СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1999 года по МПК G21F9/32 G21F9/14 F23G7/00 F23G5/30 

Изобретение относится к способам переработки органических радиоактивных отходов, обеспечивающим обезвреживание органической части отходов до экологически безопасных веществ и перевода радионуклидов в компактную форму, удобную для последующего захоронения или переработки известными способами. Более конкретно изобретение относится к термическим способам переработки жидких или твердых радиоактивных отходов предприятий ядерного топливного цикла, содержащих уран, плутоний и продукты их деления.

Известен способ (A. Chrubasik. New incineration and flue-gas treatment system for radioactive wastes. /Incinerat. Conf. Thermal Treatment of Radioact. Hazardous Chem. and Med. Wastes/Knoxville, Tenn., May 13-17, 1991, p. 137-140) переработки радиоактивных отходов путем факельного сжигания с последующей многостадийной очисткой отходящих газов. Состав отходов, мас.%: полиэтилен, полипропилен - 30, полихлорвинил - 5, дерево, бумага, ткань - 55, негорючие отходы - 5. Предварительный нагрев печи осуществляют вспомогательной горелкой. Отходы, спрессованные в брикеты по 25-40 кг, сжигают в нижней части шахтной печи, подача их осуществляется сверху, над отходами вводят паровоздушную смесь, содержащую 16 об.% кислорода, температура в зоне горения не превышает 1173 K. Отходящие из шахтной печи газы, содержащие газообразные горючие продукты сжигания и сажу, направляют в камеру дожигания, где температура составляет 1473 K, а концентрация кислорода составляет 6 об. %. Газы после камеры дожигания охлаждают до 1173 K вспрыскиванием воды. Затем газы охлаждают в скрубберах до 973 K и очищают на силикон-карбидных фильтрах, далее следует 2-стадийная промывка газов в скрубберах, причем в воду добавляют раствор NaOH для удаления кислых примесей. Окончательная очистка газов происходит на фильтрах с активированным углем.

Таким образом, известный способ обеспечивает полное сжигание радиоактивных отходов, а мокрая очистка и фильтрация отходящих газов позволяет исключить выбросы в атмосферу радионуклидов, HCl, HF, SO_x. Однако для очистки отходящих газов требуется громоздкая схема очистки газов от мелкодисперсных радиоактивных частиц (0,5-2,0) μк частиц, генерируемых сжиганием (М.Н.Бернадинер, А.П.Шурыгин. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М., Химия, 1990 г., стр. 195) и дополнительная ступень очистки от оксидов азота, например, путем каталитического восстановления аммиаком, что еще более усложняет процесс очистки. Кроме того, активированный уголь, используемый в процессе обезвреживания газов, загрязняется радионуклидами и периодически заменяются новым, что ведет к существенному удорожанию процесса из-за необходимости дальнейшей переработки угля.

Задача, решаемая изобретением, - упрощение и удешевление процесса очистки отходящих газов, экологическая надежность способа. Это достигается за счет снижения температуры и принципиального изменения способа сжигания отходов.

Заявляемый способ предусматривает сжигание радиоактивных отходов (жидких или измельченных твердых) в реакторе с псевдоожиженном слоем гранулированного катализатора при 600 - 750^oC. Сжигание осуществляется в одну стадию, при этом происходит полное окисление органических веществ без образования заметных количеств оксидов азота. Одновременно с основным процессом протекает процесс поглощения катализатором (А.Г. Амелин, А.Н. Кабанов. Осаждение аэрозолей в слое катализатора/Коллоидный журнал. 1976, N 5, стр. 955) мелкодисперсной составляющей частиц твердой фазы, образующейся, например, при термическом разложении растворенных в экстрагентах в виде сольватов неорганических солей, содержащих радионуклиды. Таким образом катализатор практически полностью (70-90%) улавливает радионуклиды в процессе сжигания, а остающаяся в газовом потоке часть радионуклидов, обнаруживаемая в газовом потоке после слоя катализатора, представлена в основном (>99%) средне- и крупнодисперсными частицами (3-160 μm), не уловленными катализатором, или образовавшимися в процессе истирания катализатора. Такие частицы эффективно улавливаются в циклоне и скрубберах. Это оказывает существенное влияние на упрощение и удешевление последующей схемы количественной очистки отходящих газов от радионуклидов.

При необходимости накопленные радионуклиды можно извлекать из отработанного катализатора, например, путем растворения катализатора в азотной кислоте с последующей экстракцией радионуклидов (тория, урана, плутония) из полученного раствора раствором ТБФ в керосине.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Схема опытной установки по сжиганию радиоактивных отходов приведена на чертеже. Сжигаемые отходы насосом 7 подают из емкости 9 в реактор 1 с псевдоожиженным слоем катализатора через форсунки, расположенные в нижней части реактора. Сжатый воздух в количестве 120-300% от теоретически необходимого подают газодувкой 11 в слой катализатора, обеспечивая псевдоожижение слоя и практически полное окисление отходов при 600-750^oC. Для запуска реактора предусмотрен электронагреватель 10 для предварительного нагрева катализатора до температуры зажигания (300-400^oC). Отходящие из реактора газы содержат продукты сжигания: CO₂ и H₂O, небольшие количества CO (10-50 мг/м³), NO_x (5-20 мг/м³), SO₂ (0-500 мг/м³), P₂O₅ и HCl (при сжигании фосфор- и хлорорганических отходов), а также пыль, образующуюся из мехпримесей отходов и в результате истирания катализатора - в количестве 50-165 мг/м³. Температура газов на выходе из реактора снижается до 250-300^oC с помощью теплообменника 2, погруженного в слой катализатора и специальной насадки 13, разделяющей псевдоожиженный слой по высоте на две зоны: нижнюю, зону тепловыделения, с температурой 600-750^oC, и верхнюю, зону теплосъема, с температурой 250-300^oC. Насадка проницаема для катализатора, но оказывает определенное сопротивление продольному перемешиванию катализатора. В результате она регулирует продольный перенос теплоты в слое и устанавливает необходимый перепад температур по высоте псевдоожиженного слоя.

Из реактора отходящие газы поступают в циклон 3, где из них выделяется крупнодисперсная фракция твердой фазы (>30 мкм, а температура снижается до 200-230^oC).

Затем газы поступают в пенный аппарат 4, играющий роль пылегазоуловителя и регенеративного теплообменника. Здесь в высокотурбулизированном пенном слое с постоянно обновляющейся поверхностью происходит количественная очистка газов от среднедисперсной пыли (>5 мкм) и подавляющей части кислых газообразных компонентов, таких как SO₂, P₂O₅, HCl. В пенном слое безнасадочного аппарата - струйного скруббера 4 - происходит интенсивный теплообмен между горячим газом и орошающей жидкостью, и тепло газов используется на разогрев и испарение орошающей жидкости, которая с отходящими газами попадает в абсорбер-конденсатор 5 и конденсируется там.

Конденсация паров орошающей жидкости в абсорбере-конденсаторе 5 происходит на неуловленных в пенном аппарате твердых частицах (<5 мкм) аэрозолей, что позволяет укрупнять их и эффективно улавливать, поскольку эффективность улавливания твердых частиц аэрозолей находится в прямой зависимости от их размеров. Одновременно с улавливанием твердых частиц аэрозолей в абсорбере-конденсаторе происходит доочистка от кислых газов.

Подогретые газы проходят финишную очистку от субмикронных частиц на фильтре 6 и выбрасываются в атмосферу.

Баки газоочистных аппаратов расположены на разных высотах с возможностью перетока орошающей жидкости из бака абсорбера-конденсатора 5 в бак струйного скруббера 4.

С целью исключения зарастания пенного аппарата отложениями солей в качестве пенного аппарата используют безнасадочный скруббер со струйной решеткой для пенообразования, что важно при работе с радиоактивными материалами.

Для эффективного использования тепла, выделяющегося в процессе переработки жидких радиоактивных отходов, охлаждающий кожух абсорбера-конденсатора 5, змеевик каталитического реактора 2 и теплообменник аэрозольного фильтра 12 последовательно соединены. Подача охлаждающей воды и газов происходит противотоком.

Для иллюстрации заявляемого способа приведены чертеж, таблица и примеры его конкретного осуществления.

Пример 1.

Отходы, представляющие собой масло XA-30 подают в количестве 0,8 кг/час в каталитический реактор диаметром 120 мм. В реактор подают воздух с расходом 20 нм³/час. Температура слоя катализатора 750^oC. Продукты сгорания после каталитического реактора имеют температуру 240^oC и содержат CO - 45 мг/м³, NO - 12 мг/м³, SO₂ - 179 мг/м³ и пыль в количестве 60 мг/м³. После циклонирования содержание пыли в газе уменьшается до 13 мг/м³, температура уменьшается до 220^oC. В пенном струйном скруббере происходит дальнейшая очистка газа от пыли и улавливание кислых газов, температура газа при этом снижается до 35^oC. Состав примесей в газе после пенного скруббера: CO - 44 мг/м³, NO - 12 мг/м³, SO₂ - 8 мг/м³, пыль - 3 мг/м³. Дальнейшая очистка газа происходит в абсорбере-конденсаторе: состав газов после абсорбционно-конденсационной очистки: CO - 44 мг/м³, NO - 12 мг/м³, SO₂ - менее 1 мг/м³, пыль - менее 1 мг/м³. Окончательная очистка газов от возможных примесей осуществляется на аэрозольном фильтре.

Пример 2.

Отходы, представляющие собой индустриальное масло И-50А с предварительно измельченным и затем диспергированным в нем ультразвуком дигидратом вольфрамата натрия (в другом эксперименте - индустриальное масло И-40 с добавкой тетрагидрата нитрата тория) с концентрацией 200 мг/л (40 мг/л) подают в количестве 0,7 кг/час в каталитический реактор диаметром 120 мм. В реактор подают воздух с избытком α = 2,19 (2,01). Температура слоя катализатора 730^oC.

В процессе работы основная часть неорганических добавок соединений тяжелых металлов накапливается в гранулах катализатора. В случае W - из 7,8 г поданных в реактор 6,9 г - т.е. 88%, поглощается катализатором, в случае Th из 0,7 г Th 0,42 г (70%) задерживается катализатором.

Размеры частиц твердой фазы и распределение вольфрама (тория), уловленных из газовой фазы после слоя катализатора по аппаратам газоочистки, приведены в таблице. Доля вольфрама, задержанного в циклоне, достигает 14% (9%) от поступившего в систему газоочистки. В пенном струйном скруббере происходит улавливание основного количества вольфрама (тория) 86% (91%). Доочистка газа происходит в абсорбере-конденсаторе, где концентрируется менее 1% вольфрама (тория).

Таким образом, основное количество вольфрама (тория), поступившего в систему очистки газов, было извлечено из газового потока с частицами катализатора, сконцентрированными в скрубберных водах и в приемной емкости циклона, что свидетельствует о поглощении образовавшихся в процессе термического распада микронных и субмикронных частиц окислов вольфрама (тория) наружной поверхностью гранул катализатора и последующим истиранием последних в процессе работы с генерацией частиц с размером большим, чем исходные. Продукты сгорания на выходе из установки имеют температуру 35^oC и содержат CO - 48 (8) мг/м³, NO - 10 (17) мг/м³, NO₂ - 0 (0) мг/м³, SO₂ - 11 (2) мг/м³.

Пример 3.

Аналогичен примеру 2.

В реактор подавали модельные отходы, представляющие собой смесь 15% трибутилфосфата (ТБФ) и 85% керосина, содержащего растворенный уран с концентрацией 10,6 г/л. Производили сжигание 5 л отходов в течение 7 часов. Продукты сгорания на выходе из установки CO - 50 мг/м³, NO - 15 мг/м³, NO₂ - 1 мг/м³, SO₂ - 2 мг/м³. Основная часть урана (73%) задерживается катализатором. После сжигания отходов пробу катализатора растворили в азотной кислоте. Раствор довели до концентрации кислоты 6 мол/л. Производили экстракцию урана из кислого раствора экстрагентом 15% ТБФ в керосине. Степень извлечения урана из раствора 99%.

Таким образом, примеры конкретного выполнения показывают, что переработка радиоактивных отходов по заявляемому способу позволяет значительно упростить и удешевить процесс очистки при соблюдении его экологической безопасности.

Изобретение относится к способам переработки органических радиоактивных отходов, обеспечивающим обезвреживание органической части отходов до экологически безопасных веществ и перевода радионуклидов в компактную форму. Более конкретно изобретение относится к термическим способам переработки жидких или твердых органических радиоактивных отходов предприятий ядерного цикла, содержащих уран, плутоний и продукты их деления. Переработка органических радиоактивных отходов по заявляемому способу позволяет значительно упростить и удешевить процесс при соблюдении его экологической безопасности. Это достигается за счет снижения температуры и принципиального изменения способа сжигания отходов и обезвреживания отходящих газов. Способ включает сжигание отходов в реакторе с псевдоожиженным слоем гранулированного катализатора, где происходит полное окисление органических веществ при относительно низкой температуре. Отвод избыточного тепла осуществляют с помощью теплообменника, погруженного в слой катализатора. Далее охлажденные газы очищают от мелкодисперсной пыли и кислых газообразных компонентов в циклоне, струйном скруббере, адсорбере-конденсаторе. Заключительная стадия очистки от тонкодисперcной пыли осуществляется на тонковолокнистом аэрозольном фильтре Петрянова. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ переработки органических радиоактивных отходов путем сжигания с последующей очисткой отходящих газов, пылеулавливанием и фильтрацией, отличающийся тем, что отходы сжигают в псевдоожиженном слое катализатора при 600 - 750^oC в реакторе с перепадом температур по высоте псевдоожиженного слоя, подачу отходов в реактор осуществляют через форсунки снизу, горячие газообразные продукты реакции охлаждают путем прохождения их через водяной теплообменник, погруженный в слой катализатора до 250 - 300^oC, далее очищают в циклоне, струйном скруббере и абсорбере-конденсаторе, окончательную очистку газов от тонкодисперсной пыли осуществляют на тонковолокнистом аэрозольном фильтре. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработанный катализатор отправляют на переработку для извлечения ценных уловленных компонентов.