КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ Российский патент 2025 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при переработке радиоактивных отходов термическими методами. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при переработке органических радиоактивных отходов.

Особый приоритет представляет разработка технологий переработки отработанных ионообменных смол (ОИОС) и жидких органических радиоактивных отходов.

Наиболее значимой проблемой при переработке радиоактивных отходов, образующихся при эксплуатации ОИАЭ, является обращение с отработанными ионообменными смолами (ОИОС). Смолы на ОИАЭ применяются для очистки теплоносителей и других водных сред. При эксплуатации, например, каждого энергоблока АЭС ежегодно образуются десятки тонн ОИОС, которые необходимо утилизировать, как радиоактивные отходы. Среднегодовое образование ОИОС в РФ составляет до 500 м³. При этом в настоящее время только на АЭС РФ накоплено - свыше 30 тыс. м³ радиоактивных смол. Смолы являются органическими материалами, и их переработка традиционными способами приводит к значительным материальным затратам и росту объемов, кондиционированных РАО, направляемых на захоронение. Или существующие способы переработки смол не позволяют привести конечные продукты к критериям приемлемости для их захоронения.

Эффективным способом переработки ОИОС является термическое разложение с получением в качестве конечного продукта коксового остатка, который характеризуется высокой химической стойкостью и пригоден для кондиционирования стандартными способами. При этом значительно снижаются объемы вторичных РАО, направляемых на захоронение.

Известно устройство для термической переработки радиоактивных ионообменных сред (патент RU 2168227 (Россия)//МПК G 21 F 9/32, 27.05.2001), включающее термореактор, содержащий корпус съемного контейнера термореактора и днище съемного контейнера термореактора, систему газоотвода от съемного контейнера, соединенную с системой газоочистки, защитную камеру контейнера, патрубок в верхней части защитной камеры для подвода газообразного окислителя и узел загрузки внизу боковой части защитной камеры.

Недостатками известной конструкции являются:

- повышенная сложность конструкции устройства;

- высокая технологическая сложность выгрузки получаемых продуктов от термического разложения ОИОС через боковой узел разгрузки.

Известны способ и установка для термической переработки радиоактивных ионообменных смол (патент RU 2153718 (Россия)//МПК G21F 9/32, 27.07.2000), включающие смешение радиоактивных ионообменных смол с порошкообразным топливом и порообразователем, размещение на поверхности смеси слоя зажигательной композиции, продувку через зажигательную композицию и слой смеси воздуха, поджог зажигательной композиции смеси, отделение отходящих газов от шлака, их смешение с воздухом, пропуск полученной газовой смеси через шлак и направление ее на газоочистку; и установка, состоящая из смесителя, последовательно соединенного с термореактором, содержащим колосниковую решетку, доокислителем, имеющим в своем составе перфорированную емкость, и узлом газоочистки.

Недостатками известного способа и установки являются:

- повышенная сложность процесса переработки ОИОС;

- снижение качества и эффективности переработки ОИОС в результате не полного перемешивания зажигательной композиции и смолы;

- повышенная длительность процесса переработки.

Известен Способ и устройство для переработки отработанных радиоактивных смол (Заявка Японии N 4-59600 В, МПК G 21 F 9/30, 12.12.1984), включающий реактор для терморазложения отработанных РИОС, снабженный крышкой с газоотводным патрубком, электронагреватель реактора и фильтр для очистки отходящих газов, причем днище реактора представляет собой пресс для последующего прессования продуктов терморазложения отработанных РИОС.

Недостатками известной конструкции являются:

- повышенная сложность процесса переработки ОИОС;

- пониженная надежность работы, обусловленная наличием в ее составе в качестве днища подвижного пресса;

- повышенная опасность работы, обусловленная отсутствием гарантии в полной герметичности реактора для терморазложения отработанных ОИОС, вследствие использования в нем, в качестве днища, подвижного пресса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является способ термической переработки твердых органических отходов и установка для его осуществления (патент RU 2393200 (Россия)//МПК C10G 1/10, C10L 5/48, С 10 В 49/02, C08J 11/00, F23G 5/027,27.06.2010), включающий низкотемпературный пиролиз отходов в реакторе в противотоке с газообразным теплоносителем, полученным от сжигания технологического топлива, вводимым в нижнюю часть реактора, загрузке отходов и выгрузке твердого углеродистого остатка с последующим его охлаждением, конденсацией получаемой парогазовой смеси с разделением ее на несколько фракций топливной жидкости и пиролизный газ, и установку, состоящую из реакционной камеры, топку с горелкой для получения газообразного теплоносителя, конденсаторы получаемой в реакторе парогазовой смеси, а также устройства для загрузки отходов и выгрузки твердых углеродистых остатков с приспособлением для их охлаждения, при этом реакционная камера выполнена в виде смонтированных на колосниковой решетке концентрично установленных перфорированных стаканов.

Недостатком известного способа и установки являются:

- повышенная сложность конструкции и реализации процесса пиролиза при подаче теплоносителя в противоток с перерабатываемыми отходами;

- высокие энергетические затраты за счет потерь тепла при подаче теплоносителя;

- повышенная длительность процесса переработки в результате увеличения времени нагрева и термического разложения;

- снижение эффективности процесса пиролиза в результате неполного нагрева и термического разложения отходов.

Целью изобретения является комплексная установка, которая позволяет повысить эффективность и полноту термического разложения ОИОС с достижением максимального снижения объемов отходов и получение конечных продуктов переработки, отвечающих критериям приемлемости для их захоронения.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для переработки органических радиоактивных отходов. Наиболее эффективно использование установки для переработки ОИОС.

Комплексная установка переработки органических радиоактивных отходов термическим способом должна обеспечивать максимальную степень снижения объемов перерабатываемых радиоактивных отходов и получение конечных продуктов, пригодных по своим характеристикам для окончательного захоронения. Таким требованиям отвечает комплексная установка, включающая транспортную систему РАО; емкость накопления отходов; узел разделения, оборудованный системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы; систему транспортирования РАО в узел сушки с косвенным термообогревом; вертикальный пиролизный реактор с внешним нагревателем, совмещенным с бункером накопителем и узлом разгрузки коксового остатка в контейнер; при этом пиролизный реактор оснащен винтовым шнеком и имеет патрубки для подачи РАО, нагнетания инертного газа, создания разряжения в реакторе, размещения датчиков КИП и системы управления; пиролизный реактор оснащен отводом пиролизных газов; отходящие пиролизные газы поступают на термическое разложение в камеру дожигания; образующиеся при этом дымовые газы направляются в систему газоочистки, состоящую из холодильника, теплообменника и скрубберов. Для повышения эффективности переработки РАО установка может быть дополнительно оснащена системой кондиционирования коксового остатка. Для снижения энергопотерь в составе установки узел осушения оборудован внешнем теплообменником. При этом для повышения энергоэффективности отходящие пиролизные газы направляются в теплообменник узла осушения установки для нагрева или осушения РАО. Для снижения затрат энергии на переработку РАО в установке обеспечивается направление отходящие дымовые газы из камеры дожигания в теплообменник узла осушения для нагрева или осушения РАО. Для повышения эффективности процесса переработки и экономии энергетических затрат в установке пиролизный реактор дополнительно оснащен теплообменниками для подачи в них отходящих дымовых газов из камеры дожигания. Для повышения энергоэффективности процесса отходящие дымовые газы из камеры дожигания направляются в теплообменник пиролизного реактора для нагрева РАО. Для снижения энергопотерь установка дополнительно оборудована системой подачи отходящих пиролизных или дымовых газов на выпарные аппараты для концентрирования жидкой фазы или для выработки электроэнергии в термоэлектрических генераторах.

Технологическая схема предлагаемой комплексной установки переработки органических радиоактивных отходов термическим способом представлена на фигуре 1.

Установка представляет собой комплексное оборудование в том числе основные технологические узлы: транспортная система РАО (1); емкость накопления отходов (2); узел разделения (3), оборудованный системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы; узел сушки (4); вертикальный пиролизный реактор (5), совмещенный с бункером накопителем (6) и узлом разгрузки (6) коксового остатка в контейнер (11); отходящие пиролизные газы поступают на термическое разложение в камеру дожигания (7); образующиеся при этом дымовые газы направляются в систему газоочистки, состоящую из холодильника (8), теплообменника (9) и скрубберов (10).

Комплексная установка используется следующим образом -органические радиоактивные отходы, например, ОИОС в потоке транспортной воды по транспортной системе (1) за счет насосов поступают в емкость накопления отходов (2). Затем смола с транспортной водой насосами или самотеком направляется узел разделения (3), оборудованный системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы, при этом происходит отделение транспортной воды от ОИОС.Система разделения может представлять собой, например, емкость с «ложным днищем», при этом смола остается на «ложе» днища, а транспортная вода проходит через него. Транспортная вода за счет транспортной системы (1) возвращается для использования в качестве транспортной среды к месту хранения ОИОС.

Отделенная от транспортной воды смола поступает в узел сушки (4), где происходит ее нагрев и сушка за счет использования косвенного термообогрева, например, за счет использования электронагревателей. В узле сушке поддерживается температура не более 100-120°С для предотвращения термической деградации смолы. ОИОС осушаются до влажности не более 3%. После этого смолы через патрубок загрузки направляются в вертикальный пиролизный реактор (5) для термического разложения смолы за счет использования внешнего нагревателя, например, электрических нагревателей. Температура ведения процесса пиролиза может составлять до 550°С. Время ведения процесса пиролиза определяется исходя из свойств и параметров перерабатываемых органических отходов. Вертикальное расположение пиролизного реактора обеспечивает естественное (за счет сил гравитации) перемещение перерабатываемых отходов в реакторе. Оснащение реактора винтовым шнеком и задание определенной частоты его вращения позволяет обеспечить оптимальное время нахождение отходов в зоне нагрева, необходимого для полного их термического разложения. При необходимости для увеличения времени нахождения отходов в зоне нагрева внутри пиролизного реактора может быть размещен сыпучий термостойкий материал. Гранулометрический состав и геометрические размеры размещаемого сыпучего термостойкого материала может быть определены на основе предварительных исследований для определения времени нахождения отходов в зоне нагревания. Для снижения уноса радионуклидов в процессе термического разложения отходов и образования значительных количеств вредных и токсичных газообразных продуктов разложения органики пиролизный реактор оснащен патрубками для подачи в зону нагрева инертных газов, например, азота. Для эффективного отвода пиролизных газов реактор оборудован патрубками для создания разрежения внутри реактора. Пиролизный реактор оснащен датчиками и системами КИП и управления для контроля за технологическими параметрами пиролиза и управления процессом. Образующийся в процессе термического разложения конечный продукт (коксовый остаток) за счет сил гравитации собирается в бункере накопителе (6) и посредством узла разгрузки (6) (которые совмещены с пиролизным реактором в одно целое) поступает в контейнер (11) РАО, который направляется на окончательное кондиционирование, например, включение в цементную или полимерную матрицу. Коксовый остаток представляет собой тонкодисперсное вещество, инертное по своим химическим свойствам. Образующиеся в процессе термического разложения отходов пиролизные газы за счет патрубков отвода газов направляются на термическое разложение в камеру дожигания (7). Образующиеся в камере дожигания дымовые газы поступают в систему газоочистки, состоящую из холодильника (8), теплообменника (9) и скрубберов (10). После системы газоочистки газообразные продукты поступают в существующую вентиляционную систему для направления в окружающую среду.

Для повышения эффективности переработки РАО установка может быть дополнительно оснащена системой кондиционирования коксового остатка.

Для снижения энергопотерь в составе установки узел осушения оборудован внешнем теплообменником. Теплообменник может представлять собой змеевик или систему вертикально расположенных металлических труб, равномерно распределенных по поверхности узла осушения из расчета наиболее эффективного использования поступающего тепла.

При этом для повышения энергоэффективности отходящие пиролизные газы направляются в теплообменник узла осушения установки для нагрева или осушения РАО.

Для снижения затрат энергии на переработку РАО в установке обеспечивается направление отходящих дымовых газов из камеры дожигания в теплообменник узла осушения для нагрева или осушения РАО.

Для повышения эффективности процесса переработки и экономии энергетических затрат в установке пиролизный реактор дополнительно оснащен теплообменниками для подачи в них отходящих дымовых газов из камеры дожигания. Теплообменник пиролизного реактора представляет собой систему вертикально расположенных металлических труб, равномерно распределенных по поверхности узла осушения из расчета наиболее эффективного использования поступающего тепла.

Для повышения энергоэффективности отходящие дымовые газы из камеры дожигания направляются в теплообменник пиролизного реактора для нагрева РАО.

Для снижения энергопотерь установка дополнительно оборудована системой подачи отходящих пиролизных или дымовых газов на выпарные аппараты для концентрирования жидкой фазы или для выработки электроэнергии в термоэлектрических генераторах.

Изобретение относится к устройству для термического разложения органических радиоактивных отходов, например, органических ОИОС. В результате переработки происходит сокращение РАО до 10 раз и получается химически инертный и стойкий конечных продукт, который отвечает критериям приемлемости для захоронения. В процессе пиролиза все количество радионуклидов переходит в коксовый остаток, а унос радионуклидов с отходящими газами не превышает 0,1%.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности процесса термического разложения органических радиоактивных отходов, снижении энергозатрат на переработку РАО, повышении радиационной безопасности переработки отходов за счет максимального сокращения уноса радионуклидов с пиролизными газами, а также снижении объема отходов, направляемых на долговременное хранение/захоронение и их соответствия установленным критериям приемлемости.

Главным отличительным инновационным признаком предлагаемой установки является использование совокупности различных физико-химических методов и технических средств для повышения эффективности и радиационной безопасности термического разложения органически радиоактивных отходов. Это позволит по сравнению с существующими технологиями значительно снизить унос радионуклидов с отходящими пиролизными газами, снизить энергопотребление и энергопотери, а также снизить количество образующихся при дезактивации вторичных твердых радиоактивных отходов и получить конечных продукт, отвечающий установленным критериям приемлемости.

Инновационными признаками предлагаемой установки являются:

- разделение органических отходов по их фазовому состоянию в узле разделения;

- предварительная сушка или нагрев органических РАО в узле сушки за счет косвенного термообогрева;

- термическое разложение органических РАО в вертикальном пиролизном реакторе в среде инертного газа и при регулировании времени нахождения отходов в зоне нагрева за счет использования мешалки и установления частоты ее вращения;

- для увеличения времени нахождения РАО в зоне нагрева в пиролизный аппарат может быть размещен сыпучий термостойкий материал, гранулометрический состав и геометрическая форма определяется свойствами и параметрами перерабатываемых отходов;

- пиролизный реактор оборудован патрубками для подачи инертного газа, отвода пиролизных газов, создания разряжения внутри и размещения датчиков контроля и управления в реакторе;

- очистка пиролизных газов выполняется с использованием камеры дожигания и системы очистки дымовых газов;

- узел осушения и пиролизный реактор дополнительно оборудованы теплообменниками;

- высокотемпературные пиролизные газы из пиролизного реактора направляются в теплообменник узла сушки для нагрева или осушения органических РАО;

- высокотемпературные дымовые газы из камеры дожигания поступают в теплообменник пиролизного реактора для термического разложения органических РАО.

Предлагаемая комплексная установка позволяет эффективно перерабатывать органические РАО, которые в настоящее время не могут быть переработаны существующими методами. Значительно снижать объемы образования вторичных РАО, предотвратить значимый унос радионуклидов с газообразными продуктами и получить химически инертный конечный продукт.

Техническим результатом является максимальное повышение эффективности термического разложения органических РАО и повышение энергообеспечения процесса.

Рабочие процессы в установке полностью автоматизированы, в результате чего повышается безопасность процесса термического разложения органических РАО.

Сущность изобретения состоит в том, что установку термической переработки отходов предложено дополнительно оснастить узлом разделения, оборудованным системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы; системой транспортирования РАО и узлом сушки, в котором органические радиоактивные отходы в зависимости от их фазового состояния нагреваются или подвергаются осушению за счет косвенного термообогрева; органические РАО направляются на термическое разложение в среде инертного газа за счет внешнего нагревателя в вертикальном пиролизном реакторе, совмещенном с бункером накопителем и узлом разгрузки коксового остатка в контейнер; пиролизный реактор оснащаете^ винтовым шнеком и имеет патрубки для подачи РАО, нагнетания инертного газа, создания разряжения в реакторе, размещения датчиков КИП и системы управления; в процессе пиролиза отвод пиролизных газов из зоны термического разложения смол осуществляется сонаправленно с удалением из пиролизного реактора коксового остатка через бункер накопления кокса посредством патрубка отвода пиролизных газов за счет потока инертного газа и разряжения; отходящие пиролизные газы поступают на термическое разложение в камеру дожигания; образующиеся при этом дымовые газы направляются в систему газоочистки, состоящую из холодильника, теплообменника и скрубберов.

Термическое разложение органических РАО происходит в вертикальном пиролизном аппарате в среде инертного газа и разряжении за счет внешнего нагревателя.

В результате получается инертный гранулированный коксовый остаток, который будет кондиционирован за счет включения в цементный компаунд или полимерную матрицу.

Предлагаемая установка по сравнению с прототипами позволяет выполнять полный цикл переработки и кондиционирования органических РАО сложного химического состава.

Преимуществами заявляемой установки являются:

- повышение эффективности термической переработки органических РАО, включая отходы сложного химического состава за счет значительного сокращения объема отходов;

- повышенная эксплуатационная и экономическая эффективность переработки за счет снижения образования объемов вторичных радиоактивных отходов;

техническая и технологическая простата установки, обеспечиваемые применением стандартизованного оборудования;

максимальное снижение образования вторичных РАО и их кондиционирование;

- получение конечного продукта, отвечающего установленным критериям приемлемости.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при переработке органических радиоактивных отходов термическим способом. Комплексная установка содержит транспортную систему РАО; емкость накопления отходов; узел разделения, оборудованный системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы; узел сушки; вертикальный пиролизный реактор, совмещенный с бункером-накопителем и узлом разгрузки коксового остатка в контейнер. Отходящие пиролизные газы поступают на термическое разложение в камеру дожигания. Образующиеся при этом дымовые газы направляются в систему газоочистки, состоящую из холодильника, теплообменника и скрубберов. Образовавшийся при термическом разложении органических РАО коксовый остаток направляется на кондиционирование. Изобретение позволяет снизить объемы вторичных отходов, снизить энергопотери и энергопотребление при переработке органических РАО. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комплексная установка переработки органических радиоактивных отходов термическим способом, отличающаяся тем, что содержит транспортную систему РАО; емкость накопления отходов; узел разделения, оборудованный системой разделения радиоактивных отходов на отдельные фазы; систему транспортирования РАО в узел сушки, в котором органические радиоактивные отходы в зависимости от их фазового состояния нагреваются или подвергаются осушению за счет косвенного термообогрева; после чего нагретые или осушенные органические РАО направляются на термическое разложение в среде инертного газа за счет внешнего нагревателя в вертикальном пиролизном реакторе, совмещенном с бункером-накопителем и узлом разгрузки коксового остатка в контейнер; при этом пиролизный реактор оснащен винтовым шнеком и имеет патрубки для подачи РАО, нагнетания инертного газа, создания разряжения в реакторе, размещения датчиков КИП и системы управления; в процессе пиролиза отвод пиролизных газов из зоны термического разложения смол осуществляется сонаправленно с удалением из пиролизного реактора коксового остатка через бункер накопления кокса посредством патрубка отвода пиролизных газов за счет потока инертного газа и разряжения; отходящие пиролизные газы поступают на термическое разложение в камеру дожигания; образующиеся при этом дымовые газы направляются в систему газоочистки, состоящую из холодильника, теплообменника и скрубберов.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно входит система кондиционирования коксового остатка.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что узел осушения оборудован внешним теплообменником.

4. Установка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что отходящие пиролизные газы направляются в теплообменник узла осушения для нагрева или осушения РАО.

5. Установка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что отходящие дымовые газы из камеры дожигания направляются в теплообменник узла осушения для нагрева или осушения РАО.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пиролизный реактор дополнительно оснащен теплообменниками для подачи в них отходящих дымовых газов из камеры дожигания.

7. Установка по пп. 1 и 6, отличающаяся тем, что отходящие дымовые газы из камеры дожигания направляются в теплообменник пиролизного реактора для нагрева РАО.

8. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно оборудована системой подачи отходящих пиролизных или дымовых газов на выпарные аппараты для концентрирования жидкой фазы или для выработки электроэнергии в термоэлектрических генераторах.