緊湊式低放固體廢物焚燒工藝裝置設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

鄭博文，徐 衛(wèi)，褚浩然，李曉海，楊利國，張曉斌，楊麗莉

(中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

核工業(yè)產(chǎn)生的放射性廢物中可燃廢物占較大比例，焚燒后轉(zhuǎn)化為無機(jī)物，所含放射性核素大部分集中于焚燒灰，其體積只有原始廢物的幾十分之一，從而大幅降低了廢物的貯存、運(yùn)輸和最終處置的費(fèi)用。因此，焚燒成為處理放射性可燃廢物的主要技術(shù)之一,在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。

中國輻射防護(hù)研究院(以下簡稱中輻院)已成功開發(fā)了放射性廢物熱解焚燒技術(shù)，在我國已建成3座放射性廢物焚燒設(shè)施[2-4]，并于2017年出口到巴基斯坦，實(shí)現(xiàn)了我國核環(huán)保工程技術(shù)領(lǐng)域的重要突破。常規(guī)放射性廢物焚燒設(shè)施占地面積大，建造和運(yùn)行成本高，一般建于廢物產(chǎn)生量較大的大型核基地，而對于廢物產(chǎn)生量較少的核設(shè)施、軍事、科研及核技術(shù)應(yīng)用等單位，盡管有迫切需求卻難以承受。另外，公眾對廢物焚燒具有一定的憂慮情緒，地方政府對焚燒項(xiàng)目的立項(xiàng)和環(huán)保監(jiān)管非常謹(jǐn)慎，監(jiān)管要求和程序非常嚴(yán)格，導(dǎo)致核電廠等民用核設(shè)施對建設(shè)焚燒設(shè)施的態(tài)度并不積極。為適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，針對廢物產(chǎn)生量較少的單位的廢物特征和運(yùn)行方式，中國輻射防護(hù)研究院在原有熱解焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了緊湊式低放固體廢物焚燒技術(shù)[5]，大幅降低了建造規(guī)模和成本，提高了運(yùn)行方式的靈活性。

1 設(shè)計(jì)思路

常規(guī)放射性廢物焚燒設(shè)施占地面積大、建造和運(yùn)行成本高。以國內(nèi)某放射性廢物焚燒設(shè)施為例，固體廢物處理能力25 kg/h，廠房共4層總高16 m，占地面積約1 300 m2，建筑面積約2 400 m2。該設(shè)施作為獨(dú)立設(shè)施運(yùn)行和管理,每天24小時連續(xù)運(yùn)行，每年運(yùn)行200天，生產(chǎn)班制一般為五班編制四班倒，每班工作6小時,生產(chǎn)、維護(hù)及管理人員約50名左右。該設(shè)施每年可處理固體廢物120 t。而對于軍事、科研及核技術(shù)應(yīng)用單位，每年可燃放射性廢物產(chǎn)生量一般只有幾噸到十幾噸，放射性活度濃度較低，一般不超過105Bq/kg，無法承擔(dān)常規(guī)焚燒設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行負(fù)擔(dān)。為此，中輻院開展針對性的研究，在滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，開發(fā)具有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求低、占地面積小、運(yùn)行和建造成本低的緊湊型焚燒技術(shù)，整體設(shè)計(jì)思路如下：

(1)裝置模塊化和緊湊式布置

通過設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計(jì)和布置，提高設(shè)備布置空間利用率，減少占地面積。將分體式設(shè)備集成為若干模塊化的裝置，用戶可作為設(shè)備采購并管理，安裝于現(xiàn)有廠房，同時將排放煙氣并入現(xiàn)有排放口，在基本不影響現(xiàn)有排放口排放指標(biāo)的前提下，降低了建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)降低操作強(qiáng)度

對核燃料循環(huán)設(shè)施、核電廠及科研單位實(shí)際產(chǎn)生的低放可燃固體廢物進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)單位產(chǎn)生的廢物平均活度濃度低于104Bq/kg，90%以上不超過105Bq/kg，主要是β/γ污染。為此將緊湊式焚燒技術(shù)處理的廢物源項(xiàng)限定為活度濃度不超過105Bq/kg。盡管廢物的接收要求降低，但基本上不影響實(shí)際廢物的接收，然而卻降低了人員操作時繁雜的防護(hù)要求，從而簡化廢物預(yù)處理工藝和操作難度。

(3)優(yōu)化焚燒工藝

通過改進(jìn)焚燒工藝，降低焚燒爐預(yù)熱時間，提高有效運(yùn)行時間，從而滿足白天運(yùn)行、夜晚停車的運(yùn)行方式。將運(yùn)行人員由5～6班/天減少到1班/天，從而減少人員配備，降低運(yùn)行成本。

(4)降低給排水配套條件要求

常規(guī)焚燒裝置不僅需要大量的生產(chǎn)用水，同時還會產(chǎn)生一定量的工藝廢水作為放射性廢液送往外部已有的廢水處理設(shè)施處理，對給水和排水配套條件有一定的要求[6]。而緊湊型焚燒裝置安裝于已有廠房，一般情況下給排水條件難以滿足要求。因此，需要通過簡化煙氣冷卻工藝和煙氣凈化工藝，以減少生產(chǎn)用水使用量和避免產(chǎn)生放射性廢液，同時減少工藝設(shè)備的數(shù)量，有利于實(shí)現(xiàn)整體裝置的小型化。

2 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)焚燒工藝，開展工藝研究和實(shí)驗(yàn)研制，形成緊湊式低放固體廢物焚燒技術(shù)工藝，如圖1所示。

圖1 緊湊式低放固體廢物焚燒工藝

2.1 廢物預(yù)處理工藝

常規(guī)焚燒裝置廢物預(yù)處理工藝為“廢物取出→分揀→破碎→再包裝→加料”，目的是將廢物中所夾帶的不可燃廢物分揀出來，并對大尺寸的廢物進(jìn)行破碎和再包裝，以滿足焚燒爐接收要求，整個過程主要在密閉的手套箱內(nèi)通過手套隔離操作。

緊湊型焚燒裝置設(shè)計(jì)時，為了實(shí)現(xiàn)焚燒裝置的小型化和節(jié)約建設(shè)占地需要，將廢物預(yù)處理工作與焚燒裝置分開。在廢物產(chǎn)生的源頭，通過分類收集和包裝來實(shí)現(xiàn)，在焚燒裝置上只考慮廢物的加料過程。由于所處理的廢物放射性活度濃度不超過105Bq/kg，輻射防護(hù)要求降低，必要的情況下設(shè)置通風(fēng)柜代替手套箱完成相應(yīng)操作，從而降低了工作人員勞動強(qiáng)度，提高了效率。

為減少加料裝置的占地，有效利用空間，廢物加料裝置采用移動式設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要隨時對接和移開。如圖2所示，加料裝置采用電動上下往復(fù)料斗輸送設(shè)備，固定有多個接料板用于放置廢物袋，遙控操作每次自動將1袋廢物送入熱解爐進(jìn)料閥中，從而減少人員的操作頻率和時間，增加操作距離。此外，焚燒裝置的進(jìn)料口的設(shè)置由爐體頂部改為側(cè)面，有利于降低設(shè)備高度，從而降低設(shè)備布置所需的廠房高度和空間。

圖2 廢物加料裝置

2.2 焚燒工藝

廢物進(jìn)入熱解爐后受熱分解生成熱解焦和熱解氣。熱解焦與爐排下方送入的一次空氣中的氧反應(yīng)而燒掉，放出的燃燒熱通過對流及傳導(dǎo)方式，供上面的物料預(yù)熱和熱解之需，燒燼的灰通過爐排落入排灰系統(tǒng)。熱解氣由熱解爐上部進(jìn)入小爐膛與助燃風(fēng)充分混合燃燒溫度達(dá)到850 ℃，然后進(jìn)入燃燒爐進(jìn)一步燃燒，燃燒爐溫度控制在850 ℃～1 000 ℃左右。

本焚燒工藝結(jié)合了控制空氣焚燒和熱解焚燒的特點(diǎn)，將焚燒過程由“熱解→預(yù)混→燃燒”改為“熱解→燃燒→再燃燒”，在熱解爐和燃燒爐之間設(shè)置小爐膛代替熱解氣和助燃空氣的混合環(huán)節(jié)，同時在熱解爐和小爐膛連接處設(shè)置燃燒器并加入助燃風(fēng)。由于小爐膛熱容量小，可以很快達(dá)到預(yù)熱溫度，縮短了燃燒爐的整體預(yù)熱時間，一般使用柴油預(yù)熱2 h后即可投入物料焚燒。

為便于安裝及布置，焚燒爐采用模塊化設(shè)計(jì)，將熱解爐、小爐膛和燃燒爐集成為一個整體單元，共用一套支架平臺，形成焚燒模塊，如圖3所示。同時將常規(guī)焚燒爐的頂部攪拌改為中部攪拌。采用該設(shè)計(jì)后，焚燒裝置高度降為常規(guī)焚燒爐的一半，支撐平臺由三層降低為一層，占地面積減少了1/2。

圖3 焚燒模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 煙氣冷卻工藝

采用“水冷換熱→空冷換熱”的冷卻工藝。通過水冷換熱器利用冷卻水間接換熱將煙氣冷卻至300 ℃，然后通過空冷器利用環(huán)境空氣間接換熱將煙氣冷卻至180 ℃，同時環(huán)境空氣由室溫被加熱至100 ℃～200 ℃作為助燃風(fēng)送入燃燒爐。與常規(guī)焚燒爐所采用“噴水急冷+混風(fēng)冷卻”尾氣凈化工藝相比，本工藝不在煙氣中加入冷卻水和冷卻風(fēng)，從而降低了煙氣含水量和煙氣總量，也避免了冷凝水的析出形成工藝廢水。

水冷換熱器根據(jù)設(shè)備布置的空間需要設(shè)計(jì)成 長而扁的造型，緊貼焚燒爐和袋濾器布置，同時考慮飛灰的沉積、清理及檢修?？绽淦髟O(shè)計(jì)為沿?zé)煔夤艿啦贾?，直接連接袋濾器和水冷換熱器，不專設(shè)支架和管道，利用設(shè)備自身強(qiáng)度進(jìn)行支撐和連接，從而減少了設(shè)備布置空間。

2.4 煙氣凈化工藝

與常規(guī)焚燒裝置采用的干濕結(jié)合法煙氣凈化工藝相比，本工藝采用干法吸收工藝，避免了放射性廢液的產(chǎn)生，同時減少了設(shè)備數(shù)量。袋濾器濾袋選用了柱狀折疊式結(jié)構(gòu)，占地只有常規(guī)焚燒裝置中袋濾器的1/4，高度降低了1/2。高溫高效過濾器、活性炭吸附器和酸氣吸收器通過直連減少管道的使用，共用一套平臺支架，形成煙氣凈化模塊，從而減少占地面積。

2.5 排灰工藝

焚燒灰主要積累在熱解爐和袋濾器的底部，常規(guī)焚燒裝置需要分別設(shè)置兩套排灰裝置。本裝置將焚燒爐排灰與袋濾器排灰合二為一，設(shè)置一個排灰點(diǎn)在一處集中操作，并通過自動聯(lián)鎖控制保證排灰過程的安全與密封。此外，將排灰裝置設(shè)置于地坑內(nèi)，降低了房間高度的同時，也利于控制焚燒灰的擴(kuò)散。

如圖4所示，排灰裝置由電動螺桿升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動將灰桶升起與爐底密封對接進(jìn)行排灰，排灰結(jié)束后關(guān)閉排灰翻板將灰桶落下，通過水平移動將灰桶移至升起工位，封蓋后啟動提升架將灰桶從地坑中升起，移出密封箱完成排灰操作。同時袋濾器捕集的飛灰通過袋濾器排灰裝置也排至灰桶中一并裝桶移出。

圖4 排灰裝置示意圖

3 輻射安全設(shè)計(jì)[7]

3.1 工作人員劑量估算

緊湊式焚燒裝置主要用于處理核電廢物、科研和核設(shè)施輕度污染的可燃廢物。為了實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，對輻射防護(hù)措施進(jìn)行了一定的簡化，主要考慮外照輻射防護(hù)，不適用于內(nèi)照射要求較高的場合。工作人員的操作主要是從廢物桶中取出廢物、廢物打包、焚燒灰裝桶、廢物桶和灰桶的搬運(yùn)。廢物包重約5 kg/包，廢物桶內(nèi)廢物重約50 kg/桶，廢物焚燒后減重比按15計(jì)算，每桶焚燒灰重約50 kg。假設(shè)廢物的活度濃度為105Bq/kg，主要核素為60Co，利用MCNP5估算工作人員受到的輻射劑量，結(jié)果列于表1。根據(jù)計(jì)算，排灰和灰桶搬運(yùn)過程中工作人員受到的劑量率最高,大約為0.20 mSv/h，若按每天運(yùn)行8 h，年運(yùn)行200 d計(jì)算，最大年個人劑量為1.41 mSv, 遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的職業(yè)人員20 mSv的年劑量限值和6 mSv的優(yōu)化值，正常運(yùn)行情況下，輻射安全性能夠得到保證。

表1 操作人員劑量估算

3.2 放射性物質(zhì)的凈化

放射性廢物焚燒后，絕大部分放射性物質(zhì)以固態(tài)化合物的形態(tài)存在，最終殘留在焚燒灰中，一少部分隨煙塵等細(xì)小顆粒物進(jìn)入煙氣，在煙氣凈化系統(tǒng)中被捕集。本裝置采取的凈化工藝延用國內(nèi)已建的常規(guī)放射性廢物焚燒爐所采取的工藝：袋濾器+高效過濾器。袋濾器用于去除煙氣中所含的較大顆粒物，過濾材料及袋濾器的過濾原理與常規(guī)焚燒爐完全相同。對于更細(xì)小的顆粒物，如放射性氣溶膠采用高效過濾器過濾，對于0.3 μm的粒子的過濾效率為99.97%。

該工藝可以在放射性廢物活度濃度不高于3.7×106Bq/kg時，可確保放射性物質(zhì)的有效凈化，已應(yīng)用于國內(nèi)已建的3座常規(guī)放射性廢物焚燒設(shè)施。根據(jù)環(huán)境影響評價結(jié)果及生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)測值，均能滿足凈化要求。本裝置處理的放射性固體廢物活度濃度不超過1×105Bq/kg，遠(yuǎn)低于常規(guī)焚燒爐的3.7×106Bq/kg，排放煙氣中放射性活度濃度更低。因此，該工藝可以確保排放煙氣中放射性物質(zhì)含量處于環(huán)境可接受范圍內(nèi)。

3.3 事故應(yīng)急

緊湊型焚燒裝置設(shè)置事故應(yīng)急系統(tǒng)，由應(yīng)急排放閥、應(yīng)急高效過濾器、應(yīng)急水箱和應(yīng)急電源組成，可實(shí)現(xiàn)停電、停水、非正常工況的應(yīng)急排放與停爐。應(yīng)急排空閥用于應(yīng)急狀態(tài)下將煙氣從焚燒爐直接排出，避免焚燒煙氣封閉在焚燒爐內(nèi)造成事故；應(yīng)急高效過濾器是為了防止從焚燒爐排出的煙氣中放射性顆粒物向環(huán)境釋放造成影響；應(yīng)急水箱是為了確保停水事故下保持對焚燒爐的冷卻；應(yīng)急電源用于停電時為儀表控制系統(tǒng)供電，確保對焚燒系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

中國輻射防護(hù)研究院在其周邊的榆次廢物庫建立了放射性廢物焚燒站(簡稱榆次庫焚燒裝置)，采用了緊湊式低放固體廢物焚燒裝置，如圖5所示。該設(shè)施為單層建筑，層高5 m，長15.9 m，寬5.4 m，占地86 m2，由焚燒大廳、廢物暫存間、風(fēng)機(jī)房、配電及控制室組成。從輻射防護(hù)的角度，廠房采用分區(qū)布置，焚燒系統(tǒng)、煙氣冷卻凈化系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(除散熱器外)布置于焚燒大廳內(nèi)，送排風(fēng)系統(tǒng)和壓空系統(tǒng)布置于風(fēng)機(jī)房中，電氣及儀表控制系統(tǒng)布置于控制室內(nèi)。

圖5 緊湊型焚燒裝置部分設(shè)備

該裝置主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：

(1)廢物組成: 工作服、擦拭物、工作鞋、口罩、鞋套、塑料布等。

(2)處理能力: 20～25 kg/h。

(3)減容比(廢物容積/焚燒灰容積)≥40。

(4)煙氣中主要污染物含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2001)[8]要求。

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

榆次庫焚燒裝置建立后，通過模擬試驗(yàn)確定合理工藝參數(shù)，驗(yàn)證各系統(tǒng)、設(shè)備性能和安全性。驗(yàn)證試驗(yàn)包括25 h、100 h 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。模擬物料主要由棉織物、化纖織物、塑料組成。

4.1.1試驗(yàn)內(nèi)容

驗(yàn)證試驗(yàn)包括25 h、100 h 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。期間主要進(jìn)行主要性能技術(shù)指標(biāo)的測定(處理能力、減容比、減重比等)及污染物監(jiān)測。

(1)25 h 模擬固體廢物焚燒試驗(yàn)

燃燒爐溫度穩(wěn)定在850 ℃左右時，向一燃室投入2 ～ 3個廢物包(5 kg/包)。一燃室點(diǎn)火后，每間隔20 min 左右，向一燃室內(nèi)加入一個料包。整個過程中，對焚燒系統(tǒng)功能及工藝參數(shù)進(jìn)行初步調(diào)試，確定最佳工藝操作參數(shù)。

(2)100 h 模擬固體廢物焚燒連續(xù)運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)

在25 h 試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對整個系統(tǒng)性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，通過工藝參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，對各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

4.1.2試驗(yàn)結(jié)果

焚燒系統(tǒng)點(diǎn)火裝置操作方便、安全可靠;加料裝置、排灰裝置設(shè)計(jì)合理，操作簡單、可靠; 熱解爐、燃燒爐運(yùn)行平穩(wěn);燃燒充分，火焰清澈透明; 煙氣冷卻系統(tǒng)及煙氣凈化系統(tǒng)工藝可行、設(shè)備可靠，無工藝廢水產(chǎn)生。

25 h、100 h 模擬固體廢物連續(xù)試驗(yàn)的主要性能測試結(jié)果列于表2、表3。結(jié)果表明: 廢物處理能力、減容系數(shù)、減重系數(shù)等主要技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，排放煙氣的主要污染物能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2001)[8]的要求。結(jié)果證明，在焚燒設(shè)施實(shí)現(xiàn)小型化后，技術(shù)指標(biāo)和排放滿足要求，運(yùn)行平穩(wěn)。

表2 廢物焚燒試驗(yàn)結(jié)果

表3 焚燒尾氣污染物排放測定結(jié)果

4.2 與常規(guī)焚燒設(shè)施比較

榆次廢物庫放射性廢物焚燒設(shè)施與已建某常規(guī)放射性廢物焚燒設(shè)施對比列于表4。緊湊型焚燒裝置在占地面積、能耗、建造成本及運(yùn)行人員數(shù)量等方面大幅降低，同時大大降低了給排水、用電、通排風(fēng)等配套條件的要求，有利于設(shè)施的建造和運(yùn)行。目前該設(shè)施已實(shí)際應(yīng)用于中輻院榆次廢物庫放射性廢物的處理。

表4 榆次庫焚燒設(shè)施與某常規(guī)焚燒設(shè)施對比

5 結(jié)論

根據(jù)常規(guī)焚燒設(shè)施建造和運(yùn)行成本高的問題，按照廢物產(chǎn)生量較少的單位的廢物特征，進(jìn)行針對性的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備研制，開發(fā)的緊湊式低放可燃固體廢物焚燒技術(shù)，能較好地滿足輻射防護(hù)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，在處理能力相當(dāng)?shù)那闆r下，裝置實(shí)現(xiàn)了占地、能耗、建造成本、運(yùn)行人員的大幅減少，提高了運(yùn)行方式的靈活性，降低了建造及運(yùn)行配套條件要求。通過利用現(xiàn)有廠房以及現(xiàn)有排放口，可降低設(shè)施的立項(xiàng)和監(jiān)管難度，從而解決了國內(nèi)廢物產(chǎn)生量較少單位的廢物焚燒處理難題，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。