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(shí)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(shí),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(shí)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(shí)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(shí)間，提高有效運(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)，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(dòng)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(dòng)式設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要隨時(shí)對接和移開。如圖2所示，加料裝置采用電動(dòng)上下往復(fù)料斗輸送設(shè)備，固定有多個(gè)接料板用于放置廢物袋，遙控操作每次自動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)排灰點(diǎn)在一處集中操作，并通過自動(dòng)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(shí)，也利于控制焚燒灰的擴(kuò)散。

如圖4所示，排灰裝置由電動(dòng)螺桿升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(dòng)將灰桶移至升起工位，封蓋后啟動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)，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(jià)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(shí)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(xiǎn)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(shí)，向一燃室投入2 ～ 3個(gè)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(gè)料包。整個(gè)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(gè)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(xiǎn)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(shí)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。