一种难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器

摘要

本发明公开了一种难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器，包括反应器筒体、与该反应器筒体上端密封连接的上端盖，其特征在于，所述上端盖上设有燃料进口芯管、高温氧气混合管、多个放射性废物流体进口、多个氧气进口；设置有可更换、可调节用量的多孔催化剂填料；反应器筒体内部设置可拆卸式导流绝热壁，其内有附壁式催化剂涂层的可更换薄衬；反应器筒体底部设有无机核素盐的储盐区及排盐口，反应后流体经过滤壁后与核素盐分离后经出口接管流出；上端盖内壁设有耐压隔热填充材料。

说明书

技术领域

本发明属于放射性废物处理技术领域，涉及一种难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器。

背景技术

超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，简称SCWO)技术是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术，以超临界水(T＞374.15℃、P＞22.12MPa)为反应介质，利用超临界水介电常数近似于非极性有机溶剂、高的扩散系数、低的粘度等显著区别于普通水的特殊性质，使放射性有机物和氧化剂在超临界水中迅速发生均相的氧化反应，来彻底分解有机物，将有机物快速转化为CO

虽然大量的实验结果已经证实了超临界水氧化技术在处理各种放射性有机废物如放射性废树脂、放射性废溶剂、放射性废油、放射性固体塑料等已取得了较大的成功，但对某些化学性质稳定的化合物如放射性废物中的含氮物质(如典型放射性废物放射性废阴离子交换树脂)氧化所需的反应条件要求更高，且反应条件苛刻对金属材料有很强的腐蚀性，因此，超临界水氧化技术应用于难降解放射性有机废物处理领域受到了一定的限制。超临界水氧化过程中，放射性含氮化合物的氧化中间产物多为难以进一步降解的氨，因此氨的降解成为含氮有机物完全降解的速控步骤。

因此，目前用于提高废物中氨氮降解率的方法有催化超临界水氧化法以及添加辅助燃料的超临界水氧化法。催化剂可以促进超临界水氧化反应的进行，在反应中形成活性的过渡中间产物，改变反应的历程，使反应的活化能降低，降低反应所需的温度、压力，缩短反应时间，降低处理废水的成本；辅助燃料在超临界水氧化过程中为氨氮的氧化提供了部分热量，从而降低反应温度，提高氨氮的转化率，超临界水氧化系统中催化剂和辅助燃料的引入提高氨氮降解效率的同时，存在以下问题：

(1)均相催化剂的引入容易带来二次污染，还可能会发生盐沉积，堵塞反应器，同时放射性的封闭反应体系内的非均相催化剂的装载、更换比较困难，且存在催化剂的流失及失活等问题；

(2)辅助燃料的引入会带来反应温度过高，反应装置承压壁存在超温问题，此外，在超临界水条件下，高温高压的反应条件及高浓度溶解氧的反应环境会加剧反应器腐蚀，从而严重影响整套超临界水氧化反应系统运行的安全可靠性；

(3)辅助燃料的注入方式不当使燃料、氧气及放射性废物流体混合不充分，导致系统内物料传质传热效率低，燃料燃烧不完全被反应后流体带出装置外而造成浪费；反应区内辅助燃料雾化不良会出现严重释热不均、局部过热等现象；

(4)辅助燃料燃烧反应区附近氧浓度会急剧下降，造成系统内局部氧含量不足，导致系统反应效率降低。

鉴于上述因素制约了难降解放射性有机废物超临界水氧化技术的发展，因此一些新型反应装置在不断研发之中。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器，本发明解决了催化剂拆装、更换困难，提高该装置辅助燃料燃烧特性，进而提高装置运行过程的经济性。同时该反应装置易于检修和维护，可安全可靠运行，具有多功能性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器，包括反应器筒体，所述反应器筒体前端密封连接上端盖，上端盖为环形盖板，上端盖中部连接有加药装置，所述加药装置与反应器筒体内腔相连通，加药装置用于将燃料、高温氧气、放射性废物流体混合送入反应器筒体的内腔；所述反应器筒体的内腔中设置有筒状的导流绝热壁，所述导流绝热壁的内腔为反应区，导流绝热壁的外壁与反应器筒体内壁之间的环形腔室为反应后流体通道；所述反应后流体通道的入口位于导流绝热壁的底部，反应器筒体顶部侧面开设反应后流体通道的反应出水出口；反应器筒体中导流绝热壁下方的内腔为核素盐储存区，底部开设排盐区出口。

本发明进一步的改进在于：

所述加药装置包括加药筒，所述加药筒前端开设燃料溶液进口，燃料溶液进口与设置于加药筒内的芯管相连，芯管上套设有混合管；所述芯管和混合管的末端伸入至反应器筒体的反应区中；加药筒上开设有第一氧气进口，所述第一氧气进口通过管道与混合管相连通；混合管上套设有放射性废物流体喷管，放射性废物流体喷管上沿径向开设若干放射性废物流体进口。

所述上端盖上径向设置若干第二氧气进口，所述第二氧气进口与设置在上端盖下方的多孔氧气喷管相连；所述上端盖底部设置耐压隔热填充材料。

所述反应区内设置有刮除装置，且反应区靠近上端盖的区域为高温反应区，高温反应区的下方为低温反应区。

所述刮除装置采用刮刷、刮刀或刮板。

所述导流绝热壁的内壁上设置有可更换薄衬，用于是放射性废物流体在低温反应区能够进行二次催化亚/超临界水氧化反应。

所述反应后流体通道内设置有上支撑板，以及位于上支撑板下方的高度能够调节的下支撑板，所述上支撑板和下支撑板之间填充有多孔催化剂填料。

所述反应后流体通道的入口处设置有过滤壁。

所述反应区筒体的核素盐储存区的侧壁上开设有第三氧气入口。

所述反应区筒体上套设有水冷装置，所述水冷装置上部开口，底部及侧面与反应器筒体贴合；水冷装置的上部侧面开设冷却水进口，下部侧面开设冷却水出口；冷却水出口位于核素盐储存区的上方。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够实现难降解放射性有机废物的同时高效无机化、核素固相化分离的处理。采用热氧气对辅助燃料进行预热、气化，并设置氧气旋流器，减少上端盖通道数量，优化了上端盖通道结构，在达到燃料、氧气、物料充分混合的条件下，降低上端盖因开孔过多导致的强度下降问题。对燃料燃烧后可能产生的高温，反应器上端盖下部设置耐压隔热填充材料，对上端盖进行隔热保护，无需对上端盖设计冷却环槽等部件，降低上端盖的制作成本。最后，本发明可以广泛应用于难降解放射性有机废物及常规有机废物无害化处理过程，达到了节约能源、降低成本和提高安全性的目的。

进一步的，本发明采用长段的多孔氧气喷管解决了辅助燃料燃烧反应区附近氧浓度急剧下降问题，提高系统反应效率。

进一步的，本发明在多孔催化剂填料中可根据反应物料不同而选择不同的催化剂，并且装卸、更换操作简单，且催化剂量可根据物料性质要求根据下支撑板的升降进行调节，实现处理不同物料的灵活性。

进一步的，本发明可更换薄衬采用涂覆方式负载催化剂，并可拆卸、更换，实现导流绝热壁的多功能性。

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为本发明的反应器的结构示意图。

其中，1-芯管，2-混合管，3-放射性废物流体喷管，4-多孔氧气喷管，5-耐压隔热填充材料，6-上端盖，7-多孔催化剂填料，8-反应器筒体，9-导流绝热壁，10-可更换薄衬，11-过滤壁，12-高温反应区，13-低温反应区，14-核素盐储存区，15-上支撑板，16-下支撑板，17-水冷壁或水冷套，18-刮除装置，N1-燃料溶液进口，N2-第一氧气进口，N3-放射性废物流体进口，N4-第二氧气进口，N5-冷却水进口，N6-冷却水出口，N7-排盐区出口，N8-第三氧气入口，N9-反应出水出口。

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难降解放射性有机废物超临界水氧化处理反应器，包括反应器筒体8以及与反应器筒体8上端密封连接的上端盖6，反应器筒体8与上端盖6之间的密闭空间为反应室，靠近上端盖6的为高温反应区12，高温反应区12下方为低温反应区13；反应器筒体8为承压壁，反应器筒体8承压壁设有内置或外置的水冷装置17，所述水冷装置为水冷壁或水冷套；上端盖6上设有与反应器筒体8内反应室连通的燃料进口芯管1与混合管2，混合管2同轴设置于芯管1外周，芯管1前端为燃料溶液进口N1，芯管1与混合管2之间的环隙构成了第一氧气进口N2通道；第一氧气进口N2通道与混合管2沿氧气流动方向呈一定夹角设置；混合管2与芯管1之间的环隙中的高温氧气实现对燃料的预热，燃料在芯管1中完成预热、气化过程，燃料经喷嘴喷出后与旋流器出口的高温氧气充分混合燃烧，使燃烧反应区局部温度高于600℃以上。

若干放射性废物流体进口N3径向设置于放射性废物流体喷嘴3上，放射性废物流体进口N3与反应器筒体8中轴形成向内的一定夹角喷入，使放射性废物流体在火焰燃烧区均匀分布并被迅速加热到超临界状态。

若干第二氧气进口N4径向设置于多孔氧气喷管4上，布置于放射性废物流体喷嘴3外围，第二氧气进口N4下端连接多孔氧气喷管4，多孔氧气喷管4开孔方向布置于四周，对辅助燃料燃烧反应区附近急剧下降的氧浓度进行补充，并为放射性废物流体提供氧化反应所需的过量氧气；多孔氧气喷管4亦可以布置伸入多孔催化剂填料7层；可更换薄衬10上负载壁式催化剂涂层，使难降解放射性废物在高温及催化剂同时作用条件下，迅速降解。

壁式催化剂涂层附着于可更换薄衬10并置于导流绝热壁9的内壁，使放射性废物流体在燃料燃烧反应区以外的低温反应区13可进行二次催化亚/超临界水氧化反应，使难降解物质进一步降解；导流绝热壁9可拆卸，根据物料反应要求，可将可更换薄衬10内壁涂覆不同催化剂涂层，实现不同物料催化的多功能要求。

多孔催化剂填料7设置于导流绝热壁9上的上支撑板15和下支撑板16之间，可对反应后的流体进行再次催化氧化。根据多孔催化剂填料7的用量其下支撑板16高度可调；多孔催化剂填料层内空腔为反应装置内的高温反应区12，反应器中部形成反应装置内的低温反应区13，低温反应区下方为核素盐储盐区14。

上支撑板15和下支撑板16均采用螺栓连接于导流绝热壁9上的上下反向角钢进行固定，在导流绝热壁9上不同高度布置上下反向角钢，使下支撑板16高度根据需要进行调节，从而实现催化剂用量可调的功能要求；同时，拆卸上下反向角钢可使上支撑板15和下支撑板16灵活从反应器中取出，从而实现对催化剂进行更换。

导流绝热壁9实现对反应器内壁的一次冷却保护，同时可有效解决反应器内壁腐蚀和盐沉积问题。反应器筒体8与导流绝热壁9之间的环形腔室构成了反应后干净流体通道。水冷壁或水冷套冷却水从反应器筒体8的冷却水进口N5进入，从反应器筒体8的冷却水出口N6流出。反应器的上端盖6下部设置耐压隔热填充材料5，对上端盖6进行隔热保护，无需对上端盖6设计冷却环槽等部件，降低上端盖6的制作成本。

反应器筒体8底部设有无机的核素盐储存区14及排盐区出口N7。放射性废物流体在反应过程中无机的核素盐与反应后流体经过滤壁分离后储存于核素盐储存区14。

过滤壁11安装于导流绝热壁9的底部，过滤壁11根据使用需求可采用包含但不限于过滤网、粉末烧结金属等；刮除装置18为不限形式的具有刮除作用的刮刷、刮刀、刮板等机械装置。

本发明反应装置的工作流程如下所述：

燃料从燃料溶液进口N1进入，经高温氧气预热后在芯管1中完成预热、气化过程后，经喷出与高温氧气充分混合燃烧，在反应器中形成的水热火焰。放射性废物流体喷入火焰燃烧区均匀分布并被迅速加热到超临界状态，并与多孔氧气喷管4喷出的氧气混合，在多孔催化剂填料7参与下，难降解放射性废物发生高温、催化超临界水氧化反应，实现难降解废物的迅速彻底降解。同时利用超临界水对无机盐极低的溶解性质，使放射性核素盐落入下方无机核素盐的储存区，从而与反应流体分离。反应流体自上而下进入下方低温反应区13后，由于导流绝热壁9的壁式催化剂作用可进行二次催化超临界水氧化反应，使难降解放射性废物进一步降解。多孔催化剂可进行反应后流体的进一步催化降解，调整催化剂填料下支撑板的高度，可对填料催化剂量进行调整，同时支撑板以及导流绝热壁9的可拆卸实现填料催化剂和壁式催化剂的种类更换。经过反应后的流体通过反应器导流绝热壁9底部过滤壁11过滤后，经的出口接管N9流出反应器进入后续设备，反应器底部设置无机核素盐的排盐出口N7。

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。