緊湊式低放固體廢物焚燒工藝裝置設計及驗證

鄭博文，徐 衛，褚浩然，李曉海，楊利國，張曉斌，楊麗莉

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

核工業產生的放射性廢物中可燃廢物占較大比例，焚燒后轉化為無機物，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、運輸和最終處置的費用。因此，焚燒成為處理放射性可燃廢物的主要技術之一,在世界范圍內廣泛應用[1]。

中國輻射防護研究院(以下簡稱中輻院)已成功開發了放射性廢物熱解焚燒技術，在我國已建成3座放射性廢物焚燒設施[2-4]，并于2017年出口到巴基斯坦，實現了我國核環保工程技術領域的重要突破。常規放射性廢物焚燒設施占地面積大，建造和運行成本高，一般建于廢物產生量較大的大型核基地，而對于廢物產生量較少的核設施、軍事、科研及核技術應用等單位，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，地方政府對焚燒項目的立項和環保監管非常謹慎，監管要求和程序非常嚴格，導致核電廠等民用核設施對建設焚燒設施的態度并不積極。為適應現實需求，針對廢物產生量較少的單位的廢物特征和運行方式，中國輻射防護研究院在原有熱解焚燒技術的基礎上進一步開發了緊湊式低放固體廢物焚燒技術[5]，大幅降低了建造規模和成本，提高了運行方式的靈活性。

1 設計思路

常規放射性廢物焚燒設施占地面積大、建造和運行成本高。以國內某放射性廢物焚燒設施為例，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。該設施作為獨立設施運行和管理,每天24小時連續運行，每年運行200天，生產班制一般為五班編制四班倒，每班工作6小時,生產、維護及管理人員約50名左右。該設施每年可處理固體廢物120 t。而對于軍事、科研及核技術應用單位，每年可燃放射性廢物產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，無法承擔常規焚燒設施的建設和運行負擔。為此，中輻院開展針對性的研究，在滿足國家環保標準要求的前提下，開發具有建設標準要求低、占地面積小、運行和建造成本低的緊湊型焚燒技術，整體設計思路如下：

(1)裝置模塊化和緊湊式布置

通過設備結構緊湊化設計和布置，提高設備布置空間利用率，減少占地面積。將分體式設備集成為若干模塊化的裝置，用戶可作為設備采購并管理，安裝于現有廠房，同時將排放煙氣并入現有排放口，在基本不影響現有排放口排放指標的前提下，降低了建設標準要求。

(2)降低操作強度

對核燃料循環設施、核電廠及科研單位實際產生的低放可燃固體廢物進行調研，發現大多數單位產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處理的廢物源項限定為活度濃度不超過105Bq/kg。盡管廢物的接收要求降低，但基本上不影響實際廢物的接收，然而卻降低了人員操作時繁雜的防護要求，從而簡化廢物預處理工藝和操作難度。

(3)優化焚燒工藝

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

(4)降低給排水配套條件要求

常規焚燒裝置不僅需要大量的生產用水，同時還會產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，以減少生產用水使用量和避免產生放射性廢液，同時減少工藝設備的數量，有利于實現整體裝置的小型化。

2 工藝設計

根據以上設計思路，結合現有常規焚燒工藝，開展工藝研究和實驗研制，形成緊湊式低放固體廢物焚燒技術工藝，如圖1所示。

圖1 緊湊式低放固體廢物焚燒工藝

2.1 廢物預處理工藝

常規焚燒裝置廢物預處理工藝為“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通過手套隔離操作。

緊湊型焚燒裝置設計時，為了實現焚燒裝置的小型化和節約建設占地需要，將廢物預處理工作與焚燒裝置分開。在廢物產生的源頭，通過分類收集和包裝來實現，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，輻射防護要求降低，必要的情況下設置通風柜代替手套箱完成相應操作，從而降低了工作人員勞動強度，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計，可根據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料斗輸送設備，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，焚燒裝置的進料口的設置由爐體頂部改為側面，有利于降低設備高度，從而降低設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而燒掉，放出的燃燒熱通過對流及傳導方式，供上面的物料預熱和熱解之需，燒燼的灰通過爐排落入排灰系統。熱解氣由熱解爐上部進入小爐膛與助燃風充分混合燃燒溫度達到850 ℃，然后進入燃燒爐進一步燃燒，燃燒爐溫度控制在850 ℃～1 000 ℃左右。

本焚燒工藝結合了控制空氣焚燒和熱解焚燒的特點，將焚燒過程由“熱解→預混→燃燒”改為“熱解→燃燒→再燃燒”，在熱解爐和燃燒爐之間設置小爐膛代替熱解氣和助燃空氣的混合環節，同時在熱解爐和小爐膛連接處設置燃燒器并加入助燃風。由于小爐膛熱容量小，可以很快達到預熱溫度，縮短了燃燒爐的整體預熱時間，一般使用柴油預熱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計，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。同時將常規焚燒爐的頂部攪拌改為中部攪拌。采用該設計后，焚燒裝置高度降為常規焚燒爐的一半，支撐平臺由三層降低為一層，占地面積減少了1/2。

圖3 焚燒模塊結構示意圖

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境空氣間接換熱將煙氣冷卻至180 ℃，同時環境空氣由室溫被加熱至100 ℃～200 ℃作為助燃風送入燃燒爐。與常規焚燒爐所采用“噴水急冷+混風冷卻”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，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。

水冷換熱器根據設備布置的空間需要設計成 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計為沿煙氣管道布置，直接連接袋濾器和水冷換熱器，不專設支架和管道，利用設備自身強度進行支撐和連接，從而減少了設備布置空間。

2.4 煙氣凈化工藝

與常規焚燒裝置采用的干濕結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生，同時減少了設備數量。袋濾器濾袋選用了柱狀折疊式結構，占地只有常規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，常規焚燒裝置需要分別設置兩套排灰裝置。本裝置將焚燒爐排灰與袋濾器排灰合二為一，設置一個排灰點在一處集中操作，并通過自動聯鎖控制保證排灰過程的安全與密封。此外，將排灰裝置設置于地坑內，降低了房間高度的同時，也利于控制焚燒灰的擴散。

如圖4所示，排灰裝置由電動螺桿升降機構驅動將灰桶升起與爐底密封對接進行排灰，排灰結束后關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 輻射安全設計[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、科研和核設施輕度污染的可燃廢物。為了實現裝置的小型化，對輻射防護措施進行了一定的簡化，主要考慮外照輻射防護，不適用于內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。廢物包重約5 kg/包，廢物桶內廢物重約50 kg/桶，廢物焚燒后減重比按15計算，每桶焚燒灰重約50 kg。假設廢物的活度濃度為105Bq/kg，主要核素為60Co，利用MCNP5估算工作人員受到的輻射劑量，結果列于表1。根據計算，排灰和灰桶搬運過程中工作人員受到的劑量率最高,大約為0.20 mSv/h，若按每天運行8 h，年運行200 d計算，最大年個人劑量為1.41 mSv, 遠低于國家標準規定的職業人員20 mSv的年劑量限值和6 mSv的優化值，正常運行情況下，輻射安全性能夠得到保證。

表1 操作人員劑量估算

3.2 放射性物質的凈化

放射性廢物焚燒后，絕大部分放射性物質以固態化合物的形態存在，最終殘留在焚燒灰中，一少部分隨煙塵等細小顆粒物進入煙氣，在煙氣凈化系統中被捕集。本裝置采取的凈化工藝延用國內已建的常規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焚燒爐完全相同。對于更細小的顆粒物，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，可確保放射性物質的有效凈化，已應用于國內已建的3座常規放射性廢物焚燒設施。根據環境影響評價結果及生產運行中的實測值，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，遠低于常規焚燒爐的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含量處于環境可接受范圍內。

3.3 事故應急

緊湊型焚燒裝置設置事故應急系統，由應急排放閥、應急高效過濾器、應急水箱和應急電源組成，可實現停電、停水、非正常工況的應急排放與停爐。應急排空閥用于應急狀態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造成事故；應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境釋放造成影響；應急水箱是為了確保停水事故下保持對焚燒爐的冷卻；應急電源用于停電時為儀表控制系統供電，確保對焚燒系統狀態的監控。

4 試驗驗證

中國輻射防護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、風機房、配電及控制室組成。從輻射防護的角度，廠房采用分區布置，焚燒系統、煙氣冷卻凈化系統、冷卻水循環系統(除散熱器外)布置于焚燒大廳內，送排風系統和壓空系統布置于風機房中，電氣及儀表控制系統布置于控制室內。

圖5 緊湊型焚燒裝置部分設備

該裝置主要設計技術指標：

(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準《危險廢物焚燒污染控制標準》(GB 18484—2001)[8]要求。

4.1 驗證試驗

榆次庫焚燒裝置建立后，通過模擬試驗確定合理工藝參數，驗證各系統、設備性能和安全性。驗證試驗包括25 h、100 h 連續運行試驗。模擬物料主要由棉織物、化纖織物、塑料組成。

4.1.1試驗內容

驗證試驗包括25 h、100 h 連續運行試驗。期間主要進行主要性能技術指標的測定(處理能力、減容比、減重比等)及污染物監測。

(1)25 h 模擬固體廢物焚燒試驗

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

(2)100 h 模擬固體廢物焚燒連續運行驗證試驗

在25 h 試驗的基礎上，對整個系統性能進行進一步驗證，通過工藝參數的調整，實現系統平穩運行，對各項性能指標進行測試。

4.1.2試驗結果

焚燒系統點火裝置操作方便、安全可靠;加料裝置、排灰裝置設計合理，操作簡單、可靠; 熱解爐、燃燒爐運行平穩;燃燒充分，火焰清澈透明; 煙氣冷卻系統及煙氣凈化系統工藝可行、設備可靠，無工藝廢水產生。

25 h、100 h 模擬固體廢物連續試驗的主要性能測試結果列于表2、表3。結果表明: 廢物處理能力、減容系數、減重系數等主要技術指標均滿足設計要求，排放煙氣的主要污染物能夠滿足國家標準《危險廢物焚燒污染控制標準》(GB 18484—2001)[8]的要求。結果證明，在焚燒設施實現小型化后，技術指標和排放滿足要求，運行平穩。

表2 廢物焚燒試驗結果

表3 焚燒尾氣污染物排放測定結果

4.2 與常規焚燒設施比較

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

表4 榆次庫焚燒設施與某常規焚燒設施對比

5 結論

根據常規焚燒設施建造和運行成本高的問題，按照廢物產生量較少的單位的廢物特征，進行針對性的工藝設計和設備研制，開發的緊湊式低放可燃固體廢物焚燒技術，能較好地滿足輻射防護和國家標準規范的要求，在處理能力相當的情況下，裝置實現了占地、能耗、建造成本、運行人員的大幅減少，提高了運行方式的靈活性，降低了建造及運行配套條件要求。通過利用現有廠房以及現有排放口，可降低設施的立項和監管難度，從而解決了國內廢物產生量較少單位的廢物焚燒處理難題，具有廣闊的市場應用前景。