科茲洛杜伊的等離子體放射性廢物處理廠

【導言】等離子體技術可用於處理一系列的放射性廢物，目前保加利亞的一座新等離子體放射性廢物處理工廠已經完成了調試、測試工作。未來可以對科茲洛迪的放射性廢物進行處理，以便減少放射性廢物的體量。

Kozloduy等離子體熔化設施

等離子體技術可以用於處理一系列的放射性廢物，Jan Deckers和Mieke Roos對保加利亞的一座新等離子體放射性廢物處理工廠處理Kozloduy的廢物進行了說明。

2009年初，保加利亞的Kozloduy與西班牙的Iberdrola Ingeniería y Construcción、比利時的Belgoprocess公司簽署了合作協議，主要是聯合建設一座使用等離子體技術處理放射性廢物並減少廢物體積的工廠設施。該投資合同規定保加利亞政府負責其中30%的投資，EBRD的科茲洛杜伊國際退役支持基金負責剩餘的70%資金。

廢氣和進料系統局部圖

工程公司Iberdrola是這家合資企業的領導者，主要負責詳細的工程設計、關鍵組件的採購、現場管理、安全評估報告的撰寫以及許可證的申請。Belgoprocess公司負責工藝流程的設計，設施的設計、工程文檔的審核、相關的環境影響評估、設施的調試、啟動以及相關操作人員的培訓。

Kozloduy的等離子體熔化設備（PMF）是由傾斜的等離子爐，以及作為熱源的500kW的火炬組成的，每年可以處理250噸的中低放廢物，每年可運行40周以上。在廢物處理過程中，有機廢物被氣化，無機廢物則被熔化，這樣則減少了廢物的數量並起到了固定作用，最終產品是堅硬的固體廢渣。煙氣則經過與傳統的放射性廢物焚燒爐相似的廢氣處理系統進行處理（比利時工廠現在有一個），設施的設計使用壽命為40年。

調試

目前已經完成等離子體工廠的驗收、測試工作，Iberdrola-Belgoprocess合資公司目前已將所有的主要設備組件轉交給了Kozloduy。

設備的現場建設始於2015年，這項工作極具挑戰性，因為必須擴建現有的建築（AB-2）以便可以在裡面安裝組件。2016年10月開始調試工作，2017年開展熱爐的綜合測試和安全測試工作，此後還開展了「72小時」的現場驗收測試，整個流程中使用模擬放射性廢物連續運行了三天（以便進行測試）。在1300℃的溫度下成功地進行了不同熱廢渣的澆築工作，以及最終的安全性測試。

原定計劃在2018年5月，合資公司要開展120小時的測試，在此期間核廢料將連續120小時進料和處理。

大型設備裝入PMF建築

使用單一流程處理各類廢物

PMF每年將處理250噸放射性廢物，按照保加利亞的相關法律，這些廢物被定為2a類，主要包括：

裝在袋中的有機未處理廢物，其體積減少係數VRF為80；

體積為200L，裝有壓實有機和無機廢物的桶，VRF為20；

液體廢物，如油以及廢離子交換樹脂。

廢物的放射性約為5×10^5Bq/kg。PMF處理使用同一個流程來對這些不同的廢物進行處理，這些廢物包裝無需開封、預處理、分類等流程就可以直接進行處理，這樣就可以避免放射性污染的風險，而且按照ALARA原則限制了吸收的放射性劑量。

設施設計

PMF具有以下組件：

一種帶有氮氣保護氛圍的擠壓式喂料雙刀粉碎機；

帶有火炬的初級處理室和密封的固體廢渣收集室；

二次燃燒室，主要用於將合成氣與空氣混合，以完成對主要燃燒組分的氧化；

用於冷卻廢氣的鍋爐；

廢氣過濾和放射性凈化系統，包括袋式過濾器和高效微粒空氣冗餘過濾器；

濕廢氣洗滌系統，由冷卻塔和逆流洗滌塔組成，主要用於除去HCl和二氧化硫；

煙氣抽風機，主要用於保持系統中的連續負壓和排出煙氣；

催化劑系統，主要減少NOX的產生；

連續排放監測和輻射檢測系統。

主要部件

傾斜爐

PMF傾斜爐設計的主要目的是將爐渣以可控的方式倒入模具中，這是一個封閉系統，因此並不會有放射性和有害物質的釋放。等離子體爐體的運動部件很少，可以避免後續的維護，而且可以靈活的處理玻璃或者金屬狀爐渣，目前正在申請該系統的專利。

等離子體火炬

PMF使用5000℃的等離子弧作為熱源。火炬包括兩個金屬管狀電極（分別位於等離子體流動方向的上游和下游），由氣體注入室隔開。電弧在正電極和負電極間產生，因此進入腔室的氣流可被電離，結果則是來自下游電極的高溫氣體流被射入等離子體流體中。其功率一般在100KW到幾MW間，工藝條件可在惰性氣體氛圍（Ar和氮氣）到氧化態（空氣或者純氧）間變化。PMF用於切割的火炬額定功率為500kW，火炬使用氣體為壓縮空氣。

進料系統

PMF使用連續進料的兩級粉碎裝置，通過連續進料可以降低廢氣峰值流速，切碎的廢物被轉移到具有旋轉連接裝置的進料管中，這樣使得粉碎機的管道需要與傾斜爐固定安裝。在爐子的另一側，受（放射性）污染的熱氣體可在1300℃下被轉移到補充燃燒室。

爐渣收集室

金屬在等離子體中熔化並被氧化。混凝土廢渣、沙子、無機物顆粒、礦物岩棉以及石棉等絕緣材料熔化，轉化成為化學惰性，無定形的玻璃狀爐渣，而液體和有機物質蒸發，因此殘渣中不含有機物。

產生的爐渣達到200L後，將被倒入爐渣模具中，此時爐內將剩下50L的爐渣，作為下一批廢料繼續處理，剩餘的爐渣還可以起到保護爐體的耐火材料免受高溫的影響。

爐渣在限制區域被倒入模具，以便防止污染物擴散到其他工作區域和環境中。爐渣的放射性需要限制在低放廢物類別中，這是因為中等放射性廢物還需要額外的防護措施，而且儲存費用會更加昂貴，因此需要對放射性廢物的放射性劑量進行監測和限制。

廢氣系統

和傳統的放射性廢物焚燒爐一樣，煙道氣經過熱氧化室進行處理，碳氫化合物被氧化成CO2，H2O，HCl和SO2。

廢氣清潔是一個多步驟過程，以對這些化學物質，例如飛灰、HCl、SO2和放射性依次進行處理。飛灰可以送回等離子爐再次處理。

適用性

如上所述，等離子體技術幾乎可以處理所有類別的放射性廢物，這樣使得該項技術特別適合於處理歷史遺留的放射性廢物。

放射性廢物可以高VRF處理，需要的準備工作較少而且放射性污染風險最小化，由於最終的廢物中並不含有有機物和液體，因此滿足需要長期存儲的、最終處置的、嚴格的質量和穩定性要求。

因此即便是歷史遺留下來的、不滿足當前接收標準的瀝青或者混凝土基質的放射性廢物，也可以在等離子體設施中進行再處理，以可被接收的產品形式進行最終儲存處理。

【作者簡介】Jan Deckers，Belgoprocess的技術業務經理；Mieke Roos，Belgoprocess的國際業務發展經理。

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