我国核电站应建设放射性废物焚烧设施

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1、1 前 言目前，全世界共建成运行的核电机组约有440 台，装机总量达 3.8 亿千瓦，核电发电量占总发电量的 16%。在建有核电的 30 个国家中核电所占比例差异很大，法国占高达 78，比利时占 54，韩国占 39，瑞士占 37，日本占为30，美国占 19%；俄罗斯占 16%。我国第一个核电厂 秦山核电厂 1991年 12 月 15 日正式并网发电，标志着我国结束了没有核电的历史 。随后，我国进入了核电建设适度发展阶段，开工建设和运行了大亚湾 、岭澳 、秦山第二 、第三核电厂以及江苏田湾核电厂 。进入 21 世纪以后，随着我国社会经济的发展和对电力的需求，我国的核电发展速度明显加快 。目前，我

2、国投入运行的核电厂共有 11 台机组，总功率 9118 MWe。在建的核电厂共有 14台机组，总功率 13660MWe。另外在浙江 、江苏 、福建 、四川 、湖南 、安徽 、重庆 、江西 、内蒙古等都在开展了新的核电厂建设的前期工作 。我国已确定了积极发展核电的方针，根据国务院已批准的 核电中长期发展规划（ 20052020 年） ，预计到 2020 年我国核电机组的装机容量将达到40000MW，总装机容量比例占到总电力供应装机容量的 4%。作为清洁能源的核电，虽然在核电厂其运行期间产生的废物很少，与以其它化学燃料作为能源的发电厂相比，对保护环境做出了巨大的贡献 。但由于在其运行过程和退役过程

3、中会产生一定的放射性废物，必须对这些放射性废物进行妥善的处理和处置 。据统计，对于 1 个 1000MW 的核电机组，每年大约产生 100 吨的中低放固体废物和大约 20吨的高放废物（主要是乏燃料及其包装） 。其中中低放废物中可燃废物大约占 3050%，这些可燃废物主要包括：废旧工作服 、防护鞋套 、口罩 、手套 、纸 、塑料 、橡胶和废离子交换树脂等 。目前这些可燃废物的固体废物或装在 200L金属桶中经过简单压缩后暂时存放 （秦山），或进行超级压缩后存放（大亚湾 、岭澳），最后还要进行最终处置 。经简单压缩废物的减容比仅为23，经超级压缩废物的减容比可以达到 510。放射性可燃废物经燃烧处

4、理后会最大程度的减容，一般废物减容系数可以达到 80120，可燃废物焚烧后由有机物转化为无机物 （焚烧灰），这既可以大幅度减少放射性废物的贮存 、运输和最终处置费用，又可以大大提高贮存 、运输和最终处置的安全性 。2 放射性废物焚烧的发展现状美国和德国是最早开始开发放射性废物焚烧技术的国家 。德国建有约 10 台焚烧炉 。美国核电厂的可燃废物收集到处置场的焚烧站进行集中的焚烧处理 。日本国土面积狭小，地少人多，发展放射性废物焚烧炉最为积极，在引进和吸取了德国放射性废物焚烧技术后不断改进，成为建有放射性废物焚烧炉最多的国家 。目前日本已经建有25 台以上的放射性废物焚烧炉，绝大多数用于核电厂 。

5、俄罗斯 、乌克兰 、立陶宛 、斯洛伐克等国的核电厂也都建有或在建放射性废物焚烧设施 。放射性废物焚烧炉的处理量一般都在 30100kg/h。法国建有处理量为 1000kg/h 的放射性可燃废物焚烧设备，用于集中处理附近核电厂产生我国核电站应建设放射性废物焚烧设施系统与布置设计所 严沧生 刘铁军摘 要核电站在运行期间产生的可燃放射性废物采用焚烧处理可以最大程度地减量化 。本文针对我国核电站建设和运行的现状，对建设可燃放射性固体废物焚烧设施从技术上 、安全上和经济上的可行性进行了探讨 。53 核 工程研究与设计核工程研究与设计 2009年 2 月一天平均值 半小时平均值灰尘 10 mg/Nm330

6、 mg/Nm3有机物（以总碳计） 10 mg/Nm320 mg/Nm3气相中的无机氯(以 HCl 计) 10 mg/Nm360 mg/Nm3气相中的无机氟(以 HF 计) 1 mg/Nm34 mg/Nm3SO250 mg/Nm3200 mg/Nm3NO2200 mg/Nm3400 mg/Nm3CO 50 mg/Nm3100 mg/Nm3分析样品的平均值镉 、铊：总量 0.05mg/Nm3汞 0.05mg/Nm3Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn,Ni, V, Sn：总量0.5mg/Nm3二恶英 0.1ng/Nm3固体废物形式 典型焚烧炉的范围 NUKEM焚烧炉密度 14025

7、0kg/m3热值 1530MJ/kg 1030 MJ/kg、 放射性比活度 1071010Bq/m31012Bq/m3放射性比活度 0105Bq/m31010Bq/m3*木材 重量比 550 重量比 0100纤维 、纸张 重量比 1050 重量比 0100纺织品 、衣物 、布 重量比 150 重量比 0100橡胶 重量比 05 重量比 020非卤化烃 重量比 2055 重量比 060卤化烃 重量比 0.55 重量比 010废树脂 重量比 08 重量比 020不燃材料 重量比 05 重量比 05焚烧方式具有代表性的炉型特征过量空气燃烧提供理论空气量以上的空气进行燃烧立式圆筒炉炉床式焚烧炉炉排式焚

8、烧炉流化床焚烧炉处理速度快容易完全灰化排气量多控制空气燃烧控制供气量控制燃烧速度立式圆筒炉炉床式焚烧炉炉排式焚烧炉燃烧有未燃成分排气量较少热解燃烧在缺气或惰性气体的情况下气化，二次燃烧室的后燃烧热解为炉排式燃烧为立式圆筒炉反应时间长灰中未燃部分较多排气量少焚烧融化在 1200以上燃烧，直到灰融化高温焚化炉灰的融化及固化炉膛材料损耗大的可燃放射性废物 。我国开展放射性焚烧技术研究起步较晚，中国辐射防护研究院进行了热解焚烧技术的研究 。目前国内已经建有两个采用热解焚烧技术的可燃核废物焚烧装置， 1 台已运行 5 年， 1 台还未投入运行，这种焚烧炉的处理量是 1520kg/h1。3 放射性废物焚烧

9、的技术方案放射性废物焚烧炉的焚烧方式和炉型见下表 。放射性废物焚烧方式的分类过量空气燃烧技术开发最早，技术发展最为成熟，操作方便，燃烧完全，使用也最为广泛 。控制空气燃烧主要是采用控制供气量的方式控制燃烧速度，目的是为了减少排气量，降低热量的损失 。热解燃烧是为了处理一些难燃的废物，首先将其热解为可燃气体，然后再对可燃气体进行燃烧，因此处理废物的范围比较广，但焚烧灰中未燃部分较多 。据报道热解焚烧容易发生爆炸 。目前德国和日本的放射性废物焚烧炉均采用过量空气燃烧的立式圆筒炉 。俄罗斯 、乌克兰 、立陶宛 、斯洛伐克等国的放射性废物焚烧炉也采用的是德国和日本的放射性废物焚烧炉 。德国和日本的放射

10、性废物焚烧炉的主要区别在于焚烧炉体空气入口形式的改进，以及尾气处理的不同 。德国焚烧炉的尾气采用湿法方式处理 。德国 NUKEM2和卡尔斯鲁厄焚烧炉3的流程简图见附图 。德国 NUKEM 焚烧炉对所处理的固体废物的描述 。德国 NUKEM 公司和卡尔斯鲁厄的焚烧炉都设有液体废物入口，在焚烧固体废物的同时可以焚烧适量的可燃液体废物 。日本碍子公司（ NGK）焚烧炉4的流程简图见附图，其尾气湿法处理部分未在图中示出 。而日本的焚烧炉的尾气处理采用陶瓷过滤 。4 放射性废物焚烧运行的环境问题德国 NUKEM 放射性废物焚烧炉尾气排放情况2对于放射性核素的去污系数 （非挥发性核素）不小于 106。54

11、 第 74 期附图：德国卡尔斯鲁厄焚烧流程简图附图：德国 NUKEM 公司的放射性废物焚烧炉流程简图（焚烧流程）附图：德国 NUKEM 公司推荐的放射性废物焚烧炉流程简图（尾气净化流程）严沧生 、刘铁军：我国核电站应建设放射性废物焚烧设施55 核 工程研究与设计核工程研究与设计 2009年 2 月放射性废物焚烧炉的燃烧尾气通过处理后排放，排放气体中的放射性核素和其它有害物质含量应低于所在国家的排放标准 。德国卡尔斯鲁厄 HDB焚烧炉 2004 年运行排放数据3日本碍子公司放射性废物焚烧炉提供的资料未给出排放气体中各种污染物的排放值 。其排气处理系统采用陶瓷过滤装置 （碳化硅过滤元件）和抗热型（

12、 250） HEPA 过滤装置，总去污系数在焚烧炉 2 次陶瓷滤芯出口达到 105以上，在焚烧炉 HEPA 过滤装置可以达到 107以上（挥发性核素除外）4。5 放射性可燃废物焚烧的建设费用和代价利益分析根据德国 NUKEM 公司提供的资料，建设一套处理能力为 50kg/h 的焚烧装置设备和服务（含工艺 、自控仪表设计与服务以及全套工艺 、自控仪表通风设备）初步报价为 950 万欧元，约和人民币 1 亿元 。加上配套设施，主要是建筑物设施 、供电供水和燃料供应等，估计总建设费用需要 1.2 亿元 。日本碍子公司焚烧炉的采购费用未知 。中国辐射防护研究院为国内核设施设计安装的处理能力为 25kg

13、/h 的放射性废物焚烧设施建设投资约为 4000 万元 。如果采用引进国外较先进的放射性废物焚烧设施技术和主要设备，由国内配套辅助设施和设备，估计建设费用在 11.2 亿元人民币 。假如 1 个核电机组每年产生 30 吨的可燃固体废物，经简单压缩后废物密度可以达到约500kg/m3，废物体积约为 40m3，需装 200 个标准钢桶 。人工分拣 、装桶等费用以及其它配套设施费用应不低于 100 万元 。废物暂存期按 2 年计，暂存费用按每年 2000 元 /m3考虑，废物暂存费用约为 24 万元 。我国已建成的低中放射性废物处置场两处 （甘肃省的西北处置场和广东省的北龙处置场），对于低中放射性废

14、物处置目前还没有收费标准，但有关部门已经酝酿建立收费标准 。根据相关资料，低中放射性固体废物处置的商业运行收费不低于 3 万元 /m3。按 2 万元 /m3计，处置费用为 120 万元 。上述可燃固体废物处日本碍子公司（ NGK）的放射性废物焚烧流程简图污染物德国官方规定的排放限值烟囱监测的排放值占规定的排放限值的 总 -放射性 4.0E07Bq/a 8.7E02Bq/a 0.002总 -放射性 2.0E10Bq/a 2.7 E 06Bq/a 0.013HCl 62.5kg 0.3kg 0.5C 62.5kg 2.8kg 4.5CO 313.0kg 50.0kg 16.0NOx 1251.0k

15、g 436.0kg 35.0SO2313.0kg 4.0kg 1.3灰尘 62.5kg 3.0kg 4.8二恶英 0.1ng/m30.0035ng/m33.556 第 74 期理处置总费用约为 274 万元 。若 6 个机组每年产生可燃固体废物的处理处置费用约为 1600多万元 。建设一个处理能力为 50kg/h 的焚烧设施，每年处理量 200 吨 。可以基本满足 6 个机组产生的可燃固体废物焚烧处理 。焚烧设施每年的运行费用（含人工费 、燃料费和材料费等）约为350 万元 。废物经焚烧处理后产生的焚烧灰约为2 吨，对其进行固化的处理和处置费用约为 20万元 。若投资 1.2 亿元人民币建设处

16、理量为50kg/h 焚烧处理设施，大约运行 10 年可以实现投资与收益相抵 。6 我国核电厂放射性固体废物焚烧设施的建设目前我国核电厂的建设已经进入了快速发展的阶段，一般核电厂都会集中建设几个机组，放射性固体废物的产生一般都比较集中，这为在核电厂建设焚烧设施创造了极为有利的条件 。我国目前核电厂中，秦山核电已建成 5 个机组，在建和计划建设 4 个机组，已具备建设焚烧设施的条件（仅指可燃废物产生量） 。广东核电已建成 4 个机组，在建 2 个机组，很快也具备建设焚烧设施的条件 。因此，在我国核电厂建设焚烧设施势在必行 。根据目前国内外放射性固体废物焚烧设施的建设 、发展的运行情况，我国核电厂焚烧设施的建设应采取尽量吸取国外放射性废物焚烧设施的建设和运行经验和技术，立足于引进和消化吸收相结合以及适当自主研发的方式建设和发展我国的核电