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

Описание патента на изобретение RU2214012C1

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 КV, 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 60-80oС. 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".

Похожие патенты RU2214012C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГЕТЕРОГЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ 2002
  • Шмаков Л.В.
  • Черемискин В.И.
  • Черников О.Г.
  • Тишков В.М.
  • Черникин А.В.
  • Денисов Г.А.
  • Белозеров Б.П.
  • Кисилев-Дмитриев А.Л.
RU2218620C2
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ 1997
  • Лебедев В.И.
  • Шмаков Л.В.
  • Курносов В.А.
  • Черемискин В.И.
  • Тишков В.М.
  • Шведов А.А.
RU2116682C1
СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ОТРАБОТАВШИХ МОЮЩИХ РАСТВОРОВ АЭС 1997
  • Грибаненков С.В.
  • Черников О.Г.
  • Петров А.Г.
  • Тишков В.М.
  • Панкратов В.Н.
  • Олейник М.С.
RU2116681C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ ОТХОДОВ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 1999
  • Шмаков Л.В.
  • Гарусов Ю.В.
  • Тишков В.М.
  • Черемискин В.И.
  • Денисов Г.А.
  • Черникин А.В.
  • Лемберг Г.М.
RU2164045C2
СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ СУЛЬФАТНЫХ РЕГЕНЕРАТОВ ВОДОПОДГОТОВКИ 1997
  • Лебедев В.И.
  • Шмаков Л.В.
  • Грибаненков С.В.
  • Куприн А.Ю.
  • Олейник М.С.
  • Тишков В.М.
  • Панкратов В.Н.
RU2116683C1
СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЛИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ 1996
  • Еперин А.П.
  • Белянин Л.А.
  • Грибаненков С.В.
  • Шведов А.А.
  • Тишков В.М.
  • Земсков А.А.
RU2106704C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ АЭС 1997
  • Лебедев В.И.
  • Шмаков Л.В.
  • Тишков В.М.
  • Черемискин В.И.
  • Грибаненков С.В.
  • Федотов В.Д.
RU2136065C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГОМОГЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ 2000
  • Шмаков Л.В.
  • Москвин Л.Н.
  • Черемискин В.И.
  • Черемискин С.В.
  • Комов А.Н.
  • Тишков В.М.
  • Черникин А.В.
RU2174723C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ 1997
  • Курносов В.А.
  • Шмаков Л.В.
  • Тишков В.М.
  • Грибаненков С.В.
  • Панкратов В.Н.
  • Олейник М.С.
  • Шведов А.А.
RU2116685C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ 1993
  • Еперин А.П.
  • Грибаненков С.В.
  • Олейник М.С.
  • Чватов В.Н.
  • Тишков В.М.
  • Трофимов Л.В.
RU2068208C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 214 012 C1

Реферат патента 2003 года СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ

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.

Формула изобретения RU 2 214 012 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2214012C1

US 4715992 A1, 29.12.1987
СПОСОБ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ПЕРЛИТА 1998
  • Дмитриев С.А.
  • Лифанов Ф.А.
  • Кобелев А.П.
  • Лащенова Т.Н.
  • Качалова Е.А.
  • Кирьянова О.И.
RU2142655C1
СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1998
  • Соболев И.А.
  • Баринов А.С.
  • Лифанов Ф.А.
  • Варлаков А.П.
  • Ковальский Е.А.
  • Горбунова О.А.
RU2142657C1
ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ 2011
  • Закирьянов Реналь Бариевич
  • Ягудин Марат Нуриевич
  • Тихонов Анатолий Аркадьевич
RU2455340C1
DE 3429387 А1, 20.02.1986.

RU 2 214 012 C1

Авторы

Черников О.Г.

Шмаков Л.В.

Черемискин В.И.

Тишков В.М.

Черникин А.В.

Корчагин Ю.П.

Даты

2003-10-10Публикация

2002-07-08Подача