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申请/专利权人：西南科技大学

摘要：本发明涉及放射性废物处理技术领域，具体涉及一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，包括进料系统、反应系统和尾气处理系统；反应系统包括反应釜和安装在反应釜外侧用于微波加热的微波加热装置，反应釜设置有卸料口和排气口，进料系统包括分别与反应釜连通并往其内部供料的催化剂进料罐、放射性废离子交换树脂进料罐和氧化剂进料罐；尾气处理系统包括依次连通设置的用于冷凝回流的第一冷凝管和用于蒸汽冷凝的第二冷凝管，第一冷凝管的进气口与反应釜的上端排气口连通。与现有技术相比，本申请的降解装置，不但降解速度快，而且还能够实现减容排放，降解和后期成本低，工作效率高，性能稳定，经济效益好。

主权项：1.一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：包括进料系统、反应系统和尾气处理系统；所述反应系统包括反应釜和安装在反应釜外侧用于微波加热的微波加热装置，所述反应釜设置有卸料口和排气口；所述进料系统包括分别与所述反应釜连通并往其内部供料的催化剂进料罐、放射性废离子交换树脂进料罐和氧化剂进料罐；所述尾气处理系统包括依次连通设置的用于冷凝回流的第一冷凝管和用于蒸发减容蒸汽冷凝的第二冷凝管，第一冷凝管的进气口与反应釜的排气口连通；所述第一冷凝管包括设置于其内部的主冷凝管，所述主冷凝管呈螺旋形状，所述主冷凝管设置有位于第一冷凝管外侧的第一冷却液进口和第一冷却液出口，所述第一冷却液进口和第一冷却液出口与第一循环水泵连通；所述第一冷凝管和尾气处理器之间通过第二冷凝管相连通，所述第二冷凝管的外侧套设有次冷凝管，所述次冷凝管设置有第二冷却液进口和第二冷却液出口，所述第二冷却液进口和第二冷却液出口与第二循环水泵连通；所述第二冷凝管与尾气处理系统之间设置有用于收集冷凝水的冷凝液储存罐；从上至下，所述反应釜的横截面积依次减少。

全文数据：一种放射性废离子交换树脂快速降解装置技术领域本发明涉及放射性废物处理技术领域，具体涉及一种放射性废离子交换树脂快速降解装置。背景技术离子交换树脂是一种具有一定伸缩性的高分子聚合物，由骨架和活性基团两部分组成,主要应用于核电厂反应堆一回路冷却剂、乏燃料水池池水的净化处理，放射性废树脂比活度一般可达107～1013Bqkg，无法重复利用需要对其进行放射性废物处理处置。放射性废树脂是目前核设施运行最主要的固体产物之一，一座常规核电站一年的废树脂产量约为几十立方米，在30-40年的平均寿期内其体量接近1000立方米。世界各国均对废树脂处理方法进行了大量研究，但成熟、理想的处理方法较少，目前多数核电站把放射性废离子交换树脂贮存在不锈钢贮槽中。目前，放射性废树脂的处理主要采用先将废树脂降解后再进行水泥固化，固化体进入中低放处置库进行长期处置。在放射性废树脂降解处理技术中，芬顿湿法氧化技术由于反应条件温和、对设备的腐蚀性相对较小、反应产物易于处理和控制，是放射性废树脂降解的理想方案之一。芬顿湿法氧化技术主要是通过产生大量的羟基自由基·OH与废树脂作用，羟基自由基的强氧化性将废树脂结构破坏，使高分子聚合物分解为线性大分子，线性大分子又进一步分解为小分子直至变成无机物，达到便于进一步固化的目的。芬顿湿法氧化法降解放射性废树脂开展了大量的研究，目前该技术在工程应用中主要存在以下缺点：1、芬顿湿法降解树脂需要在温度达到90℃降解效果最为明显，传统的加热手段不能实现试剂和树脂内部的快速加温。2、芬顿湿法氧化的降解效率较低。美国橡树岭国家实验室的废树脂降解时间为9-10小时，中国台湾为8小时，主要是由于在芬顿反应过程中，羟基自由基的存活时间短，生成速率较低。3、芬顿降解过程中产生大量的气泡特别是阴离子树脂。主要是反应过程中产生的二氧化碳和氧气等气体，气泡的产生一方面减小了树脂和试剂的降解效率，另一方面气泡将增加反应容器的压力，导致核素溢出风险。4、芬顿试剂降解后可能导致残液的体量增加，产生的废液需要进一步浓缩减容处理。若能有效提高芬顿试剂降解废树脂的降解效率、控制气泡量、注意废液的减容，该方法能快速应用于放射性废树脂的降解工程，但在废离子树脂处理的领域中，针对于芬顿试剂处理放射性废离子交换树脂的降解装置极少，并且这些降解装置无法解决上述的问题，工作效率低，由此，需要制备一种快速降解装置来处理放射性废离子。发明内容本发明的目的在于针对现有技术中的不足，而提供一种快速降解装置，该降解装置能够辅助芬顿试剂湿法氧化反应处理放射性废离子交换树脂，从而解决工作效率低的问题。本发明的目的通过以下技术方案实现：一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，包括进料系统、反应系统和尾气处理系统；反应系统包括反应釜和安装在反应釜外侧用于微波加热的微波加热装置，反应釜设置有卸料口和排气口，进料系统包括分别与反应釜连通并往其内部供料的催化剂进料罐、放射性废离子交换树脂进料罐和氧化剂进料罐；尾气处理系统包括依次连通设置的用于冷凝的第一冷凝管和用于处理废气的尾气处理器，第一冷凝管的进气口与反应釜的排气口连通。其中，反应釜呈球形状或者半球形状。其中，从上至下，反应釜的横截面积依次减少。其中，第一冷凝管包括设置于其内部的主冷凝管，主冷凝管呈螺旋形状，主冷凝管设置有位于第一冷凝管外侧的第一冷却液进口和第一冷却液出口，第一冷却液进口和第一冷却液出口与第一循环水泵连通。其中，第一冷凝管和尾气处理器之间通过第二冷凝管相连通，第二冷凝管的外侧套设有次冷凝管，次冷凝管设置有第二冷却液进口和第二冷却液出口，第二冷却液进口和第二冷却液出口与第二循环水泵连通。其中，第二冷凝管与尾气处理系统之间设置有用于收集冷凝水的冷凝液储存罐。其中，微波加热装置包括具有炉腔的炉体，炉体内部设置有微波磁控管，反应釜放置于炉腔内，反应釜的排气口和卸料口分别伸出炉体。其中，反应系统还包括监控模块，监控模块包括主控制器、用于监测炉腔温度的温度传感器、安装在炉体的触控显示屏、用于监测反应釜内液体污染物的COD传感器、用于监测反应釜内液体pH值的pH传感器以及用于测量反应釜内液体的氧化还原能力的氧化还原电位传感器，温度传感器、触控显示屏、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器均与主控制器通信连接。其中，反应系统还包括远程控制模块，远程控制模块包括用于调节微波加热强度的调节器、云端服务器以及移动终端，调节器、远端服务器和移动终端均与主控制器通信连接，温度传感器、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器分别产生传感信号至控制器，控制器根据该传感信号传输至云端服务器，云端服务器将传感信号转化为显示信号至移动终端；移动终端发出操作信号至云端服务器，云端服务器根据该操作信号转化为控制信号并输送至控制器，控制器根据该控制信号来控制调节器。其中，催化剂进料罐与反应釜之间、放射性废离子交换树脂进料罐与反应釜之间和氧化剂进料罐与反应釜之间均设置有控制阀门。本发明的有益效果：本申请的放射性废离子交换树脂快速降解装置的工作过程。首先，进料系统中的催化剂进料罐、放射性废离子交换树脂进料罐和氧化剂进料罐分别将催化剂、放射性废树脂、氧化剂投入至反应系统中的反应釜内，然后微波加热装置对反应釜内的混合液体进行微波加热，混合液体在微波加热的作用下实现体系的加热和降解反应，其所产生的废液由反应釜的卸料口排出。在微波加热反应过程中，树脂完全降解所产生的废气和蒸汽经由第一冷凝管和尾气处理器进行冷凝收回处理。与现有技术相比，冷凝回流令降解过程中树脂得到完全降解，反应可以持续进行，后期通过控制冷凝液的流量，实现降解废液的减容，尾气和冷凝液达标进行排放，该装置实现了树脂降解和减容的一体化，不必再对降解残液进行减容处理。另外，利用微波加热可以有效提高芬顿试剂中羟基自由基产额，提高降解效率，缩短降解时间，实现放射性废离子交换树脂的快速降解，提高工作效率。另外，结合微波加热和反应釜形状设计，利用冷凝回流系统，可以有效抑制反应釜中的气泡产额，提高树脂的降解效率。该装置采用二级冷凝系统，第一冷凝系统主要是将液体冷凝回流到反应釜中，保证降解可持续进行；第二级冷凝系统主要用于后期的减容蒸发蒸汽的冷凝收集，实现减容目的。附图说明利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。图1为本发明的放射性废离子交换树脂快速降解装置的结构示意图。附图标记：1-催化剂进料罐，2-催化剂控制阀，3-放射性废离子交换树脂进料罐，4-放射性废离子交换树脂控制阀，5-炉体，6-触控显示屏，7-炉门，8-信号端子，9-反应釜，10-微波磁控管，11-炉腔，12-散热孔，13-炉体支架，14-卸料口，15-氧化剂进料罐，16-氧化剂控制阀，17-第一冷凝管，18-第一冷却液进口，19-主冷凝管，20-第二冷却液出口，21-第二冷凝管，22-次冷凝管，23-第二冷却液排放口，24-第二冷却液进口，25-冷凝液储存罐，26-冷凝液排放口，27-尾气处理器，28-尾气排放口。具体实施方式结合以下实施例对本发明作进一步描述。本发明的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置的具体实施方式，降解装置包括进料系统、反应系统和尾气处理系统，具体的，如图1所示，进料系统包括催化剂进料罐1、放射性废离子交换树脂进料罐3和氧化剂进料罐15。催化剂进料罐1与反应釜9之间设置有催化剂控制阀2，催化剂控制阀2用于控制往反应釜9内提供催化剂；氧化剂进料罐15与反应釜9之间设置有氧化剂控制阀16，氧化剂控制阀16用于控制往反应釜9内提供氧化剂；放射性废离子交换树脂进料罐3与与反应釜9之间设置有放射性废离子交换树脂控制阀4，放射性废离子交换树脂控制阀4用于控制往反应釜9内提供放射性废树脂。请见图1，反应系统包括反应釜9，反应釜9设置有卸料口14和排气口，卸料口14处安装有卸料阀，反应釜9所采用的制备材料为可以被微波穿透的陶瓷或者玻璃，这样能够进一步反应釜9内部升温的速率，从而提高反应釜9内降解的速率。在本实施例中，反应釜9呈球形状设置，当然，也可以将反应釜9设置成半球形状或者从上至下反应釜9的横截面积依次减少的几何体，即能够达到上大下小的形状即可，因为，这种类似球形的结构能够令在降解过程中产生的气泡在上升过程中由于上部空间增大，气泡内外的压力增大，气泡快速破裂，可以较好的抑制气泡量。反应系统还包括安装在反应釜9外侧用于微波加热的微波加热装置，具体的，微波加热装置包括炉体5、炉腔11及炉门7，请见图1，炉体5放置于炉体支架13上，在炉体5与炉腔11之间设有微波磁控管10，其具体的微波功率为0至6000W。在炉体5上设置有用于散热的散热孔12，另外，反应釜9放置于炉腔11内，反应釜9的排气口和卸料口14分别伸出炉体5。微波加热装置能快速实现整个反应系统的加热，达到芬顿反应的最佳反应温度，进料系统导入的放射性废树脂、催化剂、氧化剂在反应系统中实现芬顿湿法氧化快速降解，有效提高芬顿试剂中羟基自由基产额，提高降解效率，缩短降解时间，实现放射性废离子交换树脂的快速降解，另外，装置产生的微波可以扩张放射性废树脂的孔道，让试剂和羟基自由基能快速进入树脂内部，从树脂内外部同时降解废树脂，提高放射性废树脂的降解效率。在本实施例中，尾气处理系统包括依次连通设置的用于冷凝的第一冷凝管17、用于二次冷凝的第二冷凝管21、用于收集冷凝水的冷凝液储存罐25、用于处理废气的尾气处理器27。如图1所示，第一冷凝管17的进气口与反应釜9的排气口连通，第一冷凝管17的内部设置有螺旋形状的主冷凝管19，主冷凝管19设置有位于第一冷凝管17外侧的第一冷却液进口18和第一冷却液出口，第一冷却液进口18和第一冷却液出口与第一循环水泵未画出连通，应当说明的是，第一冷凝管17设置在第一冷凝管17的内侧，是从第一冷凝管17的内侧进行冷凝换热。第二冷凝管21的外侧套设有次冷凝管22，次冷凝管22设置有第二冷却液进口24和第二冷却液出口2320，第二冷却液进口24和第二冷却液出口2320与第二循环水泵连通，应当注意的是，第二冷却液进口24和第二冷却液出口2320并不与第二冷凝管21连通，次冷凝管22实质上是一个冷凝水套，与第二冷凝管21的外侧进行冷凝换热。第二冷凝管21的出口与冷凝液储存罐25一端连通，冷凝液储存罐25的冷凝液排放口26与尾气处理器27的进气口连通，尾气处理器27的尾气排放口28则开放至大气层。另外通过控制第一循环水泵的流量和第二循环水泵流量，进而可以控制冷凝的速率，上述的双冷凝结构能够实现减容排放；通过控制流量在反应初期可以实现反应的持续进行，反应后期可以实现降解液体的减容，反应所产生蒸汽和废气依次流经通过第一冷凝管17和第二冷凝管21并冷凝成冷凝水冷凝液，冷凝液可以直接外排，达到减容效果，废气进入尾气处理器27处理后直接排放，这种结构更为环保，更加安全稳定。本实施例的放射性废离子交换树脂快速降解装置的工作过程，首先，进料系统中的催化剂进料罐1、放射性废离子交换树脂进料罐3和氧化剂进料罐15分别将催化剂、放射性废树脂、氧化剂投入至反应系统中的反应釜9内，然后微波加热装置对反应釜9内的混合液体进行微波加热，混合液体在微波加热的作用下实现体系的加热和降解反应，其所产生的反应物落入反应釜9的卸料口14，在微波加热反应过程中，树脂完全降解所产生的废气或蒸汽依次流经由第一冷凝管17和第一冷凝管17，第一冷凝管17和第一冷凝管17对蒸汽以及部分气体进行冷凝回流，未被冷凝回流的废气流经冷凝液储存罐25后经由尾气处理器27进行冷凝回收处理。与现有技术相比，冷凝回流令降解过程中树脂得到完全降解，保证了反应釜内的降解反应持续进行；后期蒸发二次冷凝减小了降解残液量，实现降解废液的减容，从而尾气和冷凝液达标进行排放，该装置实现了树脂降解和减容的一体化，不必再对降解残液进行减容处理芬顿湿法降解对于树脂有较大的增容，传统处理方式需要再对降解液进行蒸发浓缩，该装置利用微波的热效应可以直接实现后期减容，减小了处理成本和设备，另外，利用微波加热可以有效提高芬顿试剂中羟基自由基产额，降低树脂表面活化能，提高降解效率，缩短降解时间，实现放射性废离子交换树脂的快速降解，提高工作效率。应当说明的是，除了反应釜9自身结构的特性能够有效控制降解所产生的气泡外，气泡在反应釜9内上升的过程中，微波对反应釜9进行加热加热，反应釜9内上升的气泡在热作用下继续膨胀，微波加热有助于气泡膨胀破裂，进一步减小系统气泡量，另外，继续上升的气泡进入第一冷凝管17中，冷凝系统产生较低的管内温度，气泡由于热胀冷缩破裂，从而有效控制气泡的产量。为了能够对降解反应全过程进行监测，能够实现对降解装置进行远程操作，请见图1，炉体5设置有多个用于读取检测数据的信号端子8，本实施例中，反应系统还包括监控模块，监控模块包括主控制器、用于监测炉腔11温度的温度传感器、安装在炉体5的触控显示屏6、用于监测反应釜9内液体污染物的COD传感器、用于监测反应釜9内液体pH值的pH传感器以及用于测量反应釜9内液体的氧化还原能力的氧化还原电位传感器，温度传感器、触控显示屏6、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器均与主控制器通信连接，在实际应用中，温度传感器所监测到的温度信号、COD传感器所监测到的COD信号、pH传感器所检测到的pH信号以及氧化还原电位传感器所检测到的氧化还原信号，这些传感信号都会传输至主控制器，主控制器将这些传感信号转化为电信号至触控显示屏6，触控显示屏6可以根据该电信号而进行对这些传感器所监测的参数值进行显示，使用者则能够直观的实时了解降解装置的工作情况，可以通过触控显示屏6及时对降解装置进行调整，整个监控模块操作方便，能够直观地了解降解的实际情况。应当说明的是，催化剂控制阀2和氧化剂控制阀16也可以与主控制器通信连接，由主控制器对各个试剂的进料量进行控制。反应系统还包括远程控制模块，远程控制模块包括用于调节微波加热强度的调节器、云端服务器以及移动终端，调节器、远端服务器和移动终端均与主控制器通信连接，温度传感器、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器分别产生传感信号至控制器，控制器根据该传感信号传输至云端服务器，云端服务器将传感信号转化为显示信号至移动终端；移动终端发出操作信号至云端服务器，云端服务器根据该操作信号转化为控制信号并输送至控制器，控制器根据该控制信号来控制调节器，这样使用者就可以通过移动终端来对整个降解装置进行远程监控和远程控制，提高装置的自动化程度，减少人力成本。本发明的有益效果：本申请的放射性废离子交换树脂快速降解装置的工作过程。首先，进料系统中的催化剂进料罐1、放射性废离子交换树脂进料罐3和氧化剂进料罐15分别将催化剂、放射性废树脂、氧化剂投入至反应系统中的反应釜9内，然后微波加热装置对反应釜9内的混合液体进行微波加热，混合液体在微波加热的作用下实现体系的加热和降解反应，其所产生的反应物落入反应釜9的卸料口14，在微波加热反应过程中，树脂完全降解所产生的废气经由第一冷凝管17和尾气处理器27进行冷凝收回收处理。与现有技术相比，冷凝回流令降解过程中树脂得到完全降解，减小了蒸发流量保证了降解过程；后期蒸发冷凝实现降解废液的减容，从而尾气和冷凝液达标进行排放，该装置实现了树脂降解和减容的一体化，不必再对降解残夜进行减容处理。另外，利用微波加热可以有效提高芬顿试剂中羟基自由基产额，提高降解效率，缩短降解时间，实现放射性废离子交换树脂的快速降解，提高工作效率，降低了工人的劳动强度和成本。该装置采用微波加热，结合反应釜形状设计和冷凝回流系统，可以有效抑制反应气泡量，提高树脂的降解效率。最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

权利要求：1.一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：包括进料系统、反应系统和尾气处理系统；所述反应系统包括反应釜和安装在反应釜外侧用于微波加热的微波加热装置，所述反应釜设置有卸料口和排气口；所述进料系统包括分别与所述反应釜连通并往其内部供料的催化剂进料罐、放射性废离子交换树脂进料罐和氧化剂进料罐；所述尾气处理系统包括依次连通设置的用于冷凝回流的第一冷凝管和用于蒸发减容蒸汽冷凝的第二冷凝管，第一冷凝管的进气口与反应釜的排气口连通。2.根据权利要求1所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述反应釜呈球形状或者半球形状。3.根据权利要求1所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：从上至下，所述反应釜的横截面积依次减少。4.根据权利要求1所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述第一冷凝管包括设置于其内部的主冷凝管，所述主冷凝管呈螺旋形状，所述主冷凝管设置有位于第一冷凝管外侧的第一冷却液进口和第一冷却液出口，所述第一冷却液进口和第一冷却液出口与第一循环水泵连通。5.根据权利要求1或4所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述第一冷凝管和尾气处理器之间通过第二冷凝管相连通，所述第二冷凝管的外侧套设有次冷凝管，所述次冷凝管设置有第二冷却液进口和第二冷却液出口，所述第二冷却液进口和第二冷却液出口与第二循环水泵连通。6.根据权利要求5所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述第二冷凝管与尾气处理系统之间设置有用于收集冷凝水的冷凝液储存罐。7.根据权利要求1所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述微波加热装置包括具有炉腔的炉体，所述炉体内部设置有微波磁控管，所述反应釜放置于所述炉腔内，反应釜的排气口和卸料口分别伸出所述炉体。8.根据权利要求7所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述反应系统还包括监控模块，所述监控模块包括主控制器、用于监测炉腔温度的温度传感器、安装在炉体的触控显示屏、用于监测反应釜内液体污染物的COD传感器、用于监测反应釜内液体pH值的pH传感器以及用于测量反应釜内液体的氧化还原能力的氧化还原电位传感器，所述温度传感器、触控显示屏、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器均与主控制器通信连接。9.根据权利要求8所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于:所述反应系统还包括远程控制模块，所述远程控制模块包括用于调节微波加热强度的调节器、云端服务器以及移动终端，所述调节器、远端服务器和移动终端均与主控制器通信连接，所述温度传感器、COD传感器、pH传感器和氧化还原电位传感器分别产生传感信号至控制器，控制器根据该传感信号传输至云端服务器，云端服务器将传感信号转化为显示信号至移动终端；移动终端发出操作信号至云端服务器，云端服务器根据该操作信号转化为控制信号并输送至控制器，控制器根据该控制信号来控制所述调节器。10.根据权利要求1所述的一种放射性废离子交换树脂快速降解装置，其特征在于：所述催化剂进料罐与反应釜之间、放射性废离子交换树脂进料罐与反应釜之间和氧化剂进料罐与反应釜之间均设置有控制阀门。

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