一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器及方法

摘要

本发明公开了一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器及方法，包括端盖区、反应区和存盐区，反应区核心区设置有刮刷、搅拌器等机械装置。底部为核素存盐区，设有机械搅拌装置及三次氧化剂入口。本发明可实现对于放射性废物的超临界水氧化处理，利用核素在超临界水中溶解度小的特点将其脱除同时伴以刮刷将其机械脱除，同时由于冷却膜式壁的存在，不仅可以吸收反应区的热量防止壁面超温，也可将其进行余热利用。同时反应器关键部位设置了牺牲式薄衬，以确保装置在退役后产生放射性废物的最小化。此反应器在放射性废物的超临界水氧化处理领域具有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于放射性废物处理领域，特别涉及一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器及方法。

背景技术

核电作为一种清洁能源，已经成为我国能源结构中的重要组成部分。随着核电站的大量出现，放射性废物的数量也逐年上升，主要包括放射性废离子交换树脂、放射性废油、放射性废溶剂、放射性废防护服及手套等。目前处理这些放射性废物的主要方法有焚烧法、等离子体焚烧法、芬顿氧化法、直接固化法等。但这些方法都存在各种各样的问题，焚烧法虽然可明显减少废物的容积，但是会造成放射性飞灰等二次污染；等离子体焚烧法需要进行固化材料的添加且尾气处理系统庞杂；芬顿氧化法虽然反应条件温和，但反应时间较长且二次废液量大；直接固化法工艺简单，但是增容较大。

超临界水氧化技术是在超过水的临界点的温度和压力条件下，利用超临界水具有的特殊性质，使放射性有机物和氧化剂在其中发生均相氧化反应，从而将放射性有机物分解为CO

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器及方法，本发明可实现放射性废物的高效降解，同时利用核素在超临界水中溶解度极低的特点采用简单机械脱除的方法将核素分离，使放射性废物最小化。该反应器同时兼具物料低温入射、醇类共氧化、催化氧化、冷壁保护、余热回收等功能，在放射性有机物高效去除的同时保证了核素的固化分离，为放射性废物的处理提供了一种切实可行的方案。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器，包括：

端盖部分，所述端盖部分包括端部加药筒和环形盖板，端部加药筒连接在环形盖板的内环上，环形盖板底部与导流绝热筒密封连接；端部加药筒的内腔为端盖区；

中心筒，所述中心筒内设置导流绝热筒，所述导流绝热筒的内腔为反应区，所述反应区与端盖区相连通；

冷却壁，所述冷却壁顶部开口的筒状结构，套设在导流绝热筒的底部，导流绝热筒的底部与冷却壁内侧围成的内腔为存盐区，所述存盐区与反应区相连通。

本发明进一步的改进在于：

所述端部加药筒的顶部开设高温超临界水注入口，侧壁上开设一次氧化剂入口和一次低温物料入口，所述一次氧化剂入口位于一次低温物料入口的上方；所述高温超临界水注入口、一次氧化剂入口和一次低温物料入口与端盖区相连通。

所述环形盖板的侧面开设端盖冷却水入口和端盖冷却水出口；所述环形盖板的端面上开设二次低温物料入口和二次氧化剂入口；所述二次低温物料入口和二次氧化剂入口与反应区相连通。

所述反应区内自上而下依次设置搅拌器和刮刷。

所述导流绝热筒的内壁上设置牺牲式薄衬，导流绝热筒的筒壁上开设通孔，与中心筒的筒壁内侧相连通，所述通孔中设置有过滤壁。

所述中心筒的筒壁内设置有物料预热器和取热水器；所述物料预热器和取热水器布置于导流绝热筒的外侧；中心筒的侧面上开设有反应出水口，所述反应出水口与反应区相连通。

所述冷却壁的侧面开设有冷壁水入口、冷壁水出口、三次氧化剂入口和排盐口；所述三次氧化剂入口和排盐口与存盐区相连通；三次氧化剂入口设置于冷却壁的侧壁上，排盐口开设于冷却壁的底部。

所述过滤壁采用过滤网或烧结金属过滤器。

所述中心筒的筒壁为膜式壁、盘管或具有导流作用的冷却腔。

一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化方法，包括以下步骤：

将超临界水、一次氧化剂以及一次低温物料注入端盖区，将二次氧化剂与二次低温物料输入反应区，使一次氧化剂、一次低温物料、二次氧化剂以及二次低温物料在反应区混合并发生氧化反应；

反应后，超临界水通过过滤壁后降温降压成蒸汽通过反应出水出口排出，核素则沉积至存盐区之内，通过排盐口排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、有效分离核素。由于核素在超临界水中的溶解度极低，辅以刮刷、多孔粉末烧结壁等机械手段对核素与超临界水进行分离，可有效脱除放射性废物中的核素，防止其扩散至环境中。同时存盐区脱核素过程可间歇可连续，使得反应器适用于不同的系统。

2、反应区中心高温，高效氧化。一次氧化剂与低温物料在出口汇合反应后释放出大量热量，同时二次氧化剂与二次物料也在该处发生剧烈氧化反应。该处温度较高，有利于放射性废物的充分降解。

3、余热利用，冷壁保护。冷壁水的存在不仅可以吸收反应所产生的热量，同时防止壁面超温损坏，被加热之后的水还可作其他用途。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明结构示意图。

其中：1-端盖区；2-搅拌器；3-导流绝热筒；4-刮刷；5-取热水器；6-物料预热器；7-反应区；8-过滤壁；9-牺牲式薄衬；10-存盐区；11-冷却壁；N1-高温超临界水注入口；N2-一次氧化剂入口；N3-一次低温物料入口；N4-端盖冷却水入口；N5-二次低温物料入口；N6-二次氧化剂入口；N7-端盖冷却水出口；N8-冷壁水入口；N9-反应出水出口；N10-冷壁水出口；N11-三次氧化剂入口；N12-排盐口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器，主要由上部端盖区1、中部反应及余热利用区7和下部核素盐存盐区10组成。端盖区1设有高温超临界水注入口N1、一次氧化剂注入口N2、一次低温物料入口N3、端盖冷却水入口N4、端盖冷却水出口N7、二次低温物料入口N5、二次氧化剂入口N6。反应区7外侧设有冷壁水入口N8、冷壁水出口N10、反应出水出口N9；反应区7内侧依次布置带牺牲式薄衬9的导流绝热筒3、物料预热器6、取热水器5，其中导流绝热筒3壁设置过滤壁8；反应区7核心区设置有刮刷4、搅拌器2等机械装置。底部为核素盐存盐区10，设有机械搅拌装置、三次氧化剂入口N11及排盐口N12。

放射性物料经反应器内物料预热器路6预热后，再经反应器上端盖一、二次入口进入反应器内核心反应区7，经高温超临界水混合达到反应条件后发生超临界水氧化反应。氧化剂包含但不限于分三次进入反应器，可视反应情况，分多次进入反应器。反应器核心区导流绝热筒3内部附牺牲式薄衬9，且该薄衬9可根据不同材料而兼具反应催化作用。反应器核心区机械装置包含但不限于刮刷4、搅拌器2等使反应流体混合、固体核素盐分离的机械装置。导流绝热筒的过滤壁8为具有微小孔隙可使核素盐与超临界水分离的过滤壁，不限于过滤网、烧结金属过滤器等。反应器上端盖内部设置有端盖冷壁水、中心筒壁设置筒壁冷壁水，冷壁水的装载形式不限于膜式壁、盘管、具有导流作用的冷却腔等。物料预热器6可根据使用需要布置于反应器内，亦可布置于反应器外。反应器下部核素存盐区10大小可根据物料核素盐含量情况、间歇排盐、连续排盐等不同功能设置。反应器内部导流绝热筒3、物料预热器6、取热水器5等部件均设置为可拆卸式

本发明的工作过程：

超临界水、一次氧化剂以及低温物料分别从对应注入口注入，在反应区7混合并发生剧烈氧化反应，同时二次氧化剂与二次物料也在该处发生反应。反应后，核素因在超临界水中溶解度较低而分离，超临界水会通过过滤壁8后降温降压成蒸汽通过反应出水出口N9排出，核素则沉积至存盐区10之内，通过排盐口N12排出。

综上，针对基于传统放射性废物处理方法的降解效率低，核素固化容积较大等问题，本发明提出了一种适用于放射性废物处理的超临界水氧化反应器，可实现对放射性废物的高效降解同时脱除核素，通过将放射性废物处理技术与超临界水氧化技术相结合，不仅能实现放射性废物的高效降解，而且可实现核素高效固相化，从而实现放射性废物的无机减量化，对实际的放射性废物处理具有重要的应用意义。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。