核廢石墨處理系統及方法與流程
2024-04-14 12:06:05
1.本發明涉及固廢處置技術領域，尤其涉及一種核廢石墨處理系統及方法。
背景技術：
2.高溫氣冷堆是指用氦氣作冷卻劑，出口溫度高的核反應堆，採用塗敷顆粒燃料。高溫氣冷堆具有熱效率高(40％～41％)，燃耗深，轉換比高等優點。石墨材料因其較高的中子慢化能力、低中子吸收截面、良好的耐輻照性能、低熱膨脹係數和高熱導率及高溫下優異的力學性能等諸多優點，因此應用高溫氣冷堆中作為慢化劑。
3.高溫氣冷堆運行過程中，由於燃料元件磨損、石墨構件膨脹收縮、氦氣流動摩擦等原因，將產生石墨粉塵。由於粉塵帶有高濃度輻射劑量，必須進行安全處置，但鑑於高溫氣冷堆技術整體應用並不廣泛，因此石墨粉塵的處理仍在研究之中。目前的石墨粉塵處理主要採用水泥固化技術，但水泥固化體緻密度較差，浸出率較高；固化後產品體積增大，減容效果不顯著，將顯著增加最終處置費用。另外，石墨作為高價值資源，若直接進行固化將造成資源浪費。
4.為了解決上述石墨粉塵處理的技術問題，亟需開發一種環保經濟的處理技術。
技術實現要素：
5.本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
6.為此，本發明的實施例提出一種環保經濟的核廢石墨處理系統。
7.本發明的實施例還提出一種採用上述核廢石墨處理系統的核廢石墨處理方法。
8.本發明實施例的核廢石墨處理系統包括：物料供應裝置、儲水裝置、氣化熔融反應裝置、冷凝裝置和燃氣儲存裝置，所述物料供應裝置與所述氣化熔融反應裝置相連以向所述氣化熔融反應裝置輸送低熔融溫度的物料，所述儲水裝置與所述氣化熔融反應裝置相連以向所述氣化熔融反應裝置輸送水，所述氣化熔融反應裝置用於利用水和物料反應並生成熔融體和氣化氣，所述氣化熔融反應裝置具有氣化氣輸出端，所述冷凝裝置具有氣化氣輸入端、冷凝水輸出端和燃氣輸出端，所述氣化氣輸出端與所述氣化氣輸入端相連，所述冷凝水輸出端與所述儲水裝置相連，所述燃氣輸出端與所述燃氣儲存裝置相連。
9.本發明實施例的核廢石墨處理系統，通過氣化熔融反應裝置將水和核廢石墨粉塵氣化處理以實現熔融固化，從而解決核廢石墨粉塵處置的問題。並且，通過氣化處理還可將部分核廢石墨粉塵轉化為可燃氣，從而實現核放廢物的資源化利用。
10.在一些實施例中，所述氣化熔融反應裝置包括氣化熔融爐和熔渣倉，所述氣化氣輸出端位於所述氣化熔融爐的頂部，所述氣化熔融爐的底部設有熔融體輸出端，所述熔融體輸出端與所述熔渣倉相連。
11.在一些實施例中，所述物料供應裝置包括：石墨粉塵倉、硼酸鹽倉和煤粉倉，所述石墨粉塵倉與所述氣化熔融爐相連以向所述氣化熔融爐輸送核廢石墨粉塵，所述硼酸鹽倉與所述氣化熔融爐相連以向所述氣化熔融爐輸送硼酸鹽，所述煤粉倉與所述氣化熔融爐相
連以向所述氣化熔融爐輸送煤粉。
12.在一些實施例中，輸送至所述氣化熔融爐的核廢石墨粉塵量與煤粉量之和為a，輸送至所述氣化熔融爐的硼酸鹽和水的量分別為b和c，且三者滿足關係式：a:b:c＝1:0.1:1.1。
13.在一些實施例中，所述儲水裝置包括儲水罐和水泵，所述儲水罐經所述水泵與所述氣化熔融爐相連。
14.在一些實施例中，所述儲水裝置還包括設在所述氣化熔融爐上的噴霧器，所述噴霧器的霧化出口位於所述氣化熔融爐內，所述水泵與所述噴霧器相連。
15.在一些實施例中，所述燃氣儲存裝置包括燃氣儲罐和增壓引風機，所述燃氣輸出端經所述增壓引風機與所述燃氣儲罐相連。
16.本發明實施例的核廢石墨處理方法，所述方法用於上述任一項實施例中所述的核廢石墨處理系統，所述方法包括：所述物料供應裝置將物料輸送至所述氣化熔融反應裝置內，所述儲水裝置將水輸送至所述氣化熔融反應裝置內，物料和水在所述氣化熔融反應裝置內高溫氣化並放熱熔融以生成熔融體和氣化氣；將氣化產生的氣化氣通過所述冷凝裝置冷卻形成凝結水和低溫氣化氣，凝結水輸送回儲水裝置，低溫氣化氣輸送至燃氣儲存裝置。
17.在一些實施例中，所述物料供應裝置輸送的物料包括核廢石墨粉塵、硼酸鹽和煤粉，硼酸鹽用於降低核廢石墨粉塵和煤粉的熔融溫度。
18.在一些實施例中，核廢石墨粉塵量與煤粉量之和為a，硼酸鹽和水的量分別為b和c，且三者滿足關係式：a:b:c＝1:0.1:1.1。
附圖說明
19.圖1是本發明實施例的核廢石墨處理系統的示意圖。
20.附圖標記：
21.物料供應裝置1、石墨粉塵倉101、硼酸鹽倉102、煤粉倉103、
22.儲水裝置2、儲水罐201、水泵202、噴霧器203、
23.氣化熔融反應裝置3、氣化熔融爐301、熔渣倉302、
24.冷凝裝置4、
25.燃氣儲存裝置5、燃氣儲罐501、增壓引風機502。
具體實施方式
26.下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
27.下面結合附圖描述本發明實施例的核廢石墨處理系統。
28.如圖1所示，本發明實施例的核廢石墨處理系統包括：物料供應裝置1、儲水裝置2、氣化熔融反應裝置3、冷凝裝置4和燃氣儲存裝置5。
29.物料供應裝置1與氣化熔融反應裝置3相連以向氣化熔融反應裝置3輸送低熔融溫度的物料，儲水裝置2與氣化熔融反應裝置3相連以向氣化熔融反應裝置3輸送水，氣化熔融反應裝置3用於利用水和物料反應並生成熔融體和氣化氣。氣化熔融反應裝置3具有氣化氣輸出端，冷凝裝置4具有氣化氣輸入端、冷凝水輸出端和燃氣輸出端。氣化氣輸出端與氣化
氣輸入端相連，冷凝水輸出端與儲水裝置2相連，燃氣輸出端與燃氣儲存裝置5相連。
30.可以理解的是，物料供應裝置1用於向氣化熔融反應裝置3輸送熔融溫度較低的核廢石墨粉塵，儲水裝置2用於向氣化熔融反應裝置3輸送水，水和核廢石墨粉塵在氣化熔融反應裝置3發生高溫氣化並放熱熔融，以生成熔融體和氣化氣。其中，主要反應原理為：c
x0hy0oz0
+c+h2o
→
co+co2+h2+c
x1hy1
。並且，低熔融溫度是為了促進核廢石墨粉塵形成熔融體，從而確保核廢完全固化，進而解決核廢石墨粉塵處置問題。
31.進一步地，氣化熔融反應裝置3內氣化產生的氣化氣依次經氣化氣輸出端和氣化氣輸入端進入冷凝裝置4內冷卻，冷卻形成凝結水和低溫氣化氣，凝結水重新輸送回儲水裝置2進行儲存和回用，低溫氣化氣則作為燃氣經燃氣輸出端輸送至燃氣儲存裝置5內進行儲存，從而實現將核廢石墨粉塵氣化處理後轉化為可燃氣，進而同步實現核放廢物的資源化利用。
32.因此，本發明實施例的核廢石墨處理系統，通過氣化熔融反應裝置3將水和核廢石墨粉塵氣化處理以實現熔融固化，從而解決核廢石墨粉塵處置的問題。並且，通過氣化處理還可將部分核廢石墨粉塵轉化為可燃氣，從而實現核放廢物的資源化利用。
33.在一些實施例中，如圖1所示，氣化熔融反應裝置3包括氣化熔融爐301和熔渣倉302，氣化氣輸出端位於氣化熔融爐301的頂部，氣化熔融爐301的底部設有熔融體輸出端，熔融體輸出端與熔渣倉302相連。
34.可以理解的是，氣化熔融爐301內產生的氣化氣經頂部的氣化氣輸出端排出，並輸送至冷凝裝置4。氣化熔融爐301內產生的熔融體經底部的熔融體輸出端排出，並輸送至熔渣倉302。
35.在一些實施例中，如圖1所示，物料供應裝置1包括：石墨粉塵倉101、硼酸鹽倉102和煤粉倉103。石墨粉塵倉101與氣化熔融爐301相連以向氣化熔融爐301輸送核廢石墨粉塵，硼酸鹽倉102與氣化熔融爐301相連以向氣化熔融爐301輸送硼酸鹽，煤粉倉103與氣化熔融爐301相連以向氣化熔融爐301輸送煤粉。
36.可以理解的是，石墨粉塵倉101用於儲存核廢石墨粉塵，硼酸鹽倉102用於儲存硼酸鹽，煤粉倉103用於儲存煤粉，在反應過程中，同時將核廢石墨粉塵、硼酸鹽和煤粉給入氣化熔融爐301內。
37.其中，硼酸鹽可降低灰分的熔融溫度，從而促進煤粉中灰分及未反應的石墨粉塵形成熔融體，確保核廢完成固化。並且，當核廢石墨粉塵量大時，可減少煤粉倉103給出的煤粉量；當核廢石墨粉塵量小時，可增加煤粉倉103給出的煤粉量。硼酸鹽和水的給入量保持穩定。
38.由此，本發明實施例的核廢石墨處理系統，通過配備硼酸鹽和煤粉作為氣化輔助材料，可保證氣化熔融爐301的溫度水平並確保固相產物熔融固化，提高系統的可靠性和穩定性。
39.具體地，輸送至氣化熔融爐301的核廢石墨粉塵量與煤粉量之和為a，輸送至氣化熔融爐301的硼酸鹽和水的量分別為b和c，且三者滿足關係式：a:b:c＝1:0.1:1.1。換言之，物料給入原則保持在(粉塵量+煤粉量)：硼酸鹽：水＝1:0.1:1.1。
40.在一些實施例中，如圖1所示，儲水裝置2包括儲水罐201和水泵202，儲水罐201經水泵202與氣化熔融爐301相連。
41.進一步地，如圖1所示，儲水裝置2還包括設在氣化熔融爐301上的噴霧器203，噴霧器203的霧化出口位於氣化熔融爐301內，水泵202與噴霧器203相連。
42.可以理解的是，儲存於儲水罐201內的水通過水泵202泵送至噴霧器203，然後經噴霧器203噴入氣化熔融爐301內，以使物料與水均勻混合。並且，冷凝裝置4排出的凝結水重新輸送回儲水罐201進行儲存和回用。
43.在一些實施例中，如圖1所示，燃氣儲存裝置5包括燃氣儲罐501和增壓引風機502，燃氣輸出端經增壓引風機502與燃氣儲罐501相連。冷凝裝置4排出的低溫氣化氣經增壓引風機502增壓後輸送至燃氣儲罐501進行儲存。
44.下面描述本發明實施例的核廢石墨處理方法。
45.本發明實施例的核廢石墨處理方法，該方法用於上述任一項實施例中的核廢石墨處理系統，該方法包括：物料供應裝置1將物料輸送至氣化熔融反應裝置3內，儲水裝置2將水輸送至氣化熔融反應裝置3內，物料和水在氣化熔融反應裝置3內高溫氣化並放熱熔融以生成熔融體和氣化氣。將氣化產生的氣化氣通過冷凝裝置4冷卻形成凝結水和低溫氣化氣，凝結水輸送回儲水裝置2，低溫氣化氣輸送至燃氣儲存裝置5。
46.進一步地，物料供應裝置1輸送的物料包括核廢石墨粉塵、硼酸鹽和煤粉，硼酸鹽用於降低核廢石墨粉塵和煤粉的熔融溫度。核廢石墨粉塵量與煤粉量之和為a，硼酸鹽和水的量分別為b和c，且三者滿足關係式：a:b:c＝1:0.1:1.1。
47.綜上，下面具體描述核廢石墨粉塵的固化處置方法。
48.石墨粉塵倉101、硼酸鹽倉102、煤粉倉103分別用於儲存核廢石墨粉塵、硼酸鹽和煤粉。
49.氣化熔融爐301處理核廢石墨粉塵過程中，核廢石墨粉塵、硼酸鹽和煤粉均給入氣化熔融爐301內，同時儲存於儲水罐201內的水通過水泵202泵送至噴霧器203，並進一步由噴霧器203噴入氣化熔融爐301內。其中，硼酸鹽的作用為降低灰分的熔融溫度，促進煤粉中灰分及未反應的石墨粉塵形成熔融體，確保核廢完成固化。
50.上述物料在氣化熔融爐301發生高溫氣化並放熱熔融，固化形成的熔融體排入熔渣倉302內進行後續處理，氣化形成的氣化氣輸送至冷凝裝置4冷卻。其中，氣化反應為：c
x0hy0oz0
+c+h2o
→
co+co2+h2+c
x1hy1
。
51.氣化產生的氣化氣經過冷凝裝置4冷卻形成凝結水和低溫氣化氣，凝結水送回儲水罐201進行儲存和回用，低溫氣化氣經增壓引風機502增壓後送至燃氣儲罐501進行儲存。
52.此外，在反應過程中，若核廢石墨粉塵量較大時，可減少煤粉倉103給出的煤粉量；若核廢石墨粉塵量較小時，可增加煤粉倉103給出的煤粉量，硼酸鹽和水的給入量保持穩定。物料給入原則保持在(粉塵量+煤粉量)：硼酸鹽：水＝1:0.1:1.1。
53.因此，本發明實施例的核廢石墨處理方法，利用水和石墨粉塵氣化處理以實現熔融固化，從而解決核廢石墨粉塵處置的問題，還將部分粉塵轉化為可燃氣，同步實現核放廢物的資源化利用。並且，通過配備硼酸鹽和煤粉作為氣化輔助材料，保證氣化熔融爐301的溫度水平並確保固相產物熔融固化，提高固化處置方法的可靠性和穩定性。
54.在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或
位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
55.此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
56.在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接或彼此可通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
57.在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
58.在本發明中，術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
59.儘管已經示出和描述了上述實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域普通技術人員對上述實施例進行的變化、修改、替換和變型均在本發明的保護範圍內。