外表面上。可以用氮气周期性地对过滤元件进行反向脉冲。底部圆锥形部分的壁可以具有被构造成破坏任何颗粒桥的机械凸舌或链条。高压气流也可用于破坏任何颗粒桥。高压气流可以通过沿过滤器外围设置的下降管(down-comer tube)或通过位于圆锥体壁上的孔提供。一个振动装置也可以应用于圆锥体的外表面。

诸如铝或铁(Fe3+)化合物的抗团聚材料可以添加到流化床中以防止废物的团聚并且有助于进一步稳定所述废物。Al或Fe与有问题的碱金属的摩尔比可为约0.2至约1.5，或优选地约0.8至约1.1。废物的碱含量可在废物进料到流化床反应器之前确定。

在将废物进料到流化床反应器之前，可以减少和/或标准化任何固体废物(诸如DAW)的尺寸。例如，固体废物的尺寸可以减小到不超过约1英寸(约2.54cm)，或者优选地，约0.5英寸到约0.75英寸(约1.27cm到约1.9cm)，特别是对于单通配置而言。

该工艺可包括风箱，其中燃料(例如，天然气)在风箱中燃烧。来自风箱的热燃烧气体可用于向流化床反应器提供能量以及用作流化气体。

来自热氧化器的热废气可以再循环并全部或部分用作流化床反应器的流化气体源。来自热氧化器的废气(蒸汽作为主要的两种成分之一)可以分成循环气流和排出流。循环回路进入流化气体分配器。循环回路可以是绝热的并且保持尽可能短以使热损失最小化。排出流可以进入洗涤器系统进行温度淬火和酸性气体洗涤。这种配置可以显著节省能量，减少水消耗，并减少整个工厂的排放量。

可以使用更高温度的工艺来处理VLLW DAW，以防止有机材料在到达热氧化器之前冷凝和/或沉积在工艺设备上。例如，流化床反应器可以配置成可以在约600℃至约1100℃、约850℃至约1100℃、约900℃至约1100℃或约950℃至约1100℃的温度下操作。

应当注意，通常不期望在这些温度下处理废IER，因为它会使放射性核素挥发。然而，当处理DAW时，较高的温度是有利的，因为它具有低的放射性核素含量，并且较高的温度防止DAW中的有机材料作为粘性残余物冷凝在工艺设备上。DAW中的少量放射性核素可以在下游气体过滤过程中捕获。

为了在这些更高的温度下运行，工艺和/或系统部件，尤其是流化床反应器和热氧化器之间的那些部件可以使用高温合金(诸如Haynes 556、Inconel 617、Haynes 230等)制造和/或包括耐火隔热罩。而且，耐火隔热罩的使用可以使得能够用较少特殊的材料和/或成本较低的材料制造工艺设备，并且包括由例如镍铬合金制成的伴热附件。

在处理VLLW DAW时将温度升至约600℃至1100℃，使得可冷凝油和挥发物被输送到TOX以进行最终破坏，从而去除工艺/系统内潜在的冷凝产生的废物和危害。为实现此目的，FBRS和热氧化器(TOX)以及二者之间的工艺/系统部件可以由高温合金(诸如但不限于Haynes 556、Inconel 617、Haynes 230)被制造成特定设计，和/或包括耐火隔热罩以便于使用较少特殊的材料和/或较廉价的材料和包括由诸如但不限于镍铬合金制成的绝热的伴热附件。这涉及到对工艺/系统材料的化学和机械腐蚀/侵蚀的设计认识以及特定的设计改造以减轻所述腐蚀/侵蚀。

术语和解释性公约

术语“联接”表示两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接本质上可以是固定的或者本质上是可移动的。这种连接可以通过以下来实现：两个构件、或两个构件与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体，或者两个构件、或两个构件与任何另外的中间构件彼此连接。这种连接本质上可以是永久性的、或者可选地，本质上可以是可移除的或可释放的。

术语“联接”包括本质上是永久性的或者本质上是可释放的和/或可移除的连接。永久连接是指以不能反转或恢复到原始状态的方式将部件接合在一起。可释放的连接是指以能够反转或恢复到原始状态的方式将部件接合在一起。

除非另有说明，否则权利要求书或说明书中描述的任何方法不应被解释为要求以特定顺序执行步骤。而且，除非另有说明，否则应该将这些方法解释为提供以任何顺序执行所述步骤的支持。

空间或方向术语，诸如“左”、“右”、“前”、“后”等，涉及如附图中所示的主题。然而，应该理解，所描述的主题可以采用各种替代方位，因此，这些术语不应被视为限制。

诸如“该/所述”、“一个(a/an)”的冠词可以表示单数或复数。此外，单词“或”在前面没有“任一”的情况下使用(或指示“或”明确表示为排它性的其它类似语言，例如，只有x或y中的一个等)应被解释为包含性的(例如，“x或y”表示x或y中的一个或两个)。

术语“和/或”也应解释为包含性的(例如，“x和/或y”表示x或y中的一个或两个)。在“和/或”或“或”用作一组三项或更多项之间的连接词的情况下，该组应被解释为仅包括一项、所有项在一起或任何组合或任何数量的项。

术语具有、包括应被解释为与术语“包含”和“含有”同义。这些术语的使用还应理解为公开并提供了对较窄的替代实施例的支持，其中在这些实施例中这些术语由“由......组成”或“基本上由......组成”代替。

除非另有说明，否则在说明书(权利要求书除外)中使用的所有数字或表达、诸如表达尺寸、物理特性等应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。至少，并且不是试图将等同原则的应用限制于权利要求书，说明书或权利要求书中记载的由术语“约”修饰的每个数值参数应根据所述有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。

所有公开的范围应被理解为包含记载任何和所有子范围或由每个范围包含的任何和所有单个值的权利要求，并对其提供支持。例如，所描述的1至10的范围应被视为包括记载在最小值1和最大值10之间和/或包括最小值1和最大值10的任何和所有子范围或个别值的权利要求，并对其提供支持；也就是说，所有子范围以最小值1或更大开始并以最大值10或更小结束(例如，5.5到10、2.34到3.56，如此等等)或从1到10的任何值(例如，3、5.8、9.9994，如此等等)。

所有公开的数值应理解为在任一方向上从0-100％变化，从而为叙述这些值或可由这些值形成的任何和所有范围或子范围的权利要求提供支持。例如，规定的数值8应该被理解为从0到16变化(在任一方向上为100％)并且为列举范围本身(例如，0到16)、范围内的任何子范围(例如，2至12.5)或该范围内的任何单个值(例如，15.2)的权利要求提供支持。

附图应被解释为示出按比例绘制的一个或更多个实施例和/或未按比例绘制的一个或更多个实施例。这意味着附图可以被解释为例如示出：(a)按比例绘制的所有内容，(b)没有按比例绘制的内容，或(c)按比例绘制的一个或更多个特征以及未按比例绘制的一个或更多个特征。因此，附图可用于对于任何所示特征的大小、比例和/或其它尺寸(无论单独还是相对彼此)的记载提供支持。此外，所有这些大小、比例和/或其它尺寸应被理解为在任一方向上可从0-100％变化，从而为记载这些值或可由这些值形成的任何和所有范围或子范围的权利要求提供支持。

权利要求中所述的术语应当通过参考广泛使用的一般词典和/或相关技术词典中的相关条目、本领域技术人员通常理解的含义等来确定它们的普通和惯用含义，其中理解这些来源中的任何一个或组合所赋予的最广泛的含义应该被赋予权利要求术语(例如，两个或多个相关的词典条目应该被组合以提供条目组合的最广泛含义等)仅受到以下例外情况：(a)如果术语的使用方式比其普通和习惯含义更广泛，则该术语应赋予其普通和习惯含义加上额外的扩展含义，或者(b)如果术语通过叙述术语后面的短语“本文件中使用的术语应意味着”或类似语言(例如，“这个术语意味着”、“这个术语被定义为”、“为了本公开的目的，该术语应意味着”等)而明确定义为具有不同的含义。对具体示例的引用，使用“即，”、使用“发明”等词语并不意味着援引例外(b)或以其它方式限制所述权利要求术语的范围。除了适用例外(b)的情况外，本文件中的任何内容均不应视为放弃或否认权利要求范围。

权利要求中记载的主题不与本文件中描述或例示的任何实施例、特征或特征的组合具有相同范围，并且不应被解释为与其具有相同范围。即使在本文件中仅示出和例示了该特征或特征的组合的单个实施例，也是如此。

援引并入

下面列出的每个文件的全部内容通过引用结合到本文件中。如果在本文件和合并文件中的一个或更多个使用相同的术语，则应将其解释为具有由这些来源中的任何一个或组合赋予的最广泛含义，除非该术语已明确定义为在此文件中具有不同含义。如果以下任何文件与本文件之间存在不一致之处，则以本文件为准。并入的主题不应用于限制或缩小明确记载或描绘的主题的范围。2016年11月16日提交的名称为“放射性废物热减容(Thermal Volume Reduction of Radioactive Wastes)”的第62/422,990号美国临时申请。

Claims

1.一种在流化床反应器中分解被放射性核素污染的脱水废物材料的方法，所述方法包括：

将所述脱水废物材料进料到所述流化床反应器中；

将流化气体注入所述流化床反应器中以使床介质流化并在所述流化床反应器中形成流化床，所述流化气体包括过热蒸汽；和

在所述流化床反应器中分解所述脱水废物材料；

其中所述脱水废物材料以非浆料的形式进料到所述流化床反应器中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述脱水废物材料包括废离子交换树脂和/或废颗粒活性炭。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述废离子交换树脂和/或所述废颗粒活性炭的水含量不超过70wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，其包括使用螺杆机构将所述脱水废物材料进料到所述流化床反应器中。

5.根据权利要求1所述的方法，其包括在将所述脱水废物材料进料到所述流化床反应器中之前，将抗团聚添加剂添加到所述脱水废物材料中。

6.根据权利要求1所述的方法，其包括将氧气注入所述流化床反应器。

7.根据权利要求1所述的方法，其包括在约650℃至约850℃的温度下操作所述流化床反应器。

8.根据权利要求1所述的方法，其包括从离开所述流化床反应器的气流中分离出固体，并将所述固体循环回到所述流化床反应器。

9.一种在流化床反应器中共处理废离子交换树脂和干燥活性废物的方法，所述方法包括：

将所述废离子交换树脂进料到所述流化床反应器中；

将所述干燥活性废物进料到所述流化床反应器中；

在所述流化床反应器中分解所述废离子交换树脂和所述干燥活性废物；

其中所述废离子交换树脂以非浆料的形式进料到所述流化床反应器中。

10.根据权利要求9所述的方法，其包括使用一个或多个螺杆机构将所述废离子交换树脂和所述干燥活性废物进料到所述流化床反应器中。

11.根据权利要求9所述的方法，其包括将抗团聚添加剂进料到所述流化床反应器中。

12.根据权利要求9所述的方法，其包括将氧气注入所述流化床反应器中。

13.根据权利要求9所述的方法，其包括在约650℃至约850℃的温度下操作所述流化床反应器。

14.根据权利要求9所述的方法，其包括从离开所述流化床反应器的气流中分离出固体，并将所述固体循环回到所述流化床反应器。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述废离子交换树脂是脱水的废离子交换树脂。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述废离子交换树脂的水含量不超过70wt％。

17.一种在流化床反应器中分解被放射性核素污染的废物材料的方法，所述方法包括：

通过进料适配器装置将所述废物材料进料到在约650℃至约850℃的温度下操作的所述流化床反应器中，所述进料适配器装置延伸贯穿所述流化床反应器的壁；

通过使冷却剂流体循环通过所述进料适配器装置来冷却所述进料适配器装置；

在所述流化床反应器中分解所述废物材料。

18.根据权利要求17所述的方法，其包括使用螺杆机构使所述废物材料移动通过所述进料适配器装置。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述进料适配器装置包括排出端，所述废物材料通过所述排出端进入所述流化床反应器，其中所述排出端包括热套环，所述热套环具有面向所述流化床反应器内部的一侧和接触所述冷却剂流体的一相对侧。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述废物材料包括被放射性核素污染的废离子交换树脂。

21.根据权利要求17所述的方法，其包括在所述流化床反应器中对所述废物材料进行蒸汽重整。

22.一种在流化床反应器中分解被放射性核素污染的干燥活性废物材料的方法，所述方法包括：

将所述干燥活性废物材料进料到在约800℃至约1100℃的温度下操作的所述流化床反应器中；

在所述流化床反应器中分解所述干燥活性废物材料。