放射性廢物焚燒技術的發展歷程和展望

鄭博文，唐 燦，楊麗莉，徐 衛，褚浩然，何小平，張 禹

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006；2.中國工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽 621900；3.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124)

核工業運行和退役過程中會產生一定量的放射性廢物，其中有機物占很大比例，如放射性工作場所廢棄的紙箱、記錄紙、塑料袋、木板等，去污和檢修時用于包裹設備和鋪設場地的塑料布、擦拭用到的棉紗和抹布等，工作人員的手套、防護服、帽子和口罩等，還有核設施退役產生的塑料和橡膠材質的管道、地板等，此外工藝線上也會產生一定量的廢樹脂和廢機油等。這些有機物存在霉變和著火等安全隱患，若直接處置長期穩定性無法得到保證，需要進行穩定化處理。放射性廢物處置庫選址困難、建造成本高、庫容有限，最終處置成本很高，因此，需要盡可能的減少處置所需的體積，以節約處置費用和庫容。根據這些有機物的可燃特性，焚燒成為其主要的處理手段，廢物經焚燒后絕大部分放射性核素集中于焚燒灰，焚燒灰的體積只有原始廢物的幾十分之一，大大降低了廢物的貯存、運輸和最終處置的費用；而且，有機物焚燒后轉化為無機物，變成惰性焚燒灰，穩定性和安全性得到提高，便于處置。因此，焚燒成為放射性廢物處理的主要手段之一，在世界范圍內得到廣泛使用。

1 放射性廢物焚燒技術的特點

與常規民用生活垃圾或者危險廢物焚燒相比，放射性廢物的焚燒處理更關注放射性核素的截留、焚燒過程的輻射安全、廢物的整體減容效果，在技術的關注點上有很大不同。

1.1 焚燒的處理能力較小

民用生活垃圾和危險廢物產生量巨大，焚燒設施的處理能力動輒幾千噸/天。相對而言，核工業產生的放射性廢物數量非常少，焚燒設施的處理能力不需要很大。以核電廠為例，每座核電機組產生的可燃廢物一般不超過15 t/a(約30 m3，密度按0.5 t/m3計)，即使有10座機組的大型核電基地，每年也不過產生150 t可燃廢物，若按照每年運行200 d，每天24小時連續運行，一座處理能力約30 kg/h左右的焚燒設施即可滿足要求。因此放射性廢物焚燒設施的處理能力一般不超過100 kg/h，世界上主要的放射性廢物焚燒設施的主要信息列于表1。

表1 世界范圍內典型的放射性廢物焚燒設施[1]

1.2 輻射安全是關注的重點

放射性廢物焚燒設施的處理對象一般為低水平放射性廢物，屬于放射性操作場所，其設計要求與普通放射性工藝廠房無異，無論是設備的密封、放射性物質的屏蔽與隔離，還是個人防護要求均非常嚴格。放射性廢物焚燒技術關注的重點在于放射性物質的包容和系統的輻射安全性。例如人員往往需要通過手套箱或通風柜進行操作，廢物的進出和殘渣的排出均需要利用專用工作箱確保其過程的密閉隔離，設備的檢修和更換也需要設置專用機構密閉操作，需要盡可能減少人員的操作強度和時間等。

1.3 減容效果是關鍵

放射性廢物經焚燒處理后，所含的放射性物質并不會隨著化學反應而消失，主要滯留在產物中，而最終產物的體積直接決定著未來的處置代價。一部分放射性物質焚燒后殘留在焚燒殘渣中，還有一部分進入焚燒尾氣，通過尾氣凈化系統捕集下來。由于尾氣中含有一定量的非放污染物，通常需要通過添加一定量的無機鹽來凈化吸收，這些無機鹽受到污染也會成為放射性廢物，同焚燒殘渣一起作為最終產物。因此對于焚燒的減容效果，不僅要考慮焚燒殘渣的量，還要考慮尾氣凈化產生的二次廢物的量。進入焚燒尾氣的放射性核素越多，尾氣凈化的代價越高，產生的二次廢物也越多，直接影響著焚燒的整體處理效果。因此，需要盡可能使放射性物質滯留在焚燒殘渣中，減少進入尾氣的比例，這也是放射性廢物焚燒技術發展的主要驅動力之一。此外，焚燒過程中要盡可能減少添加劑的加入量，因為絕大多數的添加劑屬于無機物，焚燒后成為焚燒殘渣的一部分會大幅增加焚燒殘渣的量。

2 焚燒技術的發展歷程[3]

國際上對放射性廢物焚燒技術的研究可追溯到20世紀40年代，到70年代中期世界上已經建造了40多座放射性廢物焚燒爐。中國輻射防護研究院(下文簡稱中輻院)在1974年成立了我國第一個焚燒技術實驗室開始相關技術的研究[2]。隨著各國對環境保護的重視，一方面對焚燒工藝提出更高的要求以滿足越來越嚴格的環保要求；另一方面隨著工業化的發展越來越多的人工合成材料代替了棉織物、木材等天然材料，塑料和橡膠制品在廢物中的比例越來越高，對焚燒技術的適應性提出更高要求；此外，為了提高焚燒過程核素的截留效果，新的焚燒工藝不斷開發出來，逐漸替代早期焚燒技術，放射性廢物焚燒處理技術的研究和應用不斷發展，到目前已發展到第三代。

2.1 第一代：過量空氣焚燒技術[4-6]

過量空氣焚燒技術在20世紀60、70年代開始應用，典型代表為德國Karlsruhe核研究中心HDB過量空氣焚燒爐，瑞典Studsvik焚燒爐、韓國富氧空氣焚燒爐(OEI)、日本JARI焚燒爐等。德國HDB過量空氣焚燒爐工藝流程如圖1所示，該技術反應機理與煤炭等化石燃料的焚燒非常相似，可燃廢物與空氣充分接觸直接在1 000 ℃高溫下實現焚燒。該技術工藝簡單，應用時間很長，積累了大量的實際應用經驗，在世界范圍內應用較廣。但由于廢物不同于燃料，尤其是塑料和橡膠等高分子聚合物直接焚燒不易燃燒完全，為了提高燃燒效果，后來通過增加燃燒室和通入純氧助燃等方式使燃燒過程得到一定程度的改進，但可接收的塑料橡膠的含量仍不超過30%。此外，1 000 ℃高溫下直接燃燒易導致Cs元素氣化發生揮發，在焚燒灰中的滯留率較差，尾氣凈化難度大，產生大量放射性廢液，不得不對廢液進行干燥處理，處理后的鹽分也作為焚燒殘渣的一部分，降低了廢物的整體減容效果。核工業早期廢物中所含塑料橡膠較少，問題還不突出，但隨著工業化進程的發展，塑料橡膠材料等高發分子材料的使用越來越多，問題越發突出，目前核設施產生的可燃放射性廢物中塑料橡膠占到50%以上。

圖1 德國HDB過量空氣焚燒技術工藝流程示意圖

2.2 第二代：控制空氣焚燒技術[7-9]

為克服過量空氣焚燒的缺點，在20世紀80—90年代，國際上開發出了控制空氣焚燒技術，其焚燒原理是廢物先與理論反應所需的空氣混合，在600～800 ℃溫度下進行燃燒，生成熱解和半氧化產物，隨后再將這些產物送入后燃室在1 000 ℃高溫下完成燃燒，從而一定程度上抑制了焦油、煙怠的生成，減少飛灰的挾帶，以改善高分子聚合物不易完全燃燒的缺點。典型代表是比利時CILVA焚燒爐、美國Los Alamos焚燒爐和ENVIKRAFT公司焚燒爐等。其中ENVIKRAFT控制空氣焚燒爐應用較廣，在法國、瑞典、比利時、美國、我國臺灣等相繼建成了多套焚燒設施。

2.3 第三代：裂解焚燒技術

盡管控制空氣焚燒技術一定程度上提高了對塑料橡膠成分的適應性，但仍跟不上現實需求，目前核設施產生的可燃放射性廢物中塑料橡膠含量已達到50%以上。為從根本上解決此問題，裂解焚燒技術應運而生，其原理是廢物先受熱發生裂解，生成殘渣和小分子物質(CO2、CO、CH4、H2、H2O等)，然后把小分子物質送入專門的燃燒室在1 000 ℃高溫下焚燒。該工藝將廢物轉化為可燃氣體在進行焚燒，有效的解決了高分子聚合物燃燒問題。裂解焚燒技術根據裂解機理的不同主要分為三類：熱解焚燒、蒸汽重整焚燒、等離子體焚燒。

3 第三代焚燒技術的發展及應用

第三代焚燒技術以裂解機理為核心，已不同于傳統意義上的焚燒，其反應的控制更像一個化工過程，對廢物特性要求也更具有針對性。

3.1 熱解焚燒[10-12]

國際上典型的熱解焚燒技術有中輻院固定床熱解焚燒技術、Studsvik桶內熱解技術、德國卵石床熱解技術、美國FBI流化床熱解焚燒技術、法國IRIS回轉窯熱解焚燒技術等。中輻院熱解焚燒原理如圖2所示，熱解焚燒技術將焚燒過程分為熱解、燃氣預混和燃燒三步進行，廢物先在缺氧環境熱分解生成熱解焦和熱解氣，熱解焦在熱解爐底部局部富氧環境下充分燃燒形成焚燒灰；熱解氣為含烷烴、CO、H2等的可燃氣體，從熱解爐引出后與預熱后的助燃空氣混合，然后再進入燃燒爐1 000 ℃下進行燃燒。熱解反應溫度在400～500 ℃，產生的熱解氣溫度僅為200～400 ℃，其較低的溫度能夠避免Cs等核素氣化進入熱解氣及尾氣系統。熱解過程中的廢物會根據反應階段形成穩定的成梯次的反應料層，焚燒灰處于最低層，不存在物料的翻動和氣流的強烈擾動，因此，熱解氣中載帶的焚燒灰很少，煙塵含量一般不超過600 mg/m3，不到過量空氣焚燒或富氧焚燒的十分之一，放射性核素在焚燒灰中的滯留比例較高，降低了進入煙氣中的量，可大大降低尾氣凈化難度。此外，由于熱解反應溫度較低，可以采用金屬材料加工制造，因此設備壽命很長，基本上終身無需進行內部爐膛的更換。熱解焚燒的主要優勢在于處理熱值較高的可燃的干有機廢物，可處理塑料橡膠含量超過50%的可燃固體廢物，也可以將廢樹脂添加在固體廢物中一并進行處理。熱解焚燒的缺點是無法處理不可燃物，也無法處理粒徑很小和熱值較低的廢物。

圖2 中輻院熱解焚燒工藝示意圖

3.2 蒸汽重整焚燒[13-16]

蒸汽重整技術的原理是有機物與600 ℃以上的過熱蒸汽發生反應分解為無機物，生成CO、H2等可燃氣體，廢物原料中所含的鹵磷酸及硫酸基團與廢物中的無機成分或添加劑反應形成無機鹽，有機氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氮被還原為氮氣，放射性核素與無機鹽和添加劑發生反應形成礦物質成為最終殘渣；廢物分解產生的可燃氣體由重整反應器引出后送入燃燒室內進行焚燒，最后再對焚燒尾氣進行凈化。與熱解焚燒和等離子焚燒相比，蒸汽重整的主要區別只在于廢物熱分解環節的工藝不一樣。蒸汽重整的優勢在于熱分解過程在還原氛圍中進行，對于處理硝酸鹽廢物具有較大優勢，同時反應溫度不超過750 ℃，Cs元素也不易揮發。蒸汽重整產生的最終產物為包容了放射性核素和其他污染成分的硅酸酸鹽礦化物，霞石是最基本的礦化物，將核素固定在晶體結構中，大大提高了核素的穩定性，這是蒸汽重整的重要特點。如圖3所示，蒸汽重整反應過程在流化床反應器中進行，這大大限制了其應用范圍，因為流化床反應器廢物組成、密度和形狀的均一性要求很高，否則很難形成穩定的流化態，因此難以適應組成較為復雜、密度和形狀大小不一的廢物，目前只在處理樹脂、廢液、硝酸鹽廢物等成分和形態很一致的特殊廢物得到成功應用，若用于處理如工作服、口罩、手套等常規干雜廢物，對廢物的預處理要求非常高，至今未能實現規模應用。蒸汽重整的另一個缺點是廢物的減容效果，由于流化床反應器需要大量的高嶺土、石英砂等無機鹽作為床層基料和添加劑，最終成為殘渣的一部分，盡管礦化反應可以很好的固定核素，但整體固定率并不理想，形成的殘渣仍為顆粒或粉末形態，仍需裝入HIC容器或者水泥固化，整體減容比大打折扣，對于廢樹脂的減容比一般不超過6。然而，低放廢物實行近地表處置，監管期只有300～500年，礦化物對核素的長期固定能力意義不大。因此，蒸汽重整技術更適合于處理硝酸鹽廢物、廢樹脂、廢液等組成和形狀密度均一的特殊廢物，尤其是對于活度較高的廢物可以很好實現核素的固定。

圖3 蒸汽重整流化床反應器示意圖

3.3 等離子體焚燒[17-19]

等離子體焚燒通過炙熱的等離子氣流傳遞能量至廢物，在高溫缺氧環境下將有機物分解為含CO、H2、CH4等可燃氣體的裂解氣，無機物和添加劑一起熔化形成玻璃體。裂解氣引出后送入燃燒爐內進行焚燒，再對焚燒尾氣進行凈化。具有代表性的有瑞士ZWILAG等離子焚燒技術、俄羅斯SIA RADON等離子體焚燒技術，日本JAEA等離子體減容技術等。我國西南物理研究院與中輻院、中國核動力研究院一起開展了相關技術研究，中廣核工程公司也開展了低放廢物等離子焚燒技術研究。通過等離子體炬產生的電弧來加熱廢物，反應區核心溫度高達5 000 ℃，可用于處理金屬、混凝土、不同種類的無機顆粒和有機廢物。處理過程中，通過向坩堝內加入玻璃形成劑，使產生的爐渣形成非常穩定的玻璃固化體，適合最終處置，尤其適合難處理的廢物和有特殊要求的廢物，如PCBs、石棉廢物等。

等離子體焚燒技術反應過程完全依靠外部能量輸入，建造成本高、能耗大，反應過程需要氮氣保護，由于不同有機物的成分和反應速率不一致，在處理有機物時反應性波動較大，能耗較高，爐膛壽命短，優勢并不明顯。其主要優勢體現在不可燃物的處理，如焚燒灰、石墨、保溫材料等，直接處理可燃有機廢物并不多。例如日本和韓國將常規焚燒和等離子體熔融相結合聯合運行，可燃有機物利用常規焚燒處理，產生的焚燒灰和其他不可燃物利用等離子熔融實現產物玻璃化，實現廢物的綜合處理。等離子體焚燒的另一個問題是核素揮發嚴重，由于反應區核心溫度高達5 000 ℃，核素容易氣化進入尾氣，給尾氣凈化帶來較大的難度，并導致二次廢物產生量較大。

3.4 三種技術特點比較及分析

同以往技術相比，以裂解為核心的第三代焚燒技術對廢物的適應性和對放射性核素的截留能力有了本質上的提升，技術特點的比較列于表2。任何技術有其優勢與局限性，熱解焚燒技術更適合處理防護用品、包裝物和擦拭物等干雜廢物，對不可燃物的適應性很差，技術上屬于傳統焚燒技術的延續和發展。蒸汽重整由于流化床的固有特點對廢物的組成和形狀的均一性要求很高，更適合處理樹脂、鹽類廢物等，對活度較高的廢物也可以很好地實現核素的固定。但若用于處理干雜廢物不僅需要非常復雜的預處理，而且完全依靠外部供熱，能耗很高，經濟性非常差。等離子焚燒也完全需要外部供熱，能耗很高，主要優勢在于不可燃物的處理，若直接處理可燃有機廢物則放射性核素揮發嚴重，尾氣凈化的難度很大。因此，三種技術類型均有其適合的應用場合和條件，對于焚燒技術的選擇，需要在整體處理效果和經濟性的前提下根據處理對象特點而定。

表2 裂解焚燒技術對比

4 放射性廢物焚燒技術的發展趨勢

放射性廢物焚燒技術作為最有效的廢物減容技術，一直是處理放射性廢物的主要手段之一，應用非常廣泛。經過多年的應用技術成熟度不斷提高，但為了滿足放射性廢物特性的變化、處理更多種類的廢物、提高廢物的整體處理效果，技術也在不斷革新和進步，整體上的發展趨勢主要有以下幾方面。

4.1 對塑料橡膠的高適應性

塑料、化纖及橡膠制品由于其優良的性能和低廉的價格使用范圍越來越廣。20世紀80年代核設施產生的可燃固體廢物中塑料橡膠含量一般不足20%，然而，時至今日，早已超過50%，以大亞灣核電站為例(見表3)，可燃廢物中塑料橡膠含量已高達65%。因此，放射性廢物焚燒技術需要適應這種變化才能滿足現實需求。如表4所列，放射性廢物的發展歷程也反應了這種發展趨勢，預計未來廢物中塑料橡膠制品的比例還會進一步升高，如何適應這種變化對焚燒技術提出了新的要求。

表3 大亞灣核電站可燃廢物的典型組成

表4 典型焚燒設施對放射性廢物的接收要求

4.2 一爐多用

早期的焚燒爐多為單一廢物類型焚燒爐，隨著焚燒技術的發展，可利用焚燒來處理的廢物種類越來越多，利用一座焚燒設施處理多種廢物成為技術發展的趨勢。例如早期HDB焚燒爐只能處理可燃固體廢物，后來逐漸可以兼容處理廢油、少量的廢TBP有機廢。Nukem球床焚燒爐由最初只能處理TBP有機廢液，逐漸擴大到處理廢樹脂。中輻院熱解焚燒爐由最初只能處理可燃固體廢物逐漸擴大到處理廢油、廢樹脂等。一爐多用可大大提高焚燒設施的利用率，提高經濟效益，降低廢物的處理成本。

4.3 排放污染物的控制

當前，隨著公眾環保意識的逐漸增強，二噁英及一些有害成分(酸性氣體和重金屬顆粒)的排放倍受關注。各國針對污染物排放制定了較為嚴格的排放標準，以避免Hg、二噁英類污染物對人類健康造成影響。為了滿足相應的環保要求，焚燒系統設計過程中，需考慮以下因素：(1)控制進料中易產生有害物的成分，如PVC(含Cl)，陰離子交換樹脂(含S，N)以及其它可能產生有害成分的廢物量。通常，國外PVC量控制在5%以下，樹脂根據不同的爐型也有相應的限制值。(2)對尾氣凈化系統不斷進行優化升級，早期焚燒系統多采用干法凈化，后期建設的焚燒爐凈化系統多為干濕法相結合的方式，為了滿足日趨嚴格的環境排放標準，尾氣凈化效率也須相應提高。

4.4 特種廢物的處理

對于一些特殊廢物，需根據其特性，開發相應的焚燒爐型。比如，對于塑料(含PVC)，焚燒爐設計中應考慮其易流化、易結渣、發煙重，且PVC還會產生腐蝕性的HCl氣體及二噁英類污染物等特性；對于樹脂，同樣需要考慮其易流化、結渣、產生腐蝕性的硫化物等特性；石墨須考慮其結構致密，難于燃燒等特性，開發循環流化床焚燒技術；α廢物焚燒須充分考慮屏蔽和密封性等問題。此外，根據不同焚燒技術的特點，進行擇優結合形成優勢互補，實現廢物綜合處理也是焚燒技術發展的趨勢，如等離子焚燒和常規焚燒相結合，既降低了處理成本，也實現了可燃廢物和不可燃廢物的兼容處理。

5 結語

放射性廢物焚燒技術在世界范圍內已有50年以上的研究和應用，同常規焚燒技術相比，放射性廢物焚燒技術更關注對放射性核素的截留效果、系統的輻射安全和對廢物的適應能力。隨著廢物特性的變化、環保要求的日益嚴格，技術也在不斷的革新和改進，以熱解、蒸汽重整和熱等離子為代表的第三代焚燒技術已成為當今主流，分別適用于不同的廢物類型和場合。放射性廢物的焚燒處理目的是實現廢物的穩定化和有效減容，從而降低最終處置的成本，對于焚燒技術的選擇一定要從廢物的具體特征出發，著眼于廢物的整體減容效果和經濟性，脫離經濟性而一味求新求異有違廢物減容處理的初衷。

未來放射性廢物焚燒技術的發展趨勢也是以經濟性為前提，在滿足環保要求的前提下，盡量提高廢物的整體減容效果，提高對廢物的適應能力和對多種廢物的兼容處理，此外針對特殊廢物開發針對性的焚燒技術也是重要的發展方向。