СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ХЛОРСОДЕРЖАЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/32 

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых горючих радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при сжигании твердых радиоактивных отходов, образующих при сгорании газообразные продукты, содержащие в своем составе кислые агрессивные компоненты.

В печах сжигаются самые различные радиоактивные отходы: древесные и целлюлозно-бумажные отходы, биологические материалы, отходы растительного происхождения, резина и синтетические материалы, отходы с остатками масел и нефти и т.п. При сгорании отходов образуются дымовые газы, содержащие в своем составе такие агрессивные компоненты, как хлор, хлористый водород, фосген, фтористый водород, окислы серы. Особенно агрессивными газами являются хлор и хлористый водород, которые образуются при сжигании пластмасс и фильтров ФПП-15.

Известен способ сжигания твердых радиоактивных отходов, содержащих поливинилхлоридные изделия и биологические объекты в электропечи с металлической камерой сжигания [1] Недостатком известного способа является его значительная потенциальная опасность реализации за счет образования сильнокорродирующих газообразных продуктов сгорания, источником образования которых наряду с поливинилхлоридом являются также и биологические отходы [2] а также невозможностью повышения температуры свыше 700-750^oC (из-за резкого возрастания реакционной способности кислых компонентов отходящих газов с материалом печи), что приводит к значительному недожигу зольного остатка.

Известен другой способ сжигания твердых радиоактивных отходов, образующих при сгорании сильноагрессивные кислые газы [3] Способ включает в себя сжигание твердых отходов и особенно пластиков в псевдоожиженном слое карбонита натрия, с которым вступает в реакцию большая часть образующегося хлористого водорода (эффективность нейтрализации достигает 80%). Недостатками известного способа является обязательное предварительное измельчение сжигаемых отходов, а также повышенный золоунос радиоактивных продуктов сгорания, что усложняет систему газоочистки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ твердых радиоактивных отходов, в котором сжигающей средой является расплав солей, состоящий из смеси Na₂CO₃ (90 мас.) и Na₂SO₄ (10 мас.). [4] Na₂CO₃ является в этом процессе теплопроводящей реакционной средой, а также нейтрализующим агентом для кислых газов, выделяющихся при сгорании отходов. Na₂SO₄ служит катализатором процесса сжигания.

Недостатками известного способа являются:
пониженная экономичность способа, обусловленная тем, что нагрев солей до температуры плавления каждый раз необходимо осуществлять с помощью внешних нагревателей и необходимостью использования катализатора процесса сжигания8;
повышенный унос радионуклидов в летучей и аэрозольной формах, обусловленный высокой температурой расплава (до 1000^oC), определяемой свойствами теплопроводящей среды;
невысокая степень нейтрализации кислых компонентов отходящих газов, обусловленная тем, что сгорание отходов происходит не в объеме расплава, а на его поверхности, что влечет за собой выброс части непрореагировавших кислых газов в газоочистную систему.

Преимуществами заявляемого способа являются повышение экономичности и безопасности реализации способа за счет уменьшения энергозатрат, исключения из технологического процесса балластных веществ (катализатора), снижения температуры сжигающей среды, а также повышения степени нейтрализации кислых компонентов отходящих газов.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что в заявляемом способе на дне емкости размещают слой порошкообразной экзотермической смеси состава в мас.

Порошок магния 50-80
Калий азотникислый 1-5
Масло индустриальное 1-2
Порошок алюминий магниевого сплава Остальное,
на котором размещаются слой радиоактивных отходов, состоящих из галогенсодержащих органических отходов (в основном полимеров) и отходов биологического происхождения (трупов животных). Поверх слоя радиоактивных отходов вновь размещают слой порошкообразной экзотермической смеси. Указанное количество слоев является минимально необходимым для осуществления процесса сжигания радиоактивных отходов, образующих кислые отходящие газы, после чего операции повторяют до полного заполнения емкости, которую закрывают крышкой, снабженной газоотводным трубопроводом, подсоединяемым к газоочистной системе, причем первый и последний слои обязательно должны быть слоями из порошкообразной экзотермической смеси. Высота последнего (верхнего) слоя всегда больше, чем высоты остальных слоев экзотермической смеси. Емкость заполняют таким образом, чтобы между чередующимися слоями и стенками емкости оставался зазор, который также заполняют экзотермической смесью. Поджог осуществляют начиная с верхнего слоя. Указанные признаки обеспечивают непрерывное горение всей смеси с движением фронта горения сверху вниз. После окончания проведения процесса емкости разгружают, а полученные твердые продукты сгорания направляет на омоноличивание предпочтительно методом цементирования, т.к. шлак пиротехнической смеси имеет сходную химическую природу с цементообразующими компонентами.

Порошок магния обеспечивает горение экзотермической смеси. Алюминиево-магниевый сплав предназначен для предотвращения бурного процесса горения магния (вследствие его пирофорности) и придания его протеканию более спокойного характера, т.к. при бурном горении возможен выброс в газоочистную систему твердых продуктов горения, что повлечет за собой ее быстрый выход из строя. Нитрат калия играет роль окислителя на первой стадии воспламенения пиротехнической смеси, а индустриальное масло представляет собой технологическую добавку, ликвидирующую пыление порошков металлов, входящих в состав смеси. Кроме того индустриальное масло в сочетании с нитратом калия обеспечивает безотказное воспламенение смеси, рыхлит шлак в процессе горения, обеспечивает требуемую пористость для диффузии кислорода.

Для обеспечения непрерывного горения всей порошкообразной экзотермической смеси между размещаемыми в емкости чередующимися слоями отходов и смеси и стенками емкости оставляют зазор, который заполняют экзотермической смесью.

При содержании в составе смеси нитрата калия менее, чем 1 мас. не обеспечивается воспламеняемость смеси без применения термита, использование которого нежелательно из-за весьма высокой температуры горения термита, которая будет сопровождаться интенсивным улетучиванием радионуклидов в газовую фазу. Увеличение содержания нитрата калия сверх 5 мас. может привести в возникновению пламенного факела, что также приведет к увеличению степени улетучивания радионуклидов.

При содержании индустриального масла менее, чем 1 мас. не все частицы композиции обволакивают маслом и смесь пылит, что нежелательно из-за возможной опасности взрыва в верхней части емкости, а увеличение содержания масла сверх 2 мас. может привести к образованию пламенного факела за счет горения излишков масла, дымообразованию и повышенному уносу радионуклидов.

При содержании порошкообразного магния в составе смеси менее чем 50 мас. не обеспечивается поддержание стабильной температуры горения, а увеличение его доли сверх 80 мас. может привести к объемному пламенному горению, что также будет иметь следствием повышенный унос радионуклидов.

Алюминий в составе экзотермической смеси играет роль основного теплотворного компонента и используется в виде алюминий-магниевого сплава, стандартно выпускаемого отечественной промышленностью, при соотношении магний-алюминий 1:1[5] Достоинством использования алюминий-магниевого сплава является повышенная пористость образующегося при горении шлака, что улучшает процесс горения, а также предотвращает возможный выброс шлака вместе с газообразными продуктами горения.

Снижение содержания алюминий магниевого сплава в составе смеси приведет к снижению температуры беспламенного горения, что будет иметь следствие неполное сжигание радиоактивных отходов, а его увеличение повысит плотность образующегося шлака, что может быть причиной его самопроизвольного выброса в газоочистную систему.

Помимо выполнения своей основной функции (сжигание отходов) порошкообразная экзотермическая смесь при сгорании образует шлак, состоящий в основном из MgO(приблизительно 80% ) и MgAl₂O₄(приблизительно 20%), который, вступая в реакции с кислыми газообразными компонентами отходящих газов (в основном с хлором, хлористым водородом, фосгеном, а также кислыми газообразными продуктами сгорания биообъектов) нейтрализует их. Кроме того, шлак хорошо задерживает аэрозольные продукты сгорания отходов. Таким образом в заявляемом способе экзотермическая смесь является не только средством сжигания отходов, но и представляет собой источник образования химико-механического фильтра очищающего образующиеся кислые радиоактивные газы в процессе сжигания отходов.

Для обеспечения наиболее эффективной нейтрализации образующихся газов поджег экзотермической смеси осуществляют начиная с верхнего слоя таким образом, чтобы уже к начальному моменту образования отходящих газов сжигаемые радиоактивные отходы были покрыты слоем нейтрализующего шлака. По мере движения фронта горения сверху вниз количество таких слоев увеличивается, что повышает эффективность газоочистки. Чтобы предотвратить возможный проскок кислых газов вдоль стенок емкости, в которой происходит сжигание, а также для обеспечения непрерывности горения экзотермической смеси между чередующимися слоями отходов в экзотермической смеси и стенками емкости оставляется зазор, заполняемый экзотермической смесью.

Количество слоев экзотермической смеси определяется по формуле:
N_экз n + 1,
где n количество слоев сжигаемых отходов,
причем n должно быть не менее 2, а высота верхнего слоя экзотермической смеси должна быть не менее, чем в 2 раза больше высот других слоев экзотермической смеси. Объясняется это тем, что при n 1 сжигаемые отходы будет покрывать всего один слой нейтрализующего шлака, что обеспечивает нейтрализацию кислых газов по хлору приблизительно на 75-80% т.е. примерно также, как и в прототипе. В случае же, если n 2 степень связывания возрастает уже до 90% При n 3,4 и т.д. степень связывания будет свыше 90%
Как уже говорилось ранее при сжигании биологических объектов также образуются агрессивные химические соединения, имеющие в своем составе хлорид-, сульфат-, и нитрат-анионы [6] и способные конденсироваться в системе газоочистки (газообразные продукты горения галогенсодержащих полимеров конденсат не образуют). Наибольшая доля здесь приходится на нитрат-анион (до 90%). При переработке таких отходов в ходе проверки способа согласно прототипу величина pH конденсата находится в пределах 4 5, т.к. при сжигании на поверхности расплава солей часть кислых газов выбрасывается в систему газоочистки без нейтрализации (в случае сжигания в обычной печи pH конденсата составляет порядка 1 3). В предлагаемом способе, где сжигание фактически происходит в объеме сжигающего материала величина pH конденсата колеблется в интервале 6 7 для трех слоев порошкообразной экзотермической смеси. В случае увеличения количества слоев экзотермической смеси степень нейтрализации кислых газов будет еще выше.

В ходе проверки реализации способа было установлено, что при окислении белков и жиров, входящих в состав биообъектов выделяется значительное количество тепла (5000 9000 ккал/кг), что существенно облегчает процесс сжигания всей массы отходов. Установлено также, что в процессе пиролиза белков и жиров образуются паро- и газообразные продукты, представляющие собой сильную окисляющую среду из чего следует, что процесс сгорания радиоактивных галогенсодержащих полимерных отходов и биообъектов может происходить даже без доступа воздуха. Температуры сгорания отходов без доступа воздуха составляет порядка 800 1200^oC, а в присутствии кислорода воздуха скачкообразно возрастает в 2 3 раза.

Таким образом по сравнению с прототипом при сжигании отходов по предлагаемому способу происходит более эффективная нейтрализация отходящих кислых газов, образующихся как галогенсодержащими полимерами, так и биообъектами, а степень уноса радионуклидов снижается в 1,5 2 раза.

Способ реализуется следующим образом.

На дно емкости насыпают слой порошкообразной экзотермической смеси высотой 25 мм, на котором размещают слой измельченных радиоактивных отходов высотой 100 мм. Поверх радиоактивных отходов насыпают второй слой порошкообразной экзотермической смеси высотой 25 мм, на котором вновь размещают слой измельченных радиоактивных отходов высотой 100 мм и который сверху пересыпается слоем порошкообразной экзотермической смеси высотой 50 мм. Боковые зазоры между чередующимися слоями отходов и экзотермической смеси и стенками емкости толщиной 25 мм также засыпаются порошкообразной экзотермической смесью. После этого закрывают крышку емкости и осуществляют дистанционный поджег верхнего слоя с помощью электрического разряда. Закрытая емкость находится под небольшим разряжением (100 200 мм вод. ст.) для предотвращения выброса отходящих газов в окружающую среду. Время сжигания радиоактивных отходов оставляет 45 мин, а максимальная температура процесса горения не превышает 900^oC.

Как показали результаты анализа степень очистки (по хлорид и нитрат-аниону) отходящих кислых газов составляет порядка 90,5% степень уноса радионуклидов в газоочистную систему не превышает 15% от исходной суммарной активности партии сжигаемых отходов, коэффициент уменьшения объема составляет 17 20, а коэффициент массы 2,5 2,7 (в способе согласно прототипу степень уноса радионуклидов составляет порядка 22 30% от исходной суммарной активности)
Таким образом заявляемый способ позволяет значительно снизить энергозатраты за счет отказа в необходимости приготовления ванны смеси солевых расплавов, повысить экономичность за счет исключения использования катализатора, снизить степень уноса радионуклидов за счет уменьшения рабочей температуры сжигания и повысить степень безопасности реализации способа за счет увеличения степени нейтрализации отходящих кислых газов в процессе сжигания.

Источники информации
1. Соболев И. А. Хомчик Л.М. "Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах", М. Энергоатомиздат, 1983, с. 24-27.

Соболев И.А. Хомчик Л.М. "Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах", М. Энергоатомиздат, 1983, с.31.

Соболев И.А. Хомчик Л.М. "Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах", М. Энергоатомиздат, 1983, с.32-33.

Соболев И.А. Хомчик Л.М. "Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах", М. Энергоатомиздат, 1983, с.34.

ГОСТ 5593, "Порошок алюминиево-магниевый"
"Исследования в области обезвреживания жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов и дезактивации загрязненных поверхностей", труды научно-технической конференции, т. 1, Варшава 1973, с.282-290.

Использование: переработка твердых горючих радиоактивных отходов. Сущность: Измельченные радиоактивные отходы послойно пересыпают порошкообразной экзотермической смесью, после чего поджигают. Смесь состоит из: порошка магния 50-80 мас.%, калия азотнокислого 1-5 мас.%, масла индустриального 1-2 мас. %, порошка алюминий-магниевого сплава остальное. Достигаемый технический результат - снижение энергозатрат, снижение температуры горения и повышение степени нейтрализации отходящих кислых газов.

Способ сжигания твердых радиоактивных отходов, включающих хлорсодержащие полимерные материалы и биологические объекты, путем их сжигания в тепловыделяющей среде, отличающийся тем, что в качестве тепловыделяющей среды используют порошкообразную экзотермическую смесь состава, мас.

Порошок магния 50 80
Калий азотнокислый 1 5
Масло индустриальное 1 2
Порошок алюминий-магниевого сплава Остальное
слои которой в чередующемся порядке со слоями измельченных отходов размещают в емкости таким образом, чтобы между ними и стенками емкости оставался зазор, заполняемый порошкообразной экзотермической смесью, причем нижний и верхний слои состоят из порошкообразной смеси, высота верхнего слоя составляет не менее двух высот каждого из остальных слоев экзотермической смеси, равных между собой, количество слоев экзотермической смеси определяют по формуле
N_э к з n + 1 при n > 2,
где n количество слоев измельченных радиоактивных отходов,
а поджог экзотермической смеси осуществляют, начиная с верхнего слоя.