废物处理方法和设备 本发明涉及一种废物处理方法和设备，具体地说，这种废物是(尽管不全部是)核废料和其它有毒废物，如含重金属的废物。
化学工业会产生很大体积的有毒废物。相比之下，核工业产生体积小得多的废物，但是法规对这种废物处理的要求更为严格。这种废物可以是高放射性废物或低放射性废物。所有因放射性核素直接沾污形成的废物都必须储存起来或以某种方式处理，使之安全地长期储存。处理高水平废物的方法之一是将其玻璃化成玻璃块。但是，现行的这种方法的固有缺点在于：会进一步产生在熔融操作过程中使用的坩埚核废料，人们不得不要对付它。现有方法在处理废物上是非常有效的，但是是相当昂贵的，因为这是在高水平放射性物质上进行的化学方法。
储存废物的其它技术包括，例如密封在混凝土中，以及压缩并储存低水平废物如工具，手套和衣物。有相当大比例的废料产生于核设备的退役(decommissioning)过程中，由于例如一些核电站接近其使用寿命的末期，所以这种退役变得越来越普遍。因此，在全世界范围内需要开发一种玻璃化方法，在该方法中所谓的二次废物(即处理一次核废物后产生的另一类废物)不会产生或至少产生得很少。
本发明的一个目的就是提供一种对核废物直接进行玻璃化同时最大程度地减少或消除产生二次废物地方法。
本发明的第一个内容是提供一种通过玻璃化处理有毒废物的方法，该方法的步骤包括：使所述废物形成较小的碎片状；使高强度光源对准所述废物和可任选加入的可玻璃化物质；所述高强度光源应具有足够的功率使所述废物熔融并随后玻璃化；冷却并储存所述玻璃化物质。
较好的是，所述高强度光源的光谱是宽频带的。
较好的是，所述宽频带光谱是连续的白光。
较好的是，所述高强度光源是高强度的弧光灯。目前能购得的这种弧光灯的功率高达300kw连续光，并且功率密度高达2000w/cm2。
弧光灯的特殊优点在于：可将它的光聚焦或散焦以控制施加的功率密度；并且与例如激光相比其对着废物的光散布在大得多的区域上。
弧光灯的另一些优点在于：与激光的1％能量利用率相比，其能量利用率高得多，约50％；弧光灯的价格较低，并且在其操作所需的辅助设备中，它们更为简便，使用方便。
弧光灯另外的优点是与其发出的光的特性有关的。其发出的白光中含有高比例的紫外光(UV)，而紫外光是一种能量高热量低的光的形式。由于UV光在化学键上的作用，这种光特别适用于将潜在危险和有毒的有机分子分解成毒害较少的分子。因此，弧光灯产生的用于熔融废物的白光，特别适用于处理含这种潜在有害有毒有机化学品的所谓混合废物。其白光中还含有大量的红外光(IR)，这是一种热量较高的白光组分。
本发明方法宜在密闭的容器(以容纳所有潜在有害物质)中进行。该容器可带所有必需的供给，如处理气体，冷却液体，电气控制装置和其它要求的供给。
采用弧光灯熔融法，可用本发明方法从一次废物中直接生产玻璃化的废物。当废物(例如金属或有机废物)不能自然地冷却成玻璃化固体时，可向该废物中加入其它可玻璃化的物质(如混凝土、砂、氧化铝等)作为滞留或密封废物的玻璃化粘合剂。
有些废物(如混凝土)是天然可玻璃化的，不需要向其中加入其它材料。
可使用本方法以堆积的方式通过层-层堆积或向熔融池(如在钢桶中的熔融池)中连续加料的方式，生产大体积固态玻璃化废物。可用连续的料流形式将废物导入钢桶，同时令弧光灯光束直射到钢桶中。钢桶和光束以预定的轨迹作相对移动，以便废物导入钢桶后即能直接熔融。一旦钢桶中废物达到预定的高度，则停止处理，令钢桶冷却并密封储存。还可进行一些改进，例如通过控制玻璃化材料的进料以及钢桶和光束相互间的相对位置，在沾污的物质周围形成相对较纯的玻璃化材料(如石英砂)的“表皮”。
在本发明方法的另一个实例中，形成了玻璃化的小球。经磨碎的废料以及或要添加的可玻璃化物质装入例如备有流化床装置的处理室内，流化床装置使废物保持悬浮，同时由高强度光源加热使废物熔融玻璃化成小球状。可按预定的时间间隔接通和关闭热源，使玻璃化小球在热源关闭期间冷却并固化，使之从处理室内移出并置于合适的储存设备中。
或者，这种玻璃化小球的生产方法可以是一种半连续的方法，即随着加热时间的延长，由于熔融小球的团聚而使小球变得更重，使小球穿过流化床降落至预定的高度，在该高度这些小球作为半连续方法的一部分能被自动地除去。
本发明的第二个内容是提供玻璃化处理有毒废物的设备，该设备包括一个可密封的处理室；将高强度光源对准所述处理室中所述废物的装置；所述高强度光源应具有足够的功率使所述废物熔融并随后玻璃化；以及在所述处理室中容纳所述废物的设备。
高强度光源宜为白光弧光灯。
处理室可装有氧气供应装置以便在处理过程中形成氧化气氛，或者可形成还原气氛(如装有氢气供应装置)。使用何类气氛由所处理的材料及其特别的需要所决定。
为了更全面地了解本发明，下面将参考附图对一些实施例进行描述，其中：
图1是用于实施本发明方法一个实例的设备的示意图；
图2是实施本发明方法第二个实例的设备的示意图。
现在来看这些附图，其中相同或相似的特征由相同的标识数字表示。
图1是一个用10表示的设备示意图的侧视图，用于实施本发明方法的第一个实例。该设备包括具有线型弧光灯管14和反光器16的弧光灯源12，它能产生边缘基本平行的高强度光束18。但是通过控制灯管14和反光器16的相对位置，可按需要对光束18聚焦或散焦用以控制照射目标上的功率密度。光束18穿过窗22进入处理室20，窗22具有两层半透明的壁24和26，在这两层壁之间流动着冷却液(如水)，在冷却液的进口和出口处装有套管接口30，32。窗由低吸收光学玻璃(如熔凝氧化硅或石英)制成。一根惰性气体供气管36被置于处理室20中，其排列能使吹出的气体流贴住窗22的内表面，以减小由于烟雾和颗粒凝聚造成的光性能下降。还可使用静电场免除颗粒在窗22上的沉积，可以添加这个措施或者用它来代替惰气流措施。处理室20一般是密封的，为的是防止有毒物质的外溢，但装有门40以便在操作运行之后能进入其内部。在处理室20的底部是以44笼统表示的可动机械装置，能使位于其上面的不锈钢收集容器46作受控横向移动包括旋转。位于处理室20上部的导管50将经粉碎的废物52(如虚线所示)输入处理室内，废物穿过光束18后落向容器46。向下倾斜的挡板54能令所有的废物落入容器46。另一根导管60将未沾污的物质(如石英砂或氧化铝)输入容器46中。根据所处理废物的性质，处理室还可备有其它导管(笼统地以单根导管47表示)用以供应任何要求的处理气体。例如，可输入惰性二氧化碳气体，氧气或氢气，使处理室20内的气氛是惰性的，氧化的或还原的。还可使用负压。可在处理室壁上装一导管68，排出处理过程中的气体产物，该导管与泵和过滤装置相连(图中未示)。
在操作中，上述设备的使用方法如下。通过导管60将未沾污物质(如砂)输入容器46的底部和边缘周围。该容器通过横移/旋转台44进行运动，使砂被光束18加热并熔融，在容器62的底部和侧面周围形成玻璃化层62，直至要求的厚度。通过导管50将废物52(如经粉碎的沾污混凝土)输入容器46。废物穿过光束18下落，并当其下落至容器46的底部时被加热，在该处由于光束18的加热作用以及还由于容器中先前熔融的砂62的热量传导，废物熔融成为玻璃化物质64。以这种方式，容器中玻璃化物质的高度就增加直至达到要求的高度，未沾污的物质和废物相继加入，结果玻璃化废物容纳在由相对较纯的玻璃化物质62构成的外层的里面，最后加入的物质是未沾污的物质，在其顶部就形成了相对未沾污的顶层。容器46及其容纳物充分冷却以后，就可将容纳物从处理室中移出，然后在其顶部焊接上一个盖子(图中未示)。
图2是实施本发明方法第二个实例的示意性设备的侧视图。该设备包括底部装有一流化床70的密闭处理室20。其它特征，例如包括弧光灯12，半透明窗22和其它一般特征与图1相似。废物52也通过导管50输入落进流化床中，通过箭头72所示的气流保持悬浮。处理室20还装有由74示意性地表示的泵，以产生流化床70所需的气流。当经粉碎的废物52处于悬浮状态时，它被光束18加热并熔融成小球76，并与邻近的熔融小球团聚。随着团聚造成小球76的粒径增加，它们通过流化床70落到一个位置，在该位置它们被导管78抽去进行收集和储存。可将一部分光束18转移射向进入的气流72对其预热，使废物52部分地由流化床气体加热。
因此，用本发明方法，可直接将沾污的废物玻璃化成大体积固体物质或小球，而不像现有方法那样产生大量的二次废物，发生后续沾污。
另外，与现有高强度光源(如激光)相比，使用高强度弧光灯作为热源效率更高，成本更合理，使用白光源会带来许多好处。