СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК G21F9/28 G21F9/32 

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых радиоактивных отходов (ТРО). Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при сжигании ТРО с последующим переводом продуктов сжигания в твердое монолитное состояние, пригодное для долгосрочного хранения в специализированных могильниках. Заявляемый способ предназначен для переработки ТРО, имеющих с своем составе целлюлозосодержащие компоненты (бумага, дерево, х/б ткань), стекло, грунт, полимеры, а также ионообменные смолы (ИОС).

Известен способ, описанный в "Способе и устройстве для сжигания и компактирования радиоактивных отходов" (1), включающий нагрев флюса, образующего эвтектику с золой радиоактивных отходов (РАО), до расплавленного состояния, подачу небольшими порциями на расплавленный флюс радиоактивных отходов и в область над верхним уровнем расплава флюса - кислородсодержащего газа. Образующаяся при сгорании РАО зола расплавляется во флюсе, после чего смесь охлаждают до образования твердого монолитного состояния и направляют на долгосрочное хранение.

Недостатками известного способа являются:
- повышенная опасность его реализации из-за интенсивной улетучиваемости радионуклидов, связанной с тем, что сгорание РАО происходит на поверхности расплава флюса при непосредственном контакте с газовой фазой;
- пониженная степень сокращения объема РАО из-за использования в качестве отверждающей среды нерадиоактивного флюса;
Известен "Способ уменьшения объема радиоактивных отвальных продуктов" (2), включающий нагрев в индукционном поле РАО (отработанное топливо ядерных реакторов), содержащих стекло, металл, целлюлозосодержащие материалы в присутствии окисляющего газа, подаваемого снизу вверх через слой РАО. В процессе нагрева металл переходит в состояние расплава, обеспечивая тем самым сгорание горючей части РАО и последующее плавление продуктов сгорания. При сливе осуществляют разделение металлической и шлаковой фаз, их охлаждение до монолитного состояния и направление на долгосрочное хранение.

Недостатками известного способа являются:
- повышенная опасность его реализации из-за интенсивной улетучиваемости радионуклидов, связанной с тем, что сгорание РАО происходит на поверхности расплава металла при непосредственном контакте с газовой фазой;
- ограниченная применимость способа из-за возможности его реализации только для металлосодержащих отходов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ переработки ТРО, состоящих из горючих целлюлозосодержащих (бумага, древесина, х/б ткань) и негорючих (стекло, грунты) компонентов, описанный в "Плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов" (3), включающий брикетирование ТРО, транспортировку брикетов через зону сушки с начальной температурой 100^oC и конечной 200^oC и последовательную транспортировку полученного после зоны сушки продукта через зону пиролиза с начальной температурой 200^oC и конечной 800^oC, зону сжигания с начальной температурой 800^oC и конечной 1400^oC, зону плавления с начальной температурой 1400^oC и конечной 1600^oC (средняя температура в зоне плавления составляет 1500^oC) и выгрузку шлакового расплава, причем в зону пиролиза дополнительно подают жидкие негорючие радиоактивные отходы (ЖНРО), а в зону сжигания - газообразный кислородсодежащий окислитель. Нагрев зоны плавления осуществляют плазменной струей топливо-плазменного реактора с тангенциальным вводом топлива. Движение отходящих газов из каждой последующей зоны нагрева ТРО осуществляют через предыдущие в направлении, обратном направлению транспортировки ТРО, что является предварительной фильтрационной очисткой отходящих газов, где в качестве фильтрующего материала используют твердые продукты зон нагрева ТРО, затем отходящие газы из зоны сушки направляют на стадию дожигания и газоочистку, включающую минимально необходимые стадии охлаждения, грубой фильтрации, предварительного нагрева и тонкой фильтрации, после чего отходящие газы проходят обязательную стадию заключительного нагрева и сбрасываются в атмосферу, причем отфильтровываемый радиоактивный твердый продукт на стадии грубой фильтрации подлежит дальнейшей переработке.

В зоне сушки происходит удаление свободной влаги, а в зоне пиролиза - образование смеси негорючих компонентов ТРО и коксообразного материала, образующегося из горючей части ТРО в условиях недостатка доступа кислорода, который обеспечивается за счет предварительного брикетирования ТРО. ЖНРО в зоне пиролиза ТРО подвергаются кальцинации и образуют флюсующие компоненты, способствующие последующему после зоны сжигания плавлению зольного остатка. В зоне сжигания в условиях подачи кислородсодержащего газообразного окислителя происходит сгорание коксообразного материала до золы, а в зоне плавления - образование расплава шлака, который разливают в контейнеры, охлаждают и направляют на хранение.

Недостатками известного способа являются:
- ограниченность применимости способа для переработки различных по составу ТРО из-за невозможности переработки ТРО, содержащих полимеры и ИОС, вследствие образование ими в зоне пиролиза высоковязких газонепроницаемых продуктов, а также невозможности переработки отработанных ИОС, содержащих радионуклиды никеля, марганца и кобальта из-за интенсивного перехода последних в газовую фазу в форме летучих соединений;
- пониженная производительность способа по перерабатываемым ТРО, связанная с низкой скоростью протекания из-за повышенной длительности сушки и пиролиза;
- повышенная опасность реализации способа, связанная с интенсивным переходом в газовую фазу летучих и аэрозольных форм радионуклидов цезия и стронция в зонах сжигания и плавления.

- пониженное качество твердого продукта, получаемого на стадии грубой фильтрации, связанное с тем, что указанный продукт представляет собой немонолитный радиоактивный сыпучий материал, не пригодный для долгосрочного хранения.

Преимуществами заявляемого способа являются расширение применимости способа для переработки различных по составу ТРО, повышение производительности способа по перерабатываемым ТРО, повышение безопасности реализации способа и повышение качества твердого продукта, получаемого на стадии грубой фильтрации.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что в ТРО содержащие целлюлозосодержащие компоненты (бумагу, дерево, х/б ткани), негорючие компоненты (стекло, грунт), а также полимеры и ИОС вводят металлические добавки на основе железа и его сплавов, а также алюмосиликаты и флюс, дающий эвтектику со шлаком, образующимся из золы ТРО, затем смесь подвергают брикетированию, полученные брикеты транспортируют через зону сушки и пиролиза с начальной температурой 350^oC и конечной температурой 900^oC, после чего полученный продукт транспортируют сначала через зону газификации с начальной температурой 900^oC и конечной температурой 1200^oC с одновременной подачей в эту зону нагрева водяного пара, а затем через зону сжигания с начальной температурой 1200^oC и конечной температурой 1400^oC и зону плавления с начальной температурой 1400^oC и конечной температурой 1600^oC с одновременной подачей в эти зоны газообразного кислородсодержащего окислителя. Обрабатываемый продукт подвергают выдержке в зоне плавления, причем нагрев зоны осуществляют путем прямого контакта обрабатываемого продукта с переходным участком (4) плазменной струи топливо- плазменного реактора с тангенциально-радиальным вводом топлива, а полученный на выходе из зоны плавления расплав, состоящий из шлаковой и металлической фаз, транспортируют в зону перегрева с начальной температурой 1600^oC и конечной температурой 1650^oC, после чего двухфазный расплав выгружают. Движение отходящих газов из каждой последующей зоны нагрева ТРО осуществляют через предыдущие в направлении, обратном направлению транспортировки ТРО, что является начальной стадией фильтрационной очистки отходящих газов, где в качестве фильтрующего материала используют продукты зон нагрева ТРО, после чего в отходящие газы из зоны сушки и пиролиза добавляют порошкообразные алюмосиликаты, а полученную смесь направляют на стадию дожигания при температуре 1100-1300^oC в плазменную струю топливно-плазменного реактора. После стадии дожигания продукты дожига направляют на газоочистку, включающую стадию промывки и охлаждения, где в них распыляют водную суспензию окислов кальция и магния для нейтрализации кислых компонентов и охлаждения до температуры 200-400^oC, стадию грубой фильтрации, стадии абсорбции, предварительного нагрева и тонкой фильтрации, после чего отходящие газы проходят стадии заключительного нагрева и сброса в атмосферу. Твердую фазу, выделяющуюся на стадиях дожигания и грубой фильтрации, направляют в зону плавления, а твердую фазу со стадии промывки и охлаждения и отработанную промывную жидкость со стадии абсорбции - на цементирование, причем образующиеся цементные камни заливают шлаковым расплавом, отделяемым от металлического в процессе выгрузки двухфазного расплава из зоны перегрева. После охлаждения получаемые радиоактивные цементно-шлаковые блоки и металлические слитки направляют на долгосрочное хранение в специализированные хранилища.

Введение в состав ТРО металлических добавок на основе железа и его сплавов, а также алюмосиликатов обеспечивает повышение безопасности реализации способа за счет того, что радионуклиды никеля и кобальта переходят в образующийся расплав металлических добавок, а алюмосиликаты, связывающие радиоактивный цезий (5) и радионуклиды марганца - шлаковый расплав, что снижает тем самым переход вышеуказанных радионуклидов в форме их летучих соединений в газовую фазу.

Брикетирование за счет создания условий недостатка кислорода обеспечивает получение коксообразного материала из горючей части смеси ТРО.

Транспортировка брикетов через зону сушки и пиролиза обеспечивает, во-первых, ускорение коксования горючей части ТРО и ИОС за счет разрыва брикета под давлением парогазовой смеси, образующейся в его объеме, на более мелкие спрессованные части, а во-вторых, придание газопроницаемости расплаву полимеров, которая достигается в результате его смешения с коксообразным продуктом, получаемым из кусков брикета.

При температуре менее 350^oC не происходит коксования горючей части ТРО и плавления полимеров, а при температуре более 900^oC происходит интенсивная газификация кокса.

Объединение зоны сушки и зоны пиролиза в одну с указанным температурным режимом позволяет повысить суммарную скорость сушки и пиролиза по сравнению с прототипом в 2,5-3,5 раза, а эффективность фильтрации аэрозолей отходящих газов - в 1,4-2,8 раза.

В зоне газификации в присутствии водяного пара происходит образование окиси углерода и водорода за счет взаимодействия водяного пара с коксообразным материалом, а также окиси углерода за счет взаимодействия коксообразного материала с двуокисью углерода, поступающей в указанную зону нагрева с отходящими газами. Окись углерода, водород, а также коксообразный материал восстанавливают летучие окислы цезия до металла, который связывается алюмосиликатами, что обеспечивает поступление радионуклидов цезия в зоне сжигания в термически устойчивом состоянии. Кроме того, в зоне газификации происходит переход различных радиоактивных солей марганца, кобальта, никеля и стронция в их окислы.

При температуре менее 900^oC не будет происходить образования окиси углерода и водорода, а при температуре более 1200^oC начинается плавление флюса и алюмосиликатов, следствием чего будет нарушение режима газопроницаемости.

Наличие зоны газификации с указанным температурным режимом позволяет снизить содержание радионуклидов цезия в отходящих газах из зоны сжигания в 1,8-3 раза.

В зоне сжигания при подаче газообразного кислородсодержащего окислителя происходит окончательное сгорание горючей части ТРО, а также дожиг отходящих газов из зоны плавления.

В зоне плавления происходит плавление шлака и металлов с разделением фаз и гомогенизация их расплавов. Нагрев зоны плавления осуществляют плазменной струей топливно-плазменного реактора с тангенциально-радиальным вводом топлива при прямом контакте переходного участка плазменной струи с расплавляемым материалом, а также за счет подачи в зону плавления газообразного кислородсодержащего окислителя. Кроме того, в зоне плавления происходит восстановление окислов радионуклидов кобальта и никеля до металлов и их переход в металлический расплав, а окислов радионуклидов марганца, стронция и радиоактивных алюмосиликатов цезия - в расплав шлака.

При температуре менее 1400^oC не происходит полного расплавления шлака, а также железосодержащих металлов, а при температуре свыше 1600^oC в условиях выдержки происходит переход в газовую фазу продуктов разложения алюмосиликатов цезия. При тангенциально-радиальном вводе топлива (жидкие или газообразные углеводороды) в топливно-плазменный реактор происходит конверсия топлива с образованием сажи, окиси углерода и водорода. Наличие сажи в плазменной струе топливно-плазменного реактора, чья максимальная концентрация имеет место в переходном участке плазменной струи, обеспечивает дополнительный нагрев расплавляемых материалов за счет теплоизлучения частиц сажи. Кроме того, дополнительный нагрев расплавляемых материалов достигается также и за счет сгорания окиси углерода и водорода при подаче в зону плавления газообразного кислородсодержащего окислителя.

В зоне перегрева достигается снижение вязкости шлакового расплава, обеспечивающее его хорошую растекаемость, необходимую для формирования шлакового блока, заполненного цементными камнями при их заливке расплавом.

Введение порошкообразных алюмосиликатов в отходящие газы из зоны сушки и пиролиза необходимо для их очистки от летучих форм радионуклидов цезия, проскочивших через зоны сжигания, газификации, сушки и пиролиза, причем фиксация цезия на алюмосиликатах происходит на стадии дожигания при температуре 1100-1300^oC (5). Подача отходящих газов в плазменную струю топливно-плазменного реактора на стадии дожигания обеспечивает также полную деструкцию присутствующих в них токсичных органических компонентов и подавляет образование токсичных окислов азота.

На стадии промывки и охлаждения до температуры 200 - 400^oC происходит конденсация летучих неорганических составляющих отходящих газов и их предварительная очистка от кислых компонентов, которая достигается путем взаимодействия кислых компонентов с окислами кальция и магния. Охлаждение отходящих газов обеспечивается испарением водной фазы при вводе водной суспензии окислов кальция и магния.

При температуре менее 200^oC на стадии грубой фильтрации будет происходить конденсация летучих органических производных коксования ИОС и деструкции полимеров, что может привести к остановке грубой фильтрации, а при температуре более 400^oC грубая фильтрация становится неэффективной из-за резкого возрастания проскока отфильтровываемого материала.

На стадии грубой фильтрации происходит грубая очистка отходящих газов, на стадии абсорбции - их доочистка от кислых компонентов и летучих органических производных коксования ИОС и деструкции полимеров, проскочивших стадию промывки и охлаждения, на стадии тонкой фильтрации - тонкая очистка отходящих газов, а предварительный и заключительный нагрев перед стадией тонкой фильтрации и стадией сброса в атмосферу исключает процесс конденсатообразования.

Способ реализуется следующим образом.

100 кг ТРО, содержащих радионуклиды цезия, стронция, марганца, никеля, кобальта с удельной активностью 5•10⁴ Бк/кг и состоящих по своему качественному составу: 35% бумаги, дерева и х/б ткани, 5% стеклобоя, 10% суглинка (грунта), 20% полиэтилена и полипропилена, а также 30% ионообменной смолы КУ-2, смешивают с 3 кг металлических добавок (сталь 3, нержавеющая сталь), 1,5 кг алюмосиликатов (каолинита) и 10 кг флюса (доломитовая мука). Полученную смесь подвергают прессованию под давлением 0,1 - 0,2 МПа с получением брикетов объемом 3 - 5 дм³, после чего брикеты подвергают переработке согласно описанному способу. Количество пара, который вводят в зону газификации, составляет 20 кг, кислородсодержащего окислителя (воздуха), который вводят в зону сжигания - 250 кг, в зону плавления - 30 кг, количество вводимого топлива (керосин) в топливно-плазменный реактор зоны плавления - 4 кг, количество вводимого алюмосиликата (каолинита) перед стадией дожигания - 1 кг, а количество вводимых окислов кальция и магния (при соотношении 1:1) на стадию промывки и охлаждения - 5 кг.

В результате проведенных испытаний было установлено, что:
- заявляемый способ применим для переработки более широкого класса ТРО, чем способ согласно прототипу, т.к. даже в случае наличия в составе ТРО полимерных материалов не наблюдалось нарушения газопроницаемости их продуктов термической обработки, а в случае наличия ИОС, содержащих радионуклиды марганца, никеля и кобальта их концентрация в газовой фазе, направляемой на дожигание, не превышала предельно допустимых норм;
- производительность заявляемого способа по перерабатываемым ТРО возросла по сравнению с прототипом в 1,2 - 1,7 раза за счет сокращения времени проведения сушки и пиролиза в 2,5-3,5 раза;
- заявляемый способ более безопасен, чем способ согласно прототипу, т.к. при его реализации степень перехода в газовую фазу летучих и аэрозольных форм радионуклидов цезия и стронция снижается в 2,5 - 8,4 раза за счет использования алюмосиликатов, введения стадии газификации и повышения эффективности фильтрации аэрозолей отходящих газов за счет объединения зон сушки и пиролиза;
- заявляемый способ обеспечивает повышение качеств твердого продукта, получаемого на стадии грубой фильтрации за счет его омоноличивания цементированием и формирования шлако-цементного блока.

Литература
1. Заявки Японии N 4-58598 B₄, МКИ⁵: G 21 F 9/32, 9/30, оп. 1985.

2. Патент США N 5202100. МКИ⁵: C 22 B 60/00, НКИ: 423/5, оп. 1993.

3. Патент РФ N 1552893, МКИ⁵: G 21 F 9/16, БИ N 1, 1994.

4. Ю. В. Цветков, С.А. Панфилов, "Низкотемпературная плазма в процессах восстановления", М., "Наука", 1980, стр. 102.

5. А.С. Никифоров, В.В. Куличенко, М.И. Жихарев, "Обезвреживание жидких радиоактивных отходов", М., Энергоатомиздат, 1985, стр. 77.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для термической переработки твердых радиоактивных отходов. Изобретение обеспечивает расширение области применения, повышение производительности по перерабатываемым твердым радиоактивным отходам, повышение безопасности реализации способа и повышение качества твердого продукта, получаемого на стадии грубой фильтрации. Способ включает смешение твердых радиоактивных отходов с металлическими добавками, алюмосиликатами и флюсом, их брикетирование и последовательную транспортировку через зоны сушки и пиролиза, газификации, сжигания, плавления и перегрева в условиях противотока отходящих газов с их последующим после зоны сушки и пиролиза дожиганием, промывкой и охлаждением, грубой фильтрацией, абсорбцией, предварительным нагревом тонкой фильтрацией, заключительным нагревом, сбросом в атмосферу, подачей твердой фазы с дожигания и грубой фильтрации в зону плавления, цементированием твердого продукта, получаемого на стадии грубой фильтрации, и его заливкой шлаковым расплавом из зоны перегрева.

Способ переработки твердых радиоактивных отходов, включающий брикетирование твердых радиоактивных отходов, их последовательную транспортировку через зоны сушки, пиролиза, зону сжигания с конечной температурой 1400^oC при одновременной подаче в нее кислородсодержащего газообразного окислителя, зону плавления с начальной температурой 1400^oC и конечной 1600^oC, нагреваемую плазмнной струей топливно-плазменного реактора, и выгрузку расплава при одновременном движении отходящих газов из каждой последующей зоны через предыдущие в направлении, противоположном направлению транспортировки твердых радиоактивных отходов, подачу отходящих газов из зоны сушки последовательно на стадии дожигания, охлаждения, грубой фильтрации, предварительного нагрева, тонкой фильтрации, заключительного нагрева и сброса в атмосферу, отличающийся тем, что перед брикетированием твердых радиоактивных отходов в них вводят металлические добавки на основе железа и его сплавов, а также алюмосиликаты и флюс, дающий эвтектику со шлаком, образующимся из золы твердых радиоактивных отходов, зоны сушки и пиролиза объединяют в одну с начальной температурой 350^oC и конечной 900^oC, после чего перед зоной сжигания продукты сушки и пиролиза транспортируют через зону газификации с начальной температурой 900^oC и конечной 1200^oC с одновременной подачей в эту зону водяного пара, зона сжигания имеет начальную температуру 1200^oC, в зону плавления дополнительно вводят газообразный кислородсодержащий окислитель, а топливно-плазменный реактор имеет тангенциально-радиальный ввод топлива, причем плазменная струя контактирует своим переходным участком с расплавляемым материалом, который в зоне плавления подвергают выдержке и перед выгрузкой транспортируют через зону перегрева с начальной температурой 1600^oC и конечной 1650^oC, перед подачей отходящих газов из зоны сушки и пиролиза на стадию дожигания в них вводят порошкообразные алюмосиликаты, дожигание отходящих газов осуществляют при 1100 - 1300^oC в плазменной струе топливно-плазменного реактора, стадия охлаждения отходящих газов объединена с дополнительной стадией их промывки, причем охлаждение и промывку отходящих газов осуществляют путем ввода в них водной суспензии окислов кальция и магния, между стадиями грубой фильтрации и предварительного нагрева отходящие газы подвергают абсорбционной очистке, твердую фазу, выделяющуюся на стадиях дожигания и грубой фильтрации, направляют в зону плавления, а твердую фазу до стадии промывки и охлаждения и отработанную промывную жидкость со стадии абсорбции - на цементирование, причем образующиеся цементные камни заливают шлаковым расплавом, отделяемым от металлического в процессе выгрузки из зоны перегрева.