紧凑式低放固体废物焚烧工艺装置设计及验证

郑博文，徐 卫，褚浩然，李晓海，杨利国，张晓斌，杨丽莉

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

核工业产生的放射性废物中可燃废物占较大比例，焚烧后转化为无机物，所含放射性核素大部分集中于焚烧灰，其体积只有原始废物的几十分之一，从而大幅降低了废物的贮存、运输和最终处置的费用。因此，焚烧成为处理放射性可燃废物的主要技术之一,在世界范围内广泛应用[1]。

中国辐射防护研究院(以下简称中辐院)已成功开发了放射性废物热解焚烧技术，在我国已建成3座放射性废物焚烧设施[2-4]，并于2017年出口到巴基斯坦，实现了我国核环保工程技术领域的重要突破。常规放射性废物焚烧设施占地面积大，建造和运行成本高，一般建于废物产生量较大的大型核基地，而对于废物产生量较少的核设施、军事、科研及核技术应用等单位，尽管有迫切需求却难以承受。另外，公众对废物焚烧具有一定的忧虑情绪，地方政府对焚烧项目的立项和环保监管非常谨慎，监管要求和程序非常严格，导致核电厂等民用核设施对建设焚烧设施的态度并不积极。为适应现实需求，针对废物产生量较少的单位的废物特征和运行方式，中国辐射防护研究院在原有热解焚烧技术的基础上进一步开发了紧凑式低放固体废物焚烧技术[5]，大幅降低了建造规模和成本，提高了运行方式的灵活性。

1 设计思路

常规放射性废物焚烧设施占地面积大、建造和运行成本高。以国内某放射性废物焚烧设施为例，固体废物处理能力25 kg/h，厂房共4层总高16 m，占地面积约1 300 m2，建筑面积约2 400 m2。该设施作为独立设施运行和管理,每天24小时连续运行，每年运行200天，生产班制一般为五班编制四班倒，每班工作6小时,生产、维护及管理人员约50名左右。该设施每年可处理固体废物120 t。而对于军事、科研及核技术应用单位，每年可燃放射性废物产生量一般只有几吨到十几吨，放射性活度浓度较低，一般不超过105Bq/kg，无法承担常规焚烧设施的建设和运行负担。为此，中辐院开展针对性的研究，在满足国家环保标准要求的前提下，开发具有建设标准要求低、占地面积小、运行和建造成本低的紧凑型焚烧技术，整体设计思路如下：

(1)装置模块化和紧凑式布置

通过设备结构紧凑化设计和布置，提高设备布置空间利用率，减少占地面积。将分体式设备集成为若干模块化的装置，用户可作为设备采购并管理，安装于现有厂房，同时将排放烟气并入现有排放口，在基本不影响现有排放口排放指标的前提下，降低了建设标准要求。

(2)降低操作强度

对核燃料循环设施、核电厂及科研单位实际产生的低放可燃固体废物进行调研，发现大多数单位产生的废物平均活度浓度低于104Bq/kg，90%以上不超过105Bq/kg，主要是β/γ污染。为此将紧凑式焚烧技术处理的废物源项限定为活度浓度不超过105Bq/kg。尽管废物的接收要求降低，但基本上不影响实际废物的接收，然而却降低了人员操作时繁杂的防护要求，从而简化废物预处理工艺和操作难度。

(3)优化焚烧工艺

通过改进焚烧工艺，降低焚烧炉预热时间，提高有效运行时间，从而满足白天运行、夜晚停车的运行方式。将运行人员由5～6班/天减少到1班/天，从而减少人员配备，降低运行成本。

(4)降低给排水配套条件要求

常规焚烧装置不仅需要大量的生产用水，同时还会产生一定量的工艺废水作为放射性废液送往外部已有的废水处理设施处理，对给水和排水配套条件有一定的要求[6]。而紧凑型焚烧装置安装于已有厂房，一般情况下给排水条件难以满足要求。因此，需要通过简化烟气冷却工艺和烟气净化工艺，以减少生产用水使用量和避免产生放射性废液，同时减少工艺设备的数量，有利于实现整体装置的小型化。

2 工艺设计

根据以上设计思路，结合现有常规焚烧工艺，开展工艺研究和实验研制，形成紧凑式低放固体废物焚烧技术工艺，如图1所示。

图1 紧凑式低放固体废物焚烧工艺

2.1 废物预处理工艺

常规焚烧装置废物预处理工艺为“废物取出→分拣→破碎→再包装→加料”，目的是将废物中所夹带的不可燃废物分拣出来，并对大尺寸的废物进行破碎和再包装，以满足焚烧炉接收要求，整个过程主要在密闭的手套箱内通过手套隔离操作。

紧凑型焚烧装置设计时，为了实现焚烧装置的小型化和节约建设占地需要，将废物预处理工作与焚烧装置分开。在废物产生的源头，通过分类收集和包装来实现，在焚烧装置上只考虑废物的加料过程。由于所处理的废物放射性活度浓度不超过105Bq/kg，辐射防护要求降低，必要的情况下设置通风柜代替手套箱完成相应操作，从而降低了工作人员劳动强度，提高了效率。

为减少加料装置的占地，有效利用空间，废物加料装置采用移动式设计，可根据需要随时对接和移开。如图2所示，加料装置采用电动上下往复料斗输送设备，固定有多个接料板用于放置废物袋，遥控操作每次自动将1袋废物送入热解炉进料阀中，从而减少人员的操作频率和时间，增加操作距离。此外，焚烧装置的进料口的设置由炉体顶部改为侧面，有利于降低设备高度，从而降低设备布置所需的厂房高度和空间。

图2 废物加料装置

2.2 焚烧工艺

废物进入热解炉后受热分解生成热解焦和热解气。热解焦与炉排下方送入的一次空气中的氧反应而烧掉，放出的燃烧热通过对流及传导方式，供上面的物料预热和热解之需，烧烬的灰通过炉排落入排灰系统。热解气由热解炉上部进入小炉膛与助燃风充分混合燃烧温度达到850 ℃，然后进入燃烧炉进一步燃烧，燃烧炉温度控制在850 ℃～1 000 ℃左右。

本焚烧工艺结合了控制空气焚烧和热解焚烧的特点，将焚烧过程由“热解→预混→燃烧”改为“热解→燃烧→再燃烧”，在热解炉和燃烧炉之间设置小炉膛代替热解气和助燃空气的混合环节，同时在热解炉和小炉膛连接处设置燃烧器并加入助燃风。由于小炉膛热容量小，可以很快达到预热温度，缩短了燃烧炉的整体预热时间，一般使用柴油预热2 h后即可投入物料焚烧。

为便于安装及布置，焚烧炉采用模块化设计，将热解炉、小炉膛和燃烧炉集成为一个整体单元，共用一套支架平台，形成焚烧模块，如图3所示。同时将常规焚烧炉的顶部搅拌改为中部搅拌。采用该设计后，焚烧装置高度降为常规焚烧炉的一半，支撑平台由三层降低为一层，占地面积减少了1/2。

图3 焚烧模块结构示意图

2.3 烟气冷却工艺

采用“水冷换热→空冷换热”的冷却工艺。通过水冷换热器利用冷却水间接换热将烟气冷却至300 ℃，然后通过空冷器利用环境空气间接换热将烟气冷却至180 ℃，同时环境空气由室温被加热至100 ℃～200 ℃作为助燃风送入燃烧炉。与常规焚烧炉所采用“喷水急冷+混风冷却”尾气净化工艺相比，本工艺不在烟气中加入冷却水和冷却风，从而降低了烟气含水量和烟气总量，也避免了冷凝水的析出形成工艺废水。

水冷换热器根据设备布置的空间需要设计成 长而扁的造型，紧贴焚烧炉和袋滤器布置，同时考虑飞灰的沉积、清理及检修。空冷器设计为沿烟气管道布置，直接连接袋滤器和水冷换热器，不专设支架和管道，利用设备自身强度进行支撑和连接，从而减少了设备布置空间。

2.4 烟气净化工艺

与常规焚烧装置采用的干湿结合法烟气净化工艺相比，本工艺采用干法吸收工艺，避免了放射性废液的产生，同时减少了设备数量。袋滤器滤袋选用了柱状折叠式结构，占地只有常规焚烧装置中袋滤器的1/4，高度降低了1/2。高温高效过滤器、活性炭吸附器和酸气吸收器通过直连减少管道的使用，共用一套平台支架，形成烟气净化模块，从而减少占地面积。

2.5 排灰工艺

焚烧灰主要积累在热解炉和袋滤器的底部，常规焚烧装置需要分别设置两套排灰装置。本装置将焚烧炉排灰与袋滤器排灰合二为一，设置一个排灰点在一处集中操作，并通过自动联锁控制保证排灰过程的安全与密封。此外，将排灰装置设置于地坑内，降低了房间高度的同时，也利于控制焚烧灰的扩散。

如图4所示，排灰装置由电动螺杆升降机构驱动将灰桶升起与炉底密封对接进行排灰，排灰结束后关闭排灰翻板将灰桶落下，通过水平移动将灰桶移至升起工位，封盖后启动提升架将灰桶从地坑中升起，移出密封箱完成排灰操作。同时袋滤器捕集的飞灰通过袋滤器排灰装置也排至灰桶中一并装桶移出。

图4 排灰装置示意图

3 辐射安全设计[7]

3.1 工作人员剂量估算

紧凑式焚烧装置主要用于处理核电废物、科研和核设施轻度污染的可燃废物。为了实现装置的小型化，对辐射防护措施进行了一定的简化，主要考虑外照辐射防护，不适用于内照射要求较高的场合。工作人员的操作主要是从废物桶中取出废物、废物打包、焚烧灰装桶、废物桶和灰桶的搬运。废物包重约5 kg/包，废物桶内废物重约50 kg/桶，废物焚烧后减重比按15计算，每桶焚烧灰重约50 kg。假设废物的活度浓度为105Bq/kg，主要核素为60Co，利用MCNP5估算工作人员受到的辐射剂量，结果列于表1。根据计算，排灰和灰桶搬运过程中工作人员受到的剂量率最高,大约为0.20 mSv/h，若按每天运行8 h，年运行200 d计算，最大年个人剂量为1.41 mSv, 远低于国家标准规定的职业人员20 mSv的年剂量限值和6 mSv的优化值，正常运行情况下，辐射安全性能够得到保证。

表1 操作人员剂量估算

3.2 放射性物质的净化

放射性废物焚烧后，绝大部分放射性物质以固态化合物的形态存在，最终残留在焚烧灰中，一少部分随烟尘等细小颗粒物进入烟气，在烟气净化系统中被捕集。本装置采取的净化工艺延用国内已建的常规放射性废物焚烧炉所采取的工艺：袋滤器+高效过滤器。袋滤器用于去除烟气中所含的较大颗粒物，过滤材料及袋滤器的过滤原理与常规焚烧炉完全相同。对于更细小的颗粒物，如放射性气溶胶采用高效过滤器过滤，对于0.3 μm的粒子的过滤效率为99.97%。

该工艺可以在放射性废物活度浓度不高于3.7×106Bq/kg时，可确保放射性物质的有效净化，已应用于国内已建的3座常规放射性废物焚烧设施。根据环境影响评价结果及生产运行中的实测值，均能满足净化要求。本装置处理的放射性固体废物活度浓度不超过1×105Bq/kg，远低于常规焚烧炉的3.7×106Bq/kg，排放烟气中放射性活度浓度更低。因此，该工艺可以确保排放烟气中放射性物质含量处于环境可接受范围内。

3.3 事故应急

紧凑型焚烧装置设置事故应急系统，由应急排放阀、应急高效过滤器、应急水箱和应急电源组成，可实现停电、停水、非正常工况的应急排放与停炉。应急排空阀用于应急状态下将烟气从焚烧炉直接排出，避免焚烧烟气封闭在焚烧炉内造成事故；应急高效过滤器是为了防止从焚烧炉排出的烟气中放射性颗粒物向环境释放造成影响；应急水箱是为了确保停水事故下保持对焚烧炉的冷却；应急电源用于停电时为仪表控制系统供电，确保对焚烧系统状态的监控。

4 试验验证

中国辐射防护研究院在其周边的榆次废物库建立了放射性废物焚烧站(简称榆次库焚烧装置)，采用了紧凑式低放固体废物焚烧装置，如图5所示。该设施为单层建筑，层高5 m，长15.9 m，宽5.4 m，占地86 m2，由焚烧大厅、废物暂存间、风机房、配电及控制室组成。从辐射防护的角度，厂房采用分区布置，焚烧系统、烟气冷却净化系统、冷却水循环系统(除散热器外)布置于焚烧大厅内，送排风系统和压空系统布置于风机房中，电气及仪表控制系统布置于控制室内。

图5 紧凑型焚烧装置部分设备

该装置主要设计技术指标：

(1)废物组成: 工作服、擦拭物、工作鞋、口罩、鞋套、塑料布等。

(2)处理能力: 20～25 kg/h。

(3)减容比(废物容积/焚烧灰容积)≥40。

(4)烟气中主要污染物含量满足国家标准《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484—2001)[8]要求。

4.1 验证试验

榆次库焚烧装置建立后，通过模拟试验确定合理工艺参数，验证各系统、设备性能和安全性。验证试验包括25 h、100 h 连续运行试验。模拟物料主要由棉织物、化纤织物、塑料组成。

4.1.1试验内容

验证试验包括25 h、100 h 连续运行试验。期间主要进行主要性能技术指标的测定(处理能力、减容比、减重比等)及污染物监测。

(1)25 h 模拟固体废物焚烧试验

燃烧炉温度稳定在850 ℃左右时，向一燃室投入2 ～ 3个废物包(5 kg/包)。一燃室点火后，每间隔20 min 左右，向一燃室内加入一个料包。整个过程中，对焚烧系统功能及工艺参数进行初步调试，确定最佳工艺操作参数。

(2)100 h 模拟固体废物焚烧连续运行验证试验

在25 h 试验的基础上，对整个系统性能进行进一步验证，通过工艺参数的调整，实现系统平稳运行，对各项性能指标进行测试。

4.1.2试验结果

焚烧系统点火装置操作方便、安全可靠;加料装置、排灰装置设计合理，操作简单、可靠; 热解炉、燃烧炉运行平稳;燃烧充分，火焰清澈透明; 烟气冷却系统及烟气净化系统工艺可行、设备可靠，无工艺废水产生。

25 h、100 h 模拟固体废物连续试验的主要性能测试结果列于表2、表3。结果表明: 废物处理能力、减容系数、减重系数等主要技术指标均满足设计要求，排放烟气的主要污染物能够满足国家标准《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484—2001)[8]的要求。结果证明，在焚烧设施实现小型化后，技术指标和排放满足要求，运行平稳。

表2 废物焚烧试验结果

表3 焚烧尾气污染物排放测定结果

4.2 与常规焚烧设施比较

榆次废物库放射性废物焚烧设施与已建某常规放射性废物焚烧设施对比列于表4。紧凑型焚烧装置在占地面积、能耗、建造成本及运行人员数量等方面大幅降低，同时大大降低了给排水、用电、通排风等配套条件的要求，有利于设施的建造和运行。目前该设施已实际应用于中辐院榆次废物库放射性废物的处理。

表4 榆次库焚烧设施与某常规焚烧设施对比

5 结论

根据常规焚烧设施建造和运行成本高的问题，按照废物产生量较少的单位的废物特征，进行针对性的工艺设计和设备研制，开发的紧凑式低放可燃固体废物焚烧技术，能较好地满足辐射防护和国家标准规范的要求，在处理能力相当的情况下，装置实现了占地、能耗、建造成本、运行人员的大幅减少，提高了运行方式的灵活性，降低了建造及运行配套条件要求。通过利用现有厂房以及现有排放口，可降低设施的立项和监管难度，从而解决了国内废物产生量较少单位的废物焚烧处理难题，具有广阔的市场应用前景。