СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ Российский патент 2003 года по МПК G21F9/16 G21F9/30 

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов, а именно к переработке радиоактивных угольных сорбентов, и может быть использовано при кондиционировании их на атомных электростанциях (АЭС) и других предприятиях ядерной энергетики.

На АЭС функционируют системы переработки жидких радиоактивных отходов, основанные на выпаривании и доочистке конденсата вторичного пара на угольных и ионообменных фильтрах. Угольные фильтры ставят перед ионообменными фильтрами для очистки конденсата вторичного пара от масел и нефтепродуктов. Периодически проводят регенерацию угольных сорбентов промывкой горячими растворами щелочей. Однако со временем эффективность регенерации снижается из-за окисления и закоксовывания высокомолекулярных органических веществ в порах угольных сорбентов. Тогда производят выгрузку отработанных угольных сорбентов и замену их новыми угольными сорбентами. Отработанные угольные сорбенты подлежат утилизации. Для этого возможно использование следующих основных способов:
- хранение в мешках или контейнерах;
- сжигание;
- включение в битумную или цементную матрицу.

В отработанных угольных сорбентах, содержащих влагу и сорбированные органические загрязнения, может развиться процесс биологического окисления микроорганизмами с выделением тепла, и привести к самовозгоранию отходов. Поэтому при хранении отработанных угольных сорбентов в мешках или контейнерах для предотвращения самовозгорания их пересыпают песком в соотношении 1:4, что приводит к увеличению объема отходов и повышению затрат на хранение. Наиболее рационально сжигать отработанные угольные сорбенты. Однако при сжигании замасленных угольных сорбентов выделяется большое количество тепла, что приводит к прогоранию колосников, разрушению футеровки и выходу из строя печей сжигания радиоактивных отходов. Для предотвращения этого явления угольные сорбенты подшихтовывают к другим горючим радиоактивным отходам. Этот метод связан с ручной переборкой и перетариванием отходов, дорогой и непроизводительный. Более надежными и опробованными являются способы включения углей в битумную или цементную матрицу. Битумирование угольных сорбентов пожароопасно и осложняется тем, что их нельзя перемещать гидротранспортом, а это осложняет загрузку в битуматор и выгрузку битумного компаунда из битуматора.

Наибольшее распространение получил низкотемпературный способ переработки сорбентов цементированием с использованием различных неорганических связующих и размещением компаунда в контейнеры или бочки [1]. При этом большое значение имеет степень наполнения цементного компаунда радиоактивными отходами, так как она напрямую связана с объемом отвержденного продукта. Чем выше степень наполнения, тем меньше объем отвержденного продукта и тем экономичнее его последующее хранение. Основным недостатком указанного способа является низкая степень наполнения, которая объясняется тем, что угольные сорбенты имеют большое количество пор (насыпная плотность сухого продукта 0,2-0,5 г/см³). Это приводит к образованию большого объема отвержденного продукта и нерациональному использованию полезного объема хранилищ, а также снижению прочностных характеристик отвержденного продукта и высокой скорости выщелачивания радионуклидов в воду.

Наиболее близким по заявляемой сущности аналогом является способ переработки сорбентов, по которому их смешивают с неорганическим связующим, затворяющей жидкостью и добавками, снижающими выщелачиваемость радионуклидов и повышающими прочностные характеристики цементного камня. В качестве добавок, снижающих выщелачиваемость радионуклидов, наиболее часто используют природные или искусственные цеолиты. В качестве добавки, повышающей прочностные характеристики и снижающей выщелачиваемость радионуклидов, используют жидкое стекло [2].

Недостатком ближайшего аналога является то, что в данном случае в цементную матрицу включается вода, находящаяся в порах угольного сорбента. В угольных сорбентах внутри пор может находиться до 50-100% влаги. Это приводит к уменьшению степени наполнения цементного компаунда отходами и снижению прочности отвержденного продукта. Кроме того, технологические трудности создает низкая растекаемость получаемого компаунда. Низкая растекаемость объясняется шероховатостью и малой плотностью частиц угольных сорбентов.

Задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении степени наполнения компаунда радиоактивными отходами, повышении прочности отвержденного продукта, снижении количества связующего и улучшении технологического показателя цементного компаунда - растекаемости.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном по наиболее близкому аналогу способе переработки радиоактивных сорбентов путем их смешения с неорганическим связующим, водой и добавками, снижающими выщелачиваемость радионуклидов, предложено предварительно измельчать радиоактивные угольные сорбенты в конусной мельнице, дополнительно снабженной нагнетающим шнеком, бункером с питающим шнеком, расположенным под углом к продольной оси нагнетающего шнека, а процесс измельчения вести с дозированием водного раствора поверхностно-активных веществ в массовом соотношении в пределах: угольный сорбент: раствор=от 1:1 до 1:0,01. Причем концентрация поверхностно- активных веществ в растворе составляет 0,01-50 мас.%. Дозирование раствора с поверхностно-активными веществами ведут на питающий шнек и в бункер или же предварительно перед выгрузкой из фильтра, или в промежуточной емкости насыщают угольный сорбент поверхностно-активными веществами. В качестве раствора поверхностно-активных веществ может использоваться отработанная вода спецпрачечной.

Отработанные угольные сорбенты характеризуются малой плотностью и высокой шероховатостью частиц. Это приводит к тому, что они не могут транспортироваться под действием силы тяжести, часто зависают. Поэтому для подачи их к измельчающему органу предложено использовать принудительную подачу расположенным в трубе шнеком, создающим дополнительное усилие нагнетания (нагнетающий шнек). Поскольку уголь не может под силой тяжести подаваться в пространство между витками нагнетающего шнека, для этого предложено использовать бункер со шнековой разгрузкой (питающий шнек), расположенными под углом к нагнетающему шнеку. Здесь отработанный уголь усилием питающего шнека подается в пространство между витками нагнетающего шнека и им нагнетается в измельчающую головку конусной мельницы. Вибрация, неизбежно сопровождающая работу питающего шнека, способствует осыпанию массы угля в бункере на шнек. Для усиления вибрации возможно использовать эксцентрические шнеки, что целесообразно при больших производительностях устройства. Отработанные угольные сорбенты содержат уловленные масла и нефтепродукты в количестве до 80-100% от сухой массы сорбента. При измельчении таких угольных сорбентов масло выделяется из пор, склеивает частички угольных сорбентов и способствует прилипанию их к измельчающим органам, поскольку имеет высокую адгезию как к металлу, так и к сорбенту. Измельченная густая пастообразная масса забивает каналы для прохождения измельчаемого и измельченного продукта, процесс измельчения прекращается. Здесь масло уже не является веществом, снижающим трение, что известно из науки и техники, а наоборот, склеивает частицы измельченного и неизмельченного угольного сорбента между собой и рабочими органами измельчителя. Не смотря на принудительную подачу угольного сорбента, выход измельченного продукта прекращается. Наблюдается сильный разогрев рабочей части измельчителя. В предложенном способе поверхностно-активные вещества, обладая расклинивающим действием, способствуют эмульгированию масел в воде и тем самым отделяют частички измельченных угольных сорбентов друг от друга. Здесь масляная эмульсия уже не склеивает измельченные угольные сорбенты друг с другом и с рабочими органами измельчителя. Благодаря этому измельченный продукт не забивает рабочие зазоры и каналы, процесс измельчения активизируется. Количество добавляемого водного раствора поверхностно-активных веществ по отношению к массе измельчаемого угольного сорбента должно находиться в пределах от 1:1 до 1:0,01. Соотношение массы угольного сорбента и массы водного раствора=1:1 соответствует условию измельчения давно выгруженного угля, содержащего в порах масло и мало влаги. В этом случае в измельченном продукте нет избытка воды и при последующем цементировании измельченного угольного сорбента получаем соотношение уголь: вода: неорганическое связующее, оптимальное для достижения максимального включения угля при условии достаточной прочности отвержденного продукта. Соотношение массы угольного сорбента и массы водного раствора = 1:0,01 соответствует варианту измельчения свежевыгруженного влажного угольного сорбента. Здесь для процесса цементирования достаточно влаги, освобождающейся из пор при измельчении угольного сорбента. Добавляемая с раствором вода является лишь средством введения поверхностно-активных веществ. В этом случае при последующем цементировании также получаем оптимальное соотношение уголь: вода: неорганическое связующее и достигаем максимального включения при достаточной прочности отвержденного продукта. Концентрация поверхностно-активных веществ в растворе составляет 0,01-50%. Растворы с невысокой концентрацией поверхностно-активных веществ = 0,01% используются при измельчении содержащих небольшие количества масел давно хранящихся слегка влажных угольных сорбентов, то есть в случае добавления большого количества водного раствора поверхностно-активных веществ. В этом случае возможно использование отработанных вод спецпрачечной, в которых содержание поверхностно-активных веществ составляет 100-1000 мг/дм³, что соответствует концентрации 0,01-0,1%. Раствор с высокой концентрацией поверхностно-активных веществ - до 50% используют при измельчении влажных угольных сорбентов, то есть в случае, когда необходимая для образования цементного камня вода извлекается из пор при измельчении сорбента и добавления дополнительной влаги не требуется. При небольших количествах раствора наиболее оптимальным вариантом является дозирование водного раствора поверхностно-активных веществ в бункер к питающему шнеку. Благодаря дозированию и вращению шнека небольшой объем раствора более равномерно подается с углем к измельчающей головке. При необходимости введения большого количества раствора его можно вводить непосредственно в фильтр перед выгрузкой угля или в бункер с питающим шнеком методом дозированного орошения. Ограничение введения дополнительной воды в компаунд и снижение пористости угольного сорбента увеличивает степень наполнения компаунда радиоактивным отходом, повышает плотность и прочность отвержденного продукта. Предварительное измельчение отходов угольных сорбентов позволяет повысить наполнение компаунда с 21-23 до 31-33 мас.%. При этом объем отвержденного продукта снижается в 1,6-2,1 раза и составляет 0,7-0,8 объема исходного отработанного угля. Расход связующего снижается в 1,2-1,7 раза. При этом наблюдается увеличение растекаемости компаунда, которая положительно сказывается на качестве процесса смешения, выгрузки и выравнивания компаунда в контейнере или бочке. При равных величинах степени наполнения компаунда измельченными и неизмельченными отходами прочностные характеристики (предел прочности на сжатие) отвержденного продукта в случае цементирования измельченных угольных сорбентов в два раза выше, чем при отверждении неизмельченных угольных сорбентов.

Пример конкретного выполнения
Условия и результаты измельчения и отверждения отработанных угольных сорбентов приведены в таблице 1 и 2. Для отверждения использовали:
- портландцемент марки М-400,
- наиболее широко применяемый в системах спецводоочистки угольный сорбент марки БАУ,
- вода,
- поверхностно-активные вещества: сульфанол, синтетическое моющее средство "Лотос", суперпластификатор С-3,
- небольшие добавки природного цеолита (бентонитовая глина) и жидкого стекла, не учитываемые в материальном балансе.

Угольные сорбенты (уголь БАУ) измельчали на установке (см. чертеж), состоящей из измельчающей головки конусной мельницы 1, нагнетающего шнека 2 с корпусом 3, перпендикулярно к нему в бункере 4 расположен питающий шнек 5. Привод нагнетающего шнека 2 осуществлялся от двигателя с редуктором 6, а привод питающего шнека 5 - от двигателя с редуктором 7. Водный раствор поверхностно-активных веществ равномерно дозировали в бункер 4 в зону питающего шнека 5 и орошением, а также введением раствора с поверхностно-активными веществами в фильтр перед выгрузкой угольного сорбента. Частота вращения ротора нагнетательного шнека 2 составляла 100-800 об/мин. Величина частиц измельченных отходов угольных сорбентов составляла 10-300 мкм. Ведение процесса измельчения оценивали по выходу измельченного продукта. Качество измельчения угольных сорбентов оценивали по сравнению плотностей и объемов исходного и измельченного продукта, а также работоспособности мельницы. Качество получаемых цементных компаундов оценивали по прочности образцов отвержденного продукта через 28 суток хранения. Эффективность процесса кондиционирования оценивали по коэффициенту изменения объема отходов К_V, равному отношению объема компаунда к объему исходного продукта, и удельному расходу связующего. При измельчении отработанных углей без добавления раствора таблица 1 ( 1, 2) процесс измельчения прекращался, измельчитель разогревался до 60-80^oС. При разборке измельчителя было видно, что его рабочие органы плотно забиты плотной маслянистой пастой. Введение водного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества, таблица 1 ( 3-6) позволяет нормализовать процесс измельчения. Во всех рассмотренных случаях процесс измельчения отработанных угольных сорбентов идет без замечаний. Для сравнения проводили отверждение продукта по п. 3-6 таблицы 1. Результаты отверждения приведены в таблице 2. Сравнение результатов показывает, что при отверждении измельченных с добавлением водного раствора поверхностно-активных веществ отработанных угольных сорбентов необходимое количество цемента снижается в 1,5-2 раза, добавления дополнительной воды не требуется. При этом объем компаунда в два раза меньше, чем при цементировании неизмельченного отработанного угля, а прочность отвержденного продукта выше. Получаемый компаунд характеризуется высокой растекаемостью, что облегчает его выгрузку и затаривание в контейнеры. Так его растекаемость, определяемая с помощью малого вискозиметра Суттарда, составляет 90-100 мм, что соответствует требованию технологичности. Для сравнения компаунд, получаемый при отверждении неизмельченных угольных сорбентов, лежит горой и практически не растекается.

Предлагаемый способ позволяет получить реальный эффект, выражающийся в увеличении включения отходов в цементный компаунд и снижении затрат на кондиционирование угольных сорбентов. Он технически реализуем с использованием выпускаемого промышленностью отечественного оборудования.

Список литературы.

1. Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. "Обезвреживание жидких радиоактивных отходов.", М.: Энергоатомиздат, 1985, 184 с.

2. Патент РФ 2116682 "Способ переработки жидких радиоактивных отходов".

Изобретение относится к области переработки твердых радиоактивных отходов, в частности к переработке отработанных угольных сорбентов. Сущность изобретения: способ переработки угольных сорбентов включает предварительное их измельчение, смешение с неорганическим связующим, водой и снижающими выщелачиваемость радионуклидов добавками. Предварительное измельчение радиоактивных угольных сорбентов осуществляют в конусной мельнице, снабженной нагнетающим шнеком и бункером с питающим шнеком, расположенным под углом к продольной оси нагнетающего шнека. К перерабатываемым отходам добавляют водный раствор поверхностно-активных веществ в массовом соотношении угольный сорбент: раствор от 1:1 до 1:0,01. Концентрация поверхностно-активных веществ в растворе выбирается в пределах 0,01-50 мас.%. Преимущества изобретения заключаются в увеличении степени наполнения компаунда радиоактивными отходами, повышении прочности отвержденного продукта, снижении количества связующего и улучшении технологического показателя цементного компаунда - растекаемости. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ переработки угольных сорбентов путем предварительного измельчения, смешения их с неорганическим связующим, водой и снижающими выщелачиваемость радионуклидов добавками, отличающийся тем, что радиоактивные угольные сорбенты предварительно измельчают в конусной мельнице, снабженной нагнетающим шнеком и бункером с питающим шнеком, расположенным под углом к продольной оси нагнетающего шнека, с добавлением водного раствора поверхностно-активных веществ в массовом соотношении в пределах угольный сорбент : раствор от 1:1 до 1:0,01, при концентрации поверхностно-активных веществ в растворе в пределах 0,01-50 мас.%. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активных веществ дозируют на питающий шнек. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активных веществ дозируют орошением в питающий бункер. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активных веществ вводят в фильтр перед выгрузкой угольного сорбента.