СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
COMBUSTION METHOD FOR LIQUID ORGANIC RADIOACTIVE WASTE, AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам переработки жидких органических радиоактивных отходов, обеспечивающим сжигание органической части отходов до экологически безопасных веществ и перевода радионуклидов и других загрязнений в компактную форму, удобную для переработки известными способами или последующего захоронения.
6
Известен способ переработки органических радиоактивных отходов (см. патент РФ №2130209, МПК G21F 9/32, 9/14, F23G 7/00, 5/30, 1999 г.). Способ включает распыление жидких радиоактивных отходов форсункой и сжигание в псевдоожиженном слое гранулированного катализатора при температуре 600-700°C, очистку и охлаждение горячих отходящих газов, содержащих твердые частицы, оксиды серы и фосфорный ангидрид последовательно в циклоне, струйном скруббере, абсорбере-конденсаторе и аэрозольном фильтре.
Недостатками способа являются сложное аппаратурное оформление, необходимость очистки газов от частиц, образующихся при истирании катализатора, отравление катализатора оксидами серы и фосфорным ангидридом, сложность извлечения и возврата в производство радионуклидов, в частности урана.
8
Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату - прототип - является способ переработки органических радиоактивных отходов (см. патент РФ №2279726, МПК G21F 9/14, 9/20, 2004 г.). Способ включает дискретную подачу органических радиоактивных отходов через пневмофорсунку на дно разогретого реактора, испарение и сжигание отходов в реакторе с применением источника воспламенения, охлаждение горячих продуктов сжигания при подаче в реактор воздуха, далее - очистку газов от фосфорного ангидрида, оксидов углерода и азота раствором гидроксида натрия, очистку газов от аэрозолей гидроксида натрия на аэрозольном фильтре и окисление оксида углерода (II) на нагретом медьсодержащем катализаторе, удаление твердых радиоактивных отходов со стенок нижней части реактора для последующего извлечения радионуклидов.
Недостатками способа являются невысокая эффективность сжигания отходов из-за низкой температуры в камере сгорания, обусловленной периодической продувкой камеры сгорания сжатым (холодным) воздухом, образование трудноудаляемых отложений (пироуглерод, нагар) на дне реактора сжигания при переработке смесей органических радиоактивных отходов, содержащих высококипящие вещества, что ухудшает условия нагрева и испарения отходов, невысокая эффективность улавливания фосфорного ангидрида в ловушке с раствором гидроксида натрия из-за нестабильности скорости газа, переменная концентрация оксида углерода (II), поступающая в реактор термического каталитического окисления.
8
Известно устройство для сжигания жидких органических радиоактивных отходов (см. патент РФ №2386898, МПК F23G 7/04, 9/14, 2008 г.). Устройство содержит теплоизолированный корпус, узел подготовки отходов и воздуха, камеру сгорания и каталитическую насадку.
Недостатками устройства являются отсутствие системы улавливания «кислых» газов, а также забивка каталитической насадки при сжигании жидких органических радиоактивных отходов, содержащих минеральные вещества.
Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату - прототип - является циклонный реактор для огневого обезвреживания жидких отходов различного типа (см. Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990, с.70). Реактор содержит устройства для подачи топлива, жидких отходов и вторичного воздуха, камеру сгорания и циклонную камеру.
Недостатком устройства является отсутствие системы очистки отходящих газов, без которой переработка жидких органических радиоактивных отходов невозможна.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности сжигания жидких органических радиоактивных отходов с полным подавлением выброса токсичных веществ (радиоактивной пыли и «кислых» газов) в атмосферу.
3
Поставленная задача решается тем, что в способе сжигания жидких органических радиоактивных отходов, включающем разогрев циклонной печи, распыление отходов пневмофорсункой, сжигание в циклонной печи, охлаждение и очистку газов, согласно изобретению разогрев циклонной печи осуществляют теплом от сгорания газообразного или жидкого топлива, жидкие органические радиоактивные отходы подают на сжигание непрерывно, перед подачей в пневмофорсунку для распыления отходы подогревают, пневмофорсунку охлаждают водой, сжигание отходов проводят в циклонной печи в присутствии мелкодисперсных частиц катализатора, вторичный воздух подают тангенциально, охлаждение и очистку газов проводят вначале в пенном слое струйного скруббера, а затем в абсорбере-конденсаторе, при этом сгорание топлива для разогрева циклонной печи осуществляют в псевдоожиженном слое катализатора, подогрев жидких органических радиоактивных отходов проводят охлаждающей водой пневмофорсунки, концентрация мелкодисперсных частиц катализатора в циклонной печи составляет 100-150 мг/м, орошающую жидкость струйного скруббера для запуска предварительно подогревают до 60-70°C.
Поставленная задача решается также тем, что в установке для сжигания жидких органических радиоактивных отходов, содержащей пускатель, циклонную печь с пневмофорсункой, струйный скруббер, абсорбер-конденсатор, водяные насосы, согласно изобретению в качестве пускателя используют каталитический реактор с псевдоожиженным слоем катализатора, циклонная печь установлена на баке струйного скруббера, а пневмофорсунка для подачи органических радиоактивных отходов расположена в верхней части циклонной печи.
Разогрев печи необходим для осуществления запуска процесса сжигания жидких органических радиоактивных отходов, поскольку он включает не только распыление, но и испарение отходов.
6
Псевдоожиженный слой катализатора является не только источником тепла для быстрого разогрева циклонной печи, но и генератором мелкодисперсных частиц катализатора, образующихся при его истирании и используемых для реализации аэрозольного катализа - доокисления продуктов недожега тяжелых масел и отработанных экстракционных смесей при сжигании жидких органических радиоактивных отходов (см. патент РФ №2081695, МПК B01J 8/08, B01J 8/32, 1997 г.). Вторичный воздух в циклонной печи подают для улучшения условий сжигания отходов.
Непрерывная подача жидких органических радиоактивных отходов на сжигание и тангенциальная подача вторичного воздуха обеспечивает высокую температуру и полноту сжигания отходов в циклонной печи.
Высокая температура на входе в пенный слой струйного скруббера обеспечивает интенсивное испарение воды, усиленная конденсация которой в абсорбере-конденсаторе повышает эффективность улавливания радиоактивной пыли и «кислых» газов.
Подогрев отходов перед подачей в пневмофорсунку нагретой водой и охлаждение пневмофорсунки обеспечивает улучшение условий распыления и последующего испарения жидких органических радиоактивных отходов. Отпадает необходимость циклонирования отходящих газов.
Подогрев орошающей жидкости в баке струйного скруббера до 60-70°C обеспечивает стабильную работу системы газоочистки в период запуска циклонной печи.
Использование в качестве пускателя каталитического реактора с псевдоожиженным слоем катализатора обеспечивает плавный разогрев циклонной печи.
Расположение циклонной печи на баке струйного скруббера позволяет уменьшить габариты установки, исключить рассеивание высокопотенциального тепла, а также, в совокупности с расположением пневмофорсунки для подачи органических радиоактивных отходов в верхней части циклонной печи, позволяет создать условия для обеспечения ударно-инерционного улавливания твердых частиц аэрозолей поверхностью жидкости в баке струйного скруббера.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлена схема установки для переработки жидких органических радиоактивных отходов с каталитическим реактором, содержащим псевдоожиженный слой катализатора, в качестве пускателя и системой очисткой отходящих газов.
Установка сжигания жидких органических радиоактивных отходов содержит циклонную печь 1 с водоохлаждаемыми пневмофорсунками, струйный скруббер 2 с установленными в его баке ТЭНами, абсорбер-конденсатор 3, насосы 4/1-4/2, вентилятор 5, теплообменник 6 и каталитический реактор 7.
Способ реализуется, а установка работает следующим образом.
Производят запуск циклонной печи 1 с ее разогревом теплом от сгорания органического топлива (природный газ или жидкие углеводороды) в реакторе с псевдоожиженным слоем гранулированного оксидного катализатора ИК-12-72. Время запуска циклонной печи составляет 1-1,5 часа.
При достижении температуры разогрева циклонной печи 1 значения 700-800°C производят подачу жидких органических радиоактивных отходов на сжигание с использованием водоохлаждаемой пневмофорсунки. Подача вторичного воздуха производится тангенциально. Выдерживают соотношение: подаваемый воздух пневмофорсунка:вторичный воздух = 1:3-4.
Каталитический реактор 7 является генератором мелкодисперсных твердых частиц катализатора за счет его истирания, поэтому глубокое окисление смешанных органических отходов происходит в циклонной печи 1 с участием мелкодисперсных частиц катализатора. Температура газов внутри зоны сгорания циклонной печи 1 достигает 1000-1100°C.
Отходящие газы с температурой до 850-900°C подают в бак струйного скруббера 2, где при резком изменении направления газов происходит улавливание крупных частиц поверхностью жидкости.
Далее газы попадают в пенный слой струйного скруббера 2 для охлаждения и очистки от мелких частиц и газообразных загрязняющих веществ. Температура газов в пенном слое струйного скруббера падает с 850-900°C до 70-80°C. Для поддержания пенного слоя и создания перепада давления в циклонной печи используют вентилятор 5.
Подачу орошающего раствора в струйный скруббер 2 осуществляют водяным насосом 4/1. С целью исключения выноса капельной влаги струйный скруббер 2 снабжен эффективным каплеотбойником, установленным в верхней части.
Далее газы попадают в абсорбер-конденсатор 3, предназначенный для доочистки газов от мелких частиц и газообразных загрязняющих веществ. Температура в абсорбере-конденсаторе падает от 70-80°C до 25-30°C. Подачу воды в абсорбер-конденсатор осуществляют водяным насосом 4/2 через форсунку, установленную в верхней части абсорбера-конденсатора 3. Очищенные газы вентилятором 5 выбрасывают в существующую вентиляцию.
3
Пример осуществления способа и параметры сжигания смеси керосина и вакуумного масла ВМ-1, содержащей 4,5 мг/л урана, в циклонной печи производительностью по отходам 1,0 кг/ч при температуре t=950-1000°C, с использованием гранулированного оксидного катализатора ИК-12-72 (концентрация пыли катализатора 0,1-0,15 г/м) приведены в таблице. Здесь же представлены данные при сжигании отходов без использования катализатора.
Таблица
Состав газов при сжигании смеси керосина и вакуумного масла ВМ-1
№
Вещество
Размерность
Концентрация веществ
Катализатор ИК-12-72
Без катализатора
1
O<sub>2</sub>
% об.
13,5
13,5
2
CO<sub>2</sub>
% об.
4,2
4,2
3
CO
мг/м<sup>3</sup>
37-41
140-150
4
SO<sub>2</sub>
мг/м<sup>3</sup>
0
0
5
NO
мг/м<sup>3</sup>
1-2
1-2
6
NO<sub>2</sub>
мг/м<sup>3</sup>
0
0
7
U<sub>oбщ.</sub>
мг/м<sup>3</sup>
0
0
Таким образом, сжигание жидких органических радиоактивных отходов по заявляемому способу с использованием предлагаемой установки позволяет повысить эффективность сжигания с одновременным достижением полного подавления выброса токсичных веществ (радиоактивной пыли и «кислых» газов) в атмосферу.