СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
METHOD TO CONDITION SOLID ORGANIC RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области кондиционирования органических радиоактивных отходов (дерево, бумага, ветошь, резиновые перчатки, полиэтиленовая пленка и т.д.), образующихся в ходе проведения научно-исследовательских и производственных работ в организациях, с целью уменьшения их объема для последующего вывоза в пункт захоронения или долговременного хранения.
Известен способ кондиционирования твердых отходов, загрязненных радиоактивными компонентами, включающий сжигание отходов в шахтной печи, содержащей горелочное устройство с подводом избыточного количества воздуха: патент на полезную модель №22837 [1]. Недостатками данного способа являются:
1. сжигание отходов производится за счет работы газовой горелки с дополнительным образованием дымовых газов, в результате чего сокращается время эффективной работы выходных фильтров вследствие их быстрого забивания дымовой сажей, образование за счет ее вторичных радиоактивных отходов;
2. температура в камере дожигания выше 800°C, в результате чего не достигается полного улавливания легко летучих РАО, например радионуклидов цезия, а также существует возможность неконтролируемого выброса радиоактивных аэрозолей в атмосферу;
3. технологический процесс из-за подачи избыточного количества воздуха проходит при избыточном давлении, в результате чего существует возможность неконтролируемого выхода радиоактивных материалов в атмосферу.
Известны методы утилизации радиоактивных отходов за счет термического разложения отходов в бескислородной атмосфере (пиролиз).
Термическое разложение (пиролиз) отходов в бескислородной атмосфере позволяет перевести основную массу содержащихся в отходах органических веществ в газообразное состояние, концентрируя тем самым основное количество радиоактивных компонентов в твердом остатке. Дожигание коксового остатка позволяет сконцентрировать в золе более 80% исходных радиоактивных отходов и уменьшает объем золы, подлежащей захоронению.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ кондиционирования твердых органических радиоактивных отходов, описанный в патенте РФ №2335700 [3]. Этот способ основан на проведении термического разложения радиоактивных отходов без доступа воздуха (пиролиз).
Твердые отходы сначала размещают в боксе, находящемся под разрежением, а затем перемещают в загрузочное устройство. Далее их направляют в камеру термического разложения, представляющую собой металлическую реторту, обогреваемую снаружи дымовыми газами, образующимися от сжигания внешнего топлива в горелке. Отходы нагревают до конечной температуры 650-700°C без доступа кислорода. В процессе нагрева происходит их термическое разложение (пиролиз), в результате которого образуется примерно 60-70% газообразных горючих газов и 30-40% коксозольного остатка. Газообразные продукты пиролиза за счет тяги дымососа через канал поступают в топку. В топке они смешиваются с необходимым количеством воздуха, в результате чего происходит их сжигание. Образовавшиеся дымовые газы за счет тяги дымососа последовательно просасываются через картридж каталитического дожигателя, в котором происходит низкотемпературное доокисление остатков органических соединений, в теплообменник, где осуществляется снижение температуры газов до уровня 150-120°С, и далее поступают в систему пылеочистки. На стадии пылеочистки осуществляется сначала очистка дымовых газов от пыли в «сухом» циклоне, а затем их промывают жидкостью в «мокром» скруббере. Очищенные дымовые газы поступают в дымосос, через который они выбрасываются в атмосферу. Выгрузка уловленной пыли из циклона системы производится по мере ее накопления в герметичную емкость через бокс, находящийся под разрежением. Утилизация этой пыли производится по специальной технологии. Сбор и выгрузка шлама из скруббера системы производится через тот же бокс в текстильные или пластиковые мешки. Загруженные в мешки шламы направляются снова в камеру термического разложения. Образовавшийся в результате пиролиза коксозольный остаток по мере накопления в камере выгружается через устройство выгрузки на колосниковую решетку, под которую за счет тяги дымососа поступает атмосферный воздух для сжигания этих остатков. Оставшаяся после сгорания неорганическая часть коксозольного остатка (зола) выводится из-под колосниковой решетки специальным транспортным устройством через специальный бокс, находящийся под разрежением. Выгрузка золы производится в герметичную емкость, а ее утилизация осуществляется по специальной технологии.
Недостатками способа являются:
1. довольно сложная его реализация, связанная с проведением большого количества операций;
2. высокая температура пиролиза и сжигания коксозольного остатка повышает вероятность уноса летучих радионуклидов, в частности радионуклидов цезия;
3. образование большого количества вторичных твердых и жидких радиоактивных отходов при очистке дымовых газов.
Задачей данного изобретения является упрощение способа кондиционирования твердых органических радиоактивных отходов при снижении затрат, снижение объема отходов, подлежащих кондиционированию, снижение образования вторичных отходов и снижение вероятности выброса радионуклидов в атмосферу.
Поставленная задача решается тем, что в способе кондиционирования твердых органических радиоактивных отходов (дерево, бумага, ветошь, резиновые перчатки, полиэтиленовая пленка и т.д.), включающем: проведение пиролиза без доступа воздуха с образованием коксозольного остатка, сжигание образующихся при пиролизе пиролизных газов в токе воздуха с образованием дымовых газов, их охлаждение и очистку, дожигание образовавшегося при пиролизе коксозольного остатка в токе воздуха, извлечение образовавшегося остатка для дальнейшего захоронения, новым является то, что предварительно отходы пропитывают раствором сернокислого цезия в серной кислоте, эту массу прессуют в стандартные блоки и загружают в нижнюю часть вертикально установленной камеры термического разложения, в которой при t=380-420°C проводится их пиролиз без доступа воздуха с образованием коксозольного остатка. Процесс сжигания образующихся при пиролизе пиролизных газов проводят при t=780-820°C в верхней зоне камеры термического разложения с подачей воздуха в эту зону. Охлаждение дымовых газов осуществляют в воздушном теплообменнике, очистку дымовых газов осуществляют сначала от крупнодисперсных частиц, а потом от аэрозолей. Дожигание образовавшегося при пиролизе коксозольного остатка проводят также при t=380-420°C после прекращения процесса пиролиза при отключенном нагреве зоны сжигания пиролизных газов и подаче воздуха в нижнюю часть зоны камеры термического разложения. Извлечение образовавшегося зольного остатка осуществляют из зольника, расположенного под нижней зоной камеры термического разложения. Очистку дымовых газов от крупнодисперсных частиц проводят на брезентовом фильтре типа чулок, очистку от мелкодисперсных аэрозолей проводят на фильтре из ткани Петрянова. Отработавшие фильтры грубой и тонкой очистки повторно кондиционируются в той же установке.
В заявляемом способе отпадают операции различных перегрузок, что есть у прототипа. Прессование отходов в стандартные блоки перед их загрузкой в камеру термического разложения позволяет в несколько раз уменьшить их объем, проводить последовательно пиролиз нескольких блоков перед операцией сжигания коксозольного остатка и тем самым повысить производительность.
За счет пропитки отходов раствором сернокислого цезия снижается вероятность уноса легко летучих радионуклидов цезия.
При более низкой температуре проведения процесса также снижается вероятность уноса легко летучих радионуклидов. При очистке дымовых газов не образуются жидкие радиоактивные отходы.
Заявляемый способ основан на том, что опытным путем было установлено, что при температуре нагрева зоны сжигания пиролизных газов 800°C температура нагрева нижней зоны камеры термического разложения в пределах 380-420°C достаточна для проведения пиролиза органических отходов и сжигания коксозольного остатка при вертикальной установке камеры термического разложения.
На фиг.1 представлена схема установки, реализующей данный способ, где: 1 - камера термического разложения (КТР); 2 - загрузочный люк; 3 - крышка люка; 4 - прижимное устройство; 5 - нижняя зона термического разложения КТР; 6 - верхняя зона КТР для дожигания пиролизных газов; 7 - зольник; 8 - труба для подачи воздуха в нижнюю зону КТР; 9 - труба для подачи воздуха в верхнюю зону; 10 - труба - теплообменник для отходящих газов КТР; 11 - фильтр грубой очистки дымовых газов типа чулок; 12 - фильтр тонкой очистки дымовых газов из ткани Петрянова.
Работа установки, реализующей способ.
В установленную вертикально камеру термического разложения 1 через загрузочный люк 2 подается спрессованный в блок стандартной формы и затем пропитанный раствором сернокислого цезия в серной кислоте материал, подлежащий кондиционированию.
Крышка 3 загрузочного люка закрывается с помощью прижимного устройства 4. Включается водяное охлаждение крышки, задается требуемый расход воздуха через трубу 8 в верхней зоне КТР, после чего включается нагрев верхней зоны 6 КТР. По достижении в ней 800°C производится нагрев нижней зоны КТР 5 до температуры 400°C (нагрев верхней и нижней зон КТР производится с помощью двух трубчатых электрических печей). При этой температуре происходит пиролиз и образование коксозольного остатка.
По окончании процесса пиролиза отключается нагрев верхней зоны КТР, подача воздуха в нее через трубу 8 прекращается, и воздух через трубу 9 подается с тем же расходом в нижнюю зону КТР 5, и производится сжигание коксозольного остатка при t=400°C. Образовавшийся зольный остаток попадает в зольник 6, из которого извлекается после окончания процесса и передается в контейнер-сборник для временного хранения.
Образующиеся при пиролизе пиролизные газы попадают в верхнюю камеру КТР 6, в которой сгорают и превращаются в дымовые газы, которые, проходя через воздушный теплообменник (труба 10), остывают и поступают на фильтр грубой очистки 11, затем на фильтр тонкой очистки 12.
Выработавшие свой ресурс фильтры грубой и тонкой очистки кондиционируются с помощью этой же установки.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные кондиционирования отходов из хлопковой ткани, подтверждающие возможность проведения пиролиза органических отходов и сжигания образующегося коксозольного остатка при 400°C и данные по уносу радионуклидов через фильтр грубой очистки.
№ п/п
t<sub>пиролиза</sub>, °C
Т<sub>сжиг.</sub>, °C
Зольный остаток, % вес. от веса исх. ТРО
Унос Cs-137, %
Унос Am-241, %
1
2
3
4
5
6
1.
500
500
1,4
0,3
≤2·10<sup>-2</sup>
2.
500
500
1,3
0,4
≤2·10<sup>-2</sup>
3.
400
400
1,5
0,12
≤1·10<sup>-2</sup>
4.
400
400
1,3
0,09
≤1·10<sup>-2</sup>
5.
300
300
1,8
0,12
≤1·10<sup>-2</sup>
6.
300
300
1,3
0,12
≤1·10<sup>-2</sup>
Пример конкретной реализации способа.
5
5
3
2
4
2
4
Навеска материала весом 0,8-1,0 кг (ткань из хлопка, ткань из синтетики, фильтровальная бумага, полиэтиленовая пленка, древесина, резиновые перчатки, ткань Петрянова) с нанесенными на нее радионуклидами Cs-137 с А=1,8·10 Бк и Am-241 с А=2,2·10 Бк прессовалась в картонной гильзе, пропитывалась 0,01М раствором CsSO в 4%-ной HSO. После этого упаковка помещалась через загрузочный люк в изготовленную из нержавеющей стали 12Х18Н10Т камеру термического разложения (КТР), изображенную на фиг.1, установки пиролиза-сжигания. Крышка загрузочного люка закрывалась, включалось водяное охлаждение крышки, задавался равным 15-18 м/ч расход воздуха через трубу 8 в верхней зоне КТР, после чего включался нагрев верхней зоны КТР. По достижении в ней 800°C производился нагрев нижней зоны КТР до температуры 400°C (нагрев верхней и нижней зон КТР производится с помощью двух трубчатых электрических печей). При этой температуре навеска пиролизовалась в течение 35-50 мин.
По окончании процесса пиролиза отключался нагрев верхней зоны КТР, подача воздуха в нее через трубу 8 перекрывалась, воздух через трубу 9 подавался с тем же расходом в нижнюю зону КТР и производилось сжигание коксозольного остатка при t=400°C в течение 35-50 мин.
Образовавшийся зольный остаток извлекался из зольника, взвешивался и замерялся его объем. Унос радионуклидов через фильтр грубой очистки определялся по результатам гамма-спектрометрического анализа фильтра тонкой очистки.
3
-2
В результате проведения описанных выше операций при расходе воздуха 15-18 м/ч и времени как пиролиза, так и сжигания коксозольного остатка 35-50 мин выход зольного остатка от веса исходного материала составлял 0,5-2,5% по весу, 0,5-4,5% по объему, унос Cs-137 и Am-241 через фильтр грубой очистки составлял, соответственно, 0,1-0,4% и <2·10% от активности исходного материала. Если учесть, что по литературным данным [3] коэффициент проскока через фильтр Петрянова из материала ФПП-25-3,0 составляет 0,001%, то объемная активность дымовых газов, образовавшихся при кондиционировании низкоактивных радиоактивных отходов и прошедших через фильтрующую систему, будет ниже допустимой объемной активности для населения [4].
Заявляемый способ прошел опытную проверку в цехе дезактивации ПИЯФ РАН. В результате проверки подтвердились все преимущества способа.
Литература
1. Патент RU на полезную модель №22837 МПК F23G 5/08.
2. Патент РФ №2335700 МПК F23G 5/08 - прототип.
3. А.К.Будыка, Н.Б.Борисов. Волокнистые фильтры для контроля загрязнения воздушной среды. М., ИздАТ, 2008.
4. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009.