一种核电站低中水平放射性活性炭处理方法

摘要

本发明公开了一种核电站低中水平放射性活性炭处理方法，其包括以下步骤：1)收集低中水平放射性活性炭，并将其转运至活性炭计量罐中；2)对活性炭计量罐中的活性炭进行脱水；3)将脱水后的活性炭排入废物桶中；4)对装有活性炭的废物桶进行灌浆固定并封盖；5)养护及暂存固定有活性炭的废物桶。与现有技术相比，本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法采用脱水、计量、装桶、灌浆固定的工艺对活性炭进行处理，有效解决了现有技术中存在的固化体放射性水平分布不均匀、安全风险大、运行成本高等问题。

说明书

技术领域

本发明属于核电站的放射性废物处理领域，更具体地说，本发明涉及一种 核电站低中水平放射性活性炭处理方法。

背景技术

活性炭是主要由含碳材料制成的外观呈黑色、内部孔隙结构发达、比表面 积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，因为其具有较强的物理和化学吸附 特性，而被用于放射性废气以及废水的净化处理。

在核电站、核技术应用以及军工企业的核能利用中，都可能产生低中水平 放射性活性炭需要进行处理。低中水平放射性活性炭的主要产生来源为放射性 废液处理系统(TEU)，该系统利用活性炭来过滤、吸附放射性废水中的颗粒杂 质和胶体态悬浮物，起到清洁水质的作用，因此活性炭使用后的放射性水平与 核电站废液处理系统产生的废过滤器芯子放射性水平相当，表面剂量率一般为 mSv/h到Sv/h级别。

目前，对低中水平放射性活性炭的处理主要有以下几种方式：

第一种是将活性炭脱水后装入高整体容器(HIC)进行处理；但是因为HIC 处理时单个废物包装的废物量较大，导致桶表面剂量率放射性很高，因此废物 包的吊装、处置等方面存在安全风险，使得业界对该工艺尚有不同意见；

第二种是采用放射性废物处理领域常用的水泥固化工艺进行处理；但是， 由于活性炭具有密度低(约为528kg/m³，低于水的密度)、颗粒细(粒径为 0.149mm～2mm)的特点，因此很容易在搅拌过程中上浮，并最终导致固化体的 放射性水平分布不均匀；

第三种是对使用后的活性炭进行焚烧，然后再将产生的焚烧灰进行水泥固 化处理；但是，焚烧工艺的运行成本较高，而且尾气处理复杂，因此也不是理 想的处理方法。

有鉴于此，确有必要开发一种能够克服上述问题的核电站低中水平放射性 活性炭处理方法，以满足活性炭处理放射性废水工艺的推广需要。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种安全可靠的核电站低中水平放射性活性炭处 理方法，以满足活性炭处理放射性废水工艺的推广需要。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站低中水平放射性活性炭 处理方法，其包括以下步骤：

1)收集低中水平放射性活性炭，并将其转运至活性炭计量罐中；

2)对活性炭计量罐中的活性炭进行脱水；

3)将脱水后的活性炭排入废物桶中；

4)对装有活性炭的废物桶进行灌浆固定并封盖；

5)养护及暂存固定有活性炭的废物桶。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 2)的活性炭在进行脱水前，需要先进行疏松，脱水过程为疏松、脱水、静置三 者循环进行，直至脱水管线上的可视流量指示器观察不到水为止。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述活性 炭的疏松是利用压缩空气或设置于活性炭计量罐内的搅拌器进行的。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 3)所使用的废物桶中装有内胆，内胆通过支架固定在废物桶内，内胆的底部开 设有小孔而形成筛网结构；所述内胆的底部指内胆的底壁、或是内胆的底壁和 侧壁的下部。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述内胆 底部筛网的小孔尺寸小于活性炭的特征尺寸，以允许游离水渗出但能阻止活性 炭泄露为准。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述内胆 上还设有盖板，所述步骤4)在进行灌浆固定前，需要先对装有活性炭的内胆进 行封盖；内胆的封盖操作可以利用远程工具进行，也可以近距离进行。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 4)的灌浆操作是将预定配方的水泥浆灌入装有内胆的废物桶，使得内胆完全被 水泥浆所包覆。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述支架 采用碳钢材料制作；内胆由不锈钢或碳钢材料制成，且壁厚超过2mm。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 3)是将设定量的活性炭排入每一废物桶中，因此在将活性炭排入废物桶前，需 要先经过精确计量。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 3)将脱水后的活性炭排入废物桶中后，还需要对装有活性炭的废物桶进行干燥， 使活性炭中的游离水含量小于1％。

作为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的一种改进，所述步骤 1)中利用转运槽车对活性炭进行转运；活性炭可以直接从转运槽车输送进活性 炭计量罐，也可以经其他容器暂存后，再输送进活性炭计量罐；活性炭在不同 容器之间的转移是通过水力或重力实现的。

与现有技术相比，本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法采用脱水、 计量、装桶、灌浆固定的工艺对活性炭进行处理，有效解决了现有技术中存在 的固化体放射性水平分布不均匀、安全风险大、运行成本高等问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站低中水平放射性活性炭处 理方法及其有益效果进行详细说明。

图1为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法所使用的活性炭脱水 计量系统的结构示意图。

图2为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法所使用的废物桶内部 结构示意图。

图3为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法所使用的活性炭干燥 装置示意图。

图4为本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的工艺流程简图。

图5为使用本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法处理活性炭后， 活性炭计量罐的活性炭残渣处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结 合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说 明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明针对活性炭的物理、化学性能以及放射性水平，设计出一种对放射 性活性炭进行脱水、计量、装桶，最后再进行干燥和灌浆固定的处理方法。为 了配合上述处理方法的实施，以下首先对本发明所使用的活性炭脱水计量系统、 活性炭处理专用废物桶20和活性炭干燥装置进行说明。

请参阅图1，本发明使用的活性炭脱水计量系统包括活性炭贮罐10、活性 炭计量罐12、脱水泵14、废液收集罐16以及连接于上述设备之间的管线和阀 门。

活性炭贮罐10用于贮存待处理的含水活性炭，其底部设有出口，且根据情 况在出口处设置用于排出活性炭的喷射泵，也可以不设喷射泵而直接通过重力 排出活性炭。

活性炭计量罐12的上部通过设有阀门100的管道与活性炭贮罐10底部的 出口连接，用于接收活性炭贮罐10排出的活性炭和水。活性炭计量罐12的内 部设有液位计120，顶部设有通风管121，底部则开设有活性炭出口和出水口， 罐下方则设有重力测量单元128；其中，活性炭出口与设有阀门122的出料管道 123连接，活性炭出口处还设有用于输出活性炭的螺旋输送机124，螺旋输送机 124由电机125提供动力，可以精确控制活性炭输送量；出水口处或与出水口连 接的出水管线上设有防止活性炭排出的滤网，还设置有用于消除振动等外部因 素对重力测量单元128影响的柔性材料。活性炭计量罐12中还设有用于疏松活 性炭的疏松机构，例如搅拌器或压缩空气出气口等。

脱水泵14的入口通过设有阀门140的管道与活性炭计量罐12的出水口连 接，出口则通过设有阀门142的管道连接至废液收集罐16；脱水泵14与废液收 集罐16之间的管道上还设有用于观察脱水流量的可视流量指示器，如窥视镜 144。

废液收集罐16的内部设有液位计160，下方则设有重力测量单元161；废 液收集罐16的底部设有两个出水口，其中一个出水口通过设有阀门162的管道 连接至活性炭计量罐12下方的出料管道123，另一个出水口则连接至上游系统 或RPE。

为了便于清洗，活性炭计量罐12、废液收集罐16的上方分别通过设有阀门 的清洗管道127、164与SED系统连接。

上述活性炭脱水计量系统的使用过程为：

1)对活性炭计量罐12和废液收集罐16下的重力测量单元128、161进行 调零；

2)开启阀门100，将活性炭贮罐10中的活性炭和水的混合物通过重力或者 喷射泵排入活性炭计量罐12中；

3)利用活性炭计量罐12中的液位计120对液位进行初步计量，待液位达 到设定值时，关闭阀门100；然后启动脱水泵14，对活性炭计量罐12进行脱水， 并将脱出的水排入废液收集罐16中；

4)通过窥视镜144观察脱水情况，待活性炭计量罐12中的水抽干以后， 关闭脱水泵14；

5)通过重力测量单元128测出活性炭计量罐12内的活性炭重量为m1；根 据灌浆固定配方，确定m1值是否大于单个废物桶20灌浆固定所需的活性炭量 △m，若m1值小于△m，则重复第2～4步骤，直至m1值大于△m；

6)将400L或200L活性炭处理专用废物桶20置于活性炭计量罐12的出料 管道123下方，在控制系统中设定配方所需活性炭量△m，启动活性炭计量罐 12中的螺旋输送机124并打开阀门122，将脱水后的活性炭输送进废物桶20中； 当活性炭计量罐12的重力测量单元128的显示值为m1-△m时，关闭阀门122 及螺旋输送机124，完成活性炭的计量添加。

请参阅图2，本发明使用的活性炭处理专用废物桶20包括桶体22、支架和 内胆26。桶体22的结构与现有废物桶基本相同，包括200L或400L容量的圆 柱形桶身和与桶身配套的桶盖(图未示)。支架包括多条竖向的支撑腿240、将 支撑腿连接为一体的横箍242和固设于支撑腿240下部的支架底座244；支撑腿 240的上部和底部分别弯折后通过螺栓固定在桶身的内壁。内胆26通过螺栓固 定在支架底座244上，其底部的底壁和侧壁上都开设有多个小孔而形成筛网260， 筛网260上的穿孔的特征尺寸小于活性炭的特征尺寸，因此筛网260可以允许 水渗出，却可以防止活性炭泄露。内胆26的上部还设有盖板(图未示)，当内 胆26内装满活性炭后，可以采用长杆工具远程操作的方式将盖板盖在内胆26 上，以防止活性炭自内胆26散落出来。内胆26选用不锈钢或碳钢材料制作， 壁厚超过2mm，因此具备一定的强度和屏蔽效果。支架采用碳钢材料制作，在 具备一定强度的同时，能够降低成本。

在不同实施方式中，内胆26也可以仅在底壁开孔，或者是在全部底壁和侧 壁开孔。

含水活性炭经活性炭脱水计量系统脱水后，装入上述活性炭处理专用废物 桶20的内胆26中存放。在灌浆固定前暂时存放或是灌浆固定后长期存放时， 只要活性炭中还存在未脱干净的游离水，都可以通过内胆26底壁和侧壁的小孔 筛网260渗出，从而进一步保证活性炭内的游离水含量低于1％。

为了进一步降低脱水后活性炭中的游离水含量，本发明还在灌浆固定前对 活性炭进行干燥。请参阅图3，本发明所使用的活性炭干燥装置主要包括干燥箱 44、加热系统、冷却系统、冷凝系统、气体测量系统54、灭火系统56等。当 200L废物桶20经输送辊道42被送往干燥箱44内进行干燥时，干燥箱44内的 空气被加热系统加热至100℃，废物桶20内的水分被蒸发，产生的水蒸汽经冷 却后进入冷凝器46进行水汽分离，分离后的空气经气体过滤器48进入储气罐 50继续被循环加热，冷却水则进入废液储罐52后排往废液处理系统53。气体 测量系统54对干燥箱44内的气体进行监测，通过气体的含水量确定干燥进度。 灭火系统56通过火灾探测器58和火灾报警器60进行火灾监测，一旦干燥箱44 内发生火灾，灭火系统56的阀门自动打开，将大量CO₂气体注入到干燥箱44 内以防止火灾蔓延。干燥完成后的200L废物桶20最后经输送辊道42送走。现 有废物辅助厂房(QS)的干燥装置处理能力约为平均24h干燥一个200L废物桶 20。

请参阅图4，本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法的详细步骤为：

1)活性炭的收集和转运：将放射性废液处理系统(TEU)产生的含水活性 炭通过转运装置转运至活性炭贮罐10，例如，采用气动隔膜泵将TEU的活性炭 水力输送至转运槽车，再利用水力将转运槽车中的含水活性炭输送至活性炭贮 罐10；

2)活性炭脱水：将活性炭贮罐10中的活性炭和水的混合物利用重力或水 力输送至活性炭计量罐12中，并利用压缩空气或设置于活性炭计量罐12内的 搅拌器将活性炭搅拌疏松，之后利用脱水泵14对活性炭计量罐12中的活性炭 进行脱水，脱水方式为：搅拌疏松、脱水、静置，三个步骤循环进行，直至脱 水管线上的可视流量指示器观察不到水为止；

3)活性炭装桶：采用称重或体积计量的方式精确计量脱水后的活性炭，并 将其排入装有内胆的200L废物桶20的内胆26中，直至内胆26装满活性炭；

4)活性炭干燥：利用核电站废物分拣压缩打包线已有的干燥装置对脱水后 的活性炭进行干燥，直至活性炭中的游离水含量小于1％，干燥过程产生的蒸馏 水通过冷凝，用管道和泵转运至废液处理系统进行处理；设置此步骤是出于保 守考虑，以避免废物桶中的游离液体含量过高，确保其能够满足GB16933－1997 《放射性废物近地表处置的废物接收准则》中的要求(废物体应尽量减少或没 有游离液体泌出，废物容器中游离液体体积应小于固废物体积的1％)，实际操 作时可根据具体情况省略此步骤；

5)内胆封盖：采用远程专用工具对内胆26进行封盖，以防止活性炭在灌 浆固定时上浮；

6)灌浆固定：将装有内胆26的废物桶20转运至灌浆固定站位，利用灌浆 固定装置向200L废物桶20内灌入水泥浆(水泥浆是根据核电站成熟的干废物 灌浆固定配方，利用水泥、添加剂通过灌浆固定搅拌装置提前配制好的)，直至 灌浆高度达到废物桶内部高度的95％后停止灌浆；此时，内胆26已完全被水泥 浆所包覆；

7)暂存：将灌完浆的废物桶20进行封盖并养护7天，在此过程中，若活 性炭中含有游离水，则游离水可以自内胆26底壁和侧壁的小孔筛网260中渗出， 并被水泥吸收；养护结束之后，即可将废物桶20转运至核电站废物暂存库(QT) 暂存，结束活性炭处理流程。

需要说明的是，由于水泥养护过程需要吸水，因此在灌浆固定好内胆26后， 活性炭中的水还可以通过内胆26底部和侧壁的小孔筛网260析出至水泥固定体 中并被吸收，从而继续降低活性炭中的游离水含量；因此，在一般状况下，对 活性炭脱水装桶后，不进行干燥步骤而直接对内胆26封盖，并进行灌浆固定操 作，最终形成的废物体中的游离水含量也可以满足处理要求。也就是说，干燥 步骤是为了进一步除水而设计的可选步骤，在非特殊工况下，往往可以省略。

请参阅图5，对于活性炭计量罐12内壁残留的活性炭，可在一批次废物处 理完后，打开清洗管道127上的阀门，利用SED系统的水清洗活性炭计量罐12， 将残留的活性炭排入清洗桶中；然后利用带滤网的抽水装置将清洗桶中的水抽 走，留在清洗桶中的活性炭残渣可在下一次废物处理时，和其他废物(如废滤 芯或活性炭等)混合，再一起采用灌浆固定工艺进行处理。

根据以上描述可知，本发明核电站低中水平放射性活性炭处理方法采用脱 水、计量、干燥、灌浆固定的工艺对活性炭进行处理，有效解决了现有技术中 存在的固化体放射性水平分布不均匀、安全风险大、运行成本高等问题，因此 至少具有以下优点：

(1)安全性高：通过脱水、干燥和水泥固化，保证了废物体中游离水含量 低于1％，且废物体的抗压强度也足够大，从而实现了低中放射性活性炭的安全 处理；

(2)辐射小：将脱水后的活性炭装入内胆26中，再利用水泥包裹内胆26 制成水泥固定体，内胆周围全部被水泥包覆而具有一定的屏蔽作用，既避免了 灌浆固定时活性炭上浮，又方便了活性炭废物包的后续吊装、暂存、运输和处 置；

(3)先脱水后计量，既克服了活性炭易上浮而导致固化体放射性水平分布 不均匀的问题，又提高了计量的准确性；

(4)可以不用对每批次活性炭进行取样和化学分析，不仅降低了人员受照 剂量，而且降低了取样分析成本；

(5)本发明可以利用核电站已有的脱水计量系统、水泥固定设施和干燥装 置进行处理，无需额外增加废物处理成本；

(6)本发明可以参考利用核电站干固体废物灌浆固定的水泥配方，大大节 约了配方研发成本，降低了工程量，同时节省了工期。

可见，本发明是一种安全的活性炭处理方法，可以在产生放射性活性炭的 核设施废物处理工作中推广使用，使活性炭净化放射性废水的工艺得到更广泛 地应用。

需要说明的是，本发明主要适用于低中水平放射性活性炭的处理；对于极 低放射性活性炭(表面剂量率为μSv/h级别)，虽然也可以利用本发明的方法进 行处理，但是考虑到废物减容，其更适合于采用暂存衰变的方式处理，因此不 建议采用本发明。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述 实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的 具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保 护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为 了方便说明，并不对本发明构成任何限制。