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CN105474326A - 用于焚烧、熔化和玻璃化有机和金属废物的方法和设施 - Google Patents

用于焚烧、熔化和玻璃化有机和金属废物的方法和设施 Download PDF

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CN105474326A
CN105474326A CN201480043621.6A CN201480043621A CN105474326A CN 105474326 A CN105474326 A CN 105474326A CN 201480043621 A CN201480043621 A CN 201480043621A CN 105474326 A CN105474326 A CN 105474326A
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CN
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waste
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furnace
melting
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CN201480043621.6A
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罗杰·博恩
帕特里斯·沙尔万
弗洛朗·莱蒙特
奥尔多·鲁塞洛
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Areva NP SAS
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Areva NP SAS
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Abstract

根据本发明的方法使得可能使用相当小的设施以焚烧、熔化和玻璃化使用篮(18)依次通过气闸(12)引入反应器(10)的混合废物(30)。等离子炬(14)燃烧包含在篮(18)中的所有废物(30)。然后，将废物下降到具有感应器(24)的炉(20)的熔浴中，炉(20)包括形成坩锅的容器(23)。所述设施通过燃烧气体处理链完成。炉(20)经过几个废物(30)的篮(18)的处理系列后可被拆卸，以从炉(20)拆卸形成坩锅的容器(23)。本发明可用于处理各种放射性地受污染的和/或有毒混合废物。

Description

用于焚烧、熔化和玻璃化有机和金属废物的方法和设施
技术领域
本发明涉及处理混合有害废物的领域，为了在适当的容器中长时间封装和仓储它们的目的。
混合废物是指金属和有机废物也可能含有矿物和/或其他材料的混合物。
有害废物是指放射性地受污染的和/或有毒的废物。
因此，本发明更精确地涉及通过焚烧，熔化和玻璃化混合有害废物的处理，以及感应熔化炉和燃烧/焚烧反应器，尤其是等离子体型。
背景技术
在操作和/或拆除核设施，或含有有毒或污染元素的其他设施的范围内，处理由其产生的废物证明是必要的，无论是由金属废物(例如不锈钢，铜和/或铝)组成，和/或由有机废物(例如聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))，或甚至矿物废物(如例如玻璃纤维)组成。所有这些材料可被放射性元素，且特别是核燃料污染。通常，这些废物被放置在PVC袋中。然而，这种废物必须根据其放射性经过处理、包装以使其体积最小化并使它们处于能够入库和储存很长时间的形式。
已经有适合于处理矿物废物(例如玻璃纤维)和有机废物(PVC、PET)的混合物的方法，此废物以厘米粒度的磨碎形式进料。
法国专利申请FR2838117是其中的一个例子。在其中描述的设施由具有冷壁的氧等离子体介质燃烧反应器组成，所述氧等离子体介质燃烧反应器放置在具有冷壁玻璃的感应熔化炉的上面，所述感应熔化炉包括用于连续浇铸玻璃基体的系统。然而，这样的设施不能处理金属废物，也不能处理整个废物袋。而且，在熔化炉部分中的临界性管理困难，因为玻璃中钚累积的风险，所述玻璃每次浇铸后停留在炉底中或在其中有等离子炬的燃烧区中。
另一种方法使用具有热壁即耐火壁的等离子体介质燃烧反应器，所述壁放置在围绕垂直轴线旋转以通过等离子体熔化玻璃和金属的炉的上面，所述壁是热的，即耐火的。它包括用于连续浇铸玻璃和金属的系统，且可以处理有机、矿物和金属混合物的整个袋。然而，其大尺寸和因为耐火材料的磨损引起的复杂的维护，使得它对于在放射性介质中的实施不具吸引力，并可能进一步包括临界性管理问题。
本发明的目的是克服现有技术的这些设施的这些不同的缺点，并提供一种满足以下目的的方法：
-将有机部分氧化成水、二氧化碳或成氯化氢并在气体被中和之前净化它们；
-在玻璃基体，如均质玻璃或玻璃-陶瓷中溶解来自该废物的有机部分的氧化反应的灰烬；
-在玻璃基体中溶解矿物部分；
-熔化金属部分；
-对于最可氧化元素在放射性元素的玻璃相中，或对于最不可氧化元素在放射性元素的金属相中溶解放射性元素；和
-处理整个废物袋，而无需打开它们，也不磨碎它们，以避免放射性污染的任何传播。
在其中该废物是被钚污染的情况下，该处理方法也要能够管理临界性，无论是在其中实施所述处理方法的设施中还是在来源于所述处理的最终产品中。
在放射性介质中必须开发该方法。
最后，该处理方法必须获得可包括至少两相，玻璃相和金属相的最终废物包。
发明内容
本发明的第一个主要目的是用于焚烧、熔化和玻璃化有害混合废物的方法，所述有害混合废物是指放射性地受污染的和/或有毒金属和有机废物，也可能含有矿物和/或其他材料的混合物。
根据本发明，所述方法包括以下连续步骤：
-通过玻璃纤维的篮，向具有冷或暖金属壁的氧等离子体介质焚烧反应器中引入放置在袋中的废物；
-在反应器中焚烧废物；
-在感应炉中熔化来自废物焚烧的残余部分和所述篮，所述感应炉具有在形成坩埚的容器中的熔化，放置在反应器下面，被称为“罐内熔化器(InCanMelter)”；
-将熔融残余部分玻璃化为包含在坩埚中的玻璃基体；
-对每个废物篮重复该循环；
-在该过程结束时，拆除炉和拆卸形成坩埚的容器。
应当注意的是，冷壁或暖壁是指具有低于150℃的温度的壁。
有利地，该方法还包括处理来自源于该方法的焚烧的残余气体，并且包括以下阶段：
-后续燃烧来自废物焚烧的气体；
-可能地磷化处理在当废物，特别是有机废物包括氯化物时的焚烧过程中形成的金属氯化物；
-过滤粉尘；
-回收炉中所述粉尘；
-中和所述净化的气体。
一旦不同的废物处理循环结束，所述方法还包括以下阶段：
-关闭反应器的等离子炬和炉；和
-冷却整个设施；
-将炉相对于反应器拆除；
-检查反应器。
本发明的第二个主要目的是用于使用上述方法焚烧、熔化和玻璃化废物的设施。
根据本发明，该设施包括：
在形成坩埚的容器中的熔化型感应炉(“罐内熔化器”)；和
-具有冷或暖金属壁的反应器，其包括至少一个等离子炬和用于引入废物篮的气闸，该反应器为可拆卸地放置在所述炉上。
根据本发明，所述设施有利地通过包含如下气体处理系列完成：
-后续燃烧室；
-冷却器；
-至少一个过滤器；和
-氯化氢中和系统。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于实施根据本发明的方法的设施，为了焚烧、熔化和玻璃化混合废物的目的。
下文中叙述，本说明书无差别地使用术语焚烧和燃烧以指定相同的处理。
所述设施的第一主元件是具有冷或暖金属壁的燃烧反应器10。在反应器的内部含有氧气，其由一个或多个等离子炬14加热。后者可为弧或感应等离子炬。
篮18被放置在反应器10内，并包含废物袋30。该组件悬浮在反应器10内。为此，反应器10通过用于将每个篮18引入反应器10内的气闸12完成。优选的是，篮18是玻璃纤维的，这样的篮使废物在反应器或焚烧炉中被焚烧的持续时间超过十五分钟，而废物不预先熔融，特别是当插入反应器10中时。当根据本发明的方法计划处理金属元素时，该篮18可包括轻的金属结构。该篮18悬浮在反应器10的上部，在由等离子炬14产生的火焰上面。最后，在反应器10的上部设置气体出口16；根据另一个替代方案，该气体出口16也可放置在反应器10的下部以通过等离子体传递加热区中的气体，并促进其氧化。
该设施的另一个重要元件是感应炉20，为“罐内熔化器”型。这种炉型通过感应操作并包括衬垫21，由下底部22完成。形成坩埚的容器23被放置在组件内并是可拆卸的。它可依次包括耐热内层并因此抵制熔浴的侵蚀，和绝缘外层。最后，感应器24围绕衬垫21放置。该图还示出了形成坩埚的容器23内部的熔融玻璃块26，其放置在位于形成坩埚的容器23的下部上的熔融金属块28的上面。
该炉20使金属相28通过直接感应熔融，以及位于其上面的玻璃相26；通过接触熔融金属从下方加热玻璃相26，并且通过反应器10内部的热气氛和可能地通过放置在上面的等离子炬的辐射从上方加热该玻璃相26。
所述设施有利地通过用于处理来自反应器10的气体的组件完成。在其中计划提供这些气体的后续燃烧，也就是其全部氧化，磷化处理在包括氯化物的有机废物的燃烧过程中形成的金属氯化物，过滤进入这些气体的粉尘并在熔化炉20中回收它，和中和该净化的气体。为了成功执行这些不同的操作，可使用后续燃烧室，冷却器，电(eletro)过滤型过滤器或过滤介质过滤器，另一种非常高效率过滤器和氯化氢中和系统。
根据本发明的方法的详细过程是以下的一个。
所述过程开始于密封地装配用于焚烧废物的反应器10和用于熔化金属和玻璃的炉20。
然后，存在可能的气体处理系列连接到反应器10的气体出口16的密封连接，当该连接不是永久的时。然后，激活该气体处理系列。熔化炉20的感应器24也被激活。
然后点燃反应器10的等离子炬14以预热反应器10的内部，即装载有氧气的气氛。
然后，打开气闸12以在第一篮18中引入废物袋30。从而，第一篮18被放置在反应器10内，悬浮在等离子炬14的火焰上面。
然后，关闭用于引入废物的气闸12。
然后，可发生存在于废物袋30中的废物的逐渐燃烧。通过在气体处理系列中的过滤可处理来自该燃烧的气体，以及回收的粉尘。可调节等离子炬14的功率以控制燃烧气体的出口温度。
在存在于废物袋30中的废物燃烧结束时，将篮18下降至炉20中。
由此，在炉20内发生熔化来自废物焚烧的残余部分，即金属和有机材料的残留物，以及灰烬和矿物，如玻璃纤维，尤其是来自篮18的。然后形成两相：重金属相28，以及位于金属相28上的轻玻璃相26。
如果其他废物将要被处理，则重新开始气闸12打开且包括下面步骤的该循环，直到最后所有废物的金属和玻璃熔化，直到获得最终所需的金属和玻璃组分，一直到炉20的形成坩埚的容器23的内部容积完全填充。
值得注意的是，最后的废物袋30也可含有在焚烧先前的袋时在气体处理系列中回收的过滤粉尘。
当没有更多的废物处理时，则执行以下操作：
-关闭等离子14；
-停止炉20的感应器24的操作；
-冷却形成坩埚的容器23和反应器10的内部；
-将用于熔化金属和玻璃的炉20从用于焚烧废物的反应器10分离并拆卸形成坩埚的容器23。
然后，可进行反应器10的可能的检查。
在一个示例性实施方案中，计划这样的设施的操作程序：约28kg的二十个袋，每个含有10kg的有机废物，15kg的金属废物和组成篮18的3kg，所述篮18包括金属和玻璃纤维。
从尺寸方面考虑，反应器10的燃烧室是圆柱形的，并且具有约1m的直径，等于约2m的高度，其与气体的交换面积为约7m2且其体积为1.60m3。
所用的等离子炬14可各自具有75KW的功率。构成最终容器的形成坩埚的容器23(废物在其中将被包装、入库和储存)是圆柱形的，具有约500mm的直径和约500mm的有效高度。
在这种情况下，焚烧能力为每小时约20kg的有机废物，其平均内燃功率约为33MJ/kg。这导致每个袋的燃烧持续时间约为30分钟。在此燃烧期间必须的氧气流速高于60kg/h，以便能够为过化学计量比。这样的室的体积使得气体在反应器10中的平均停留时间超过约十秒。与气体在反应器中的平均停留时间为约十秒有关的氧过化学计量比使有机废物被完全氧化。
然后，由废物燃烧所提供的功率是约183kW并通过由等离子炬14提供的功率(其能够达到150KW)来完成。可调节该功率以调节反应器10的出口处的气体温度。由废物燃烧和等离子炬14提供的功率的一小部分用来提高燃烧气体的温度，高达至反应器10的运行温度，即800℃和1000℃之间。然而，该功率的大部分是通过热交换转移至反应器10的冷壁。
废物燃烧结束后，将含有来自该燃烧的灰分的篮18下降到炉20的金属和玻璃浴中，以便能够使金属和矿物熔融。通过由于感应器24的直接感应加热使其中的金属处于熔融状态。其阐述了，一旦n级篮18下降到炉20中，就通过气闸12将n+1级新的篮引入至反应器10中，该操作持续约不到15分钟。
最后，举例来说，约20个废物袋处理后，并根据废物组成，炉20可含有自篮18的玻璃纤维形成的质量375kg金属和180kg玻璃，来自燃烧的灰烬、粉尘和用于调整其化学组成的矿物添加剂。
本发明的优势
将冷金属壁燃烧型的反应器与纯氧燃烧结合使处理的燃烧气体的流速相对于空气燃烧(其中包括80％的对该燃烧无用的氮气)最小化。这使得能够保持合理的气体温度，即低于1200℃，以避免，例如，携带废物的玻璃纤维的篮18过早熔化。事实上，额外的热量被反应器10的冷壁吸收。该结合使用于焚烧和处理气体的反应器10的总体尺寸最小化。具有气闸12(用于引入含在玻璃纤维的篮18中的废物)的进料系统与具有冷金属壁的氧等离子体介质燃烧反应器10的结合，使该反应器10和整个气体处理的尺寸最小化，具有稳定的燃烧流速，同时保持处理整个废物袋而无需打开它们也没有磨碎它们，从而以避免放射性污染的任何传播的优点。
由此冷却的这样的反应器10不被燃烧气体侵蚀，这导致延长其寿命。
根据本发明在所述设施的两个使用序列之间，还可能并易于检查和清洗反应器10。
罐内熔化器型金属和玻璃熔化炉20的使用，因为其连续操作，导致所述设施的定期关闭，以及熔化炉的形成坩埚的容器的变化。这有利于管理临界性，因为在熔化炉20的形成坩埚的容器23中不能累积核燃料。
罐内熔化器型炉20与冷或暖金属壁燃烧反应器10的结合特别有重大意义，因为反应器10可以非常迅速地冷却。这使炉20当冷时从反应器10分离，以便改变形成坩埚的容器23，而不会浪费时间。

Claims (6)

1.用于焚烧、熔化和玻璃化混合废物(30)的方法，所述混合废物(30)一方面包含金属和有机废物并可能含有矿物材料，且另一方面含有放射性地受污染的和/或有毒废物，其特征在于，其包括以下步骤：
-通过玻璃纤维的篮(18)，穿过通向反应器(10)的气闸(12)向具有冷或暖金属壁的氧等离子体介质焚烧反应器(10)中引入放置在袋中的废物(30)，所述袋放置在篮(18)中；
-在反应器(10)中焚烧废物(30)；
-在感应炉(20)中熔化来自废物(30)焚烧的残余部分和所述篮(18)，所述感应炉(20)为在形成坩埚的容器(23)中的熔化型，该炉(20)放置在反应器(10)的下面；
-将熔融残余部分玻璃化为玻璃基体；
-对每个篮(18)重复该循环；
-拆除炉(20)和拆卸形成坩埚的容器(23)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它在于处理来自焚烧的残余气体，包括以下阶段：
-后续燃烧来自焚烧的气体；
-磷化处理在焚烧过程中形成的金属氯化物；
-过滤粉尘；
-回收炉(20)中所述粉尘；
-中和净化的气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在拆除炉(20)的阶段之前，所述方法进一步包括：
-关闭反应器(10)的等离子炬和炉；和
-冷却整个设施。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在拆除炉(20)的阶段之后，所述方法进一步包括：
-检查反应器(10)。
5.用于实施根据前述权利要求任一项的用于焚烧、熔化和玻璃化废物的方法的设施，其特征在于，它主要包括：
-具有冷或暖金属壁的反应器(10)，其包括至少一个等离子炬(14)和用于引入包含废物(30)的篮(18)的引入气闸(12)；
-在形成坩埚的容器(23)中的具有熔化型的感应熔化炉(20)，熔化炉(20)放置在反应器(10)的下面，所述炉为可拆卸的。
6.根据权利要求5的所述设施，其特征在于，它包括由如下组成的气体处理系列：
-后续燃烧室；
-冷却器；
-至少一个过滤器；和
-氯化氢中和系统。
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