способ сжигания радиоактивных ионообменных смол

Формула изобретения

1. Способ сжигания радиоактивных ионообменных смол, включающий высокотемпературный нагрев ионообменных смол и отделение газообразных продуктов сгорания, отличающийся тем, что ионообменную смолу сначала смешивают с порошкообразным металлизированным топливом и окислителем при следующем соотношении ингредиентов, мас.%

Ионообменная смола - 30 - 60

Окислитель - 20 - 35

Порошкообразное металлизированное топливо - 20 - 35

полученную смесь насыпают в емкость, сверху на смесь насыпают слой зажигательной композиции, емкость закрывают крышкой, имеющей газоотводную магистраль, которую подсоединяют к системе газоочистки, а высокотемпературный нагрев осуществляют путем поджога зажигательной композиции, причем в качестве окислителя используют нитраты щелочных металлов или солевой остаток от упаривания жидких радиоактивных отходов, содержащий не менее 50 мас.% нитрата натрия, порошкообразное металлизированное топливо представляет собой смесь порошков алюминиево-магниевого сплава, нитрата щелочного металла и силикокальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Порошок алюминиево-магниевого сплава - 45 - 48

Нитрат щелочного металла - 2 - 10

Силикальций - 45 - 50

в которую в качестве технологической добавки вводят индустриальное масло в количестве 2 - 4% от массы порошкообразного металлизированного топлива, а зажигательную композицию берут в количестве 1 - 2% от массы смеси ионообменной смолы, окислителя и порошкообразного металлизированного топлива.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитратов щелочных металлов, применяемых в качестве окислителя, а также входящих в состав порошкообразного металлизированного топлива, используют нитраты калия или натрия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве зажигательной композиции используют порошкообразный малогазовый состав контактного нагрева или смесь алюминиевого порошка, BaO₂ и KClO₃.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых горючих радиоактивных отходов. Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть использован при сжигании радиоактивных ионообменных смол (ИОС).

Известен способ обработки радиоактивных отходов [1], включающий механическое обезвоживание ИОС, смешение обезвоженной ИОС с соединением кальция, сушку смеси в условиях подвода тепла и термообработку высушенной смеси при давлении менее 1000 гПа путем нагревания до температуры 120-190^oC, в результате чего ИОС теряют свою способность к поглощению воды и набуханию. Затем обработанные таким образом ИОС подвергают цементированию или битумированию для получения пригодного для долгосрочного хранения продукта.

Недостатками данного способа являются повышенная сложность процесса за счет его многостадийности; потенциальная опасность процесса за счет повышенного давления в зоне переработки радиоактивных ИОС.

Известен способ переработки отработавшей ионообменной смолы [2], включающий измельчение отработавшей ИОС, термообработку порошка ИОС при 170 - 350^oC, обеспечивающую разложение только ионообменных групп ИОС без разложения основы смолы и отверждение неразложившейся основы ИОС путем смешения с отвердителем.

Недостатками данного способа являются повышенная сложность технологического процесса за счет его многостадийности; пониженное качество получаемого продукта за счет возможности его набухания при контакте с водой вследствие того, что способ не предусматривает деструктуризации высокомолекулярной основы ИОС.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ переработки отработанных ИОС, описанный в способе и устройстве для переработки отработанных ионообменных смол [3]. На первой стадии способа ИОС подвергают низкотемпературному нагреву, не вызывающему разложения высокомолекулярной основы ИОС и обеспечивающему термическое разложение только ионообменных групп. Газообразные продукты разложения отделяют. Затем ИОС нагревают до высокой температуры, при которой разлагается высокомолекулярная основа ИОС. Газообразные продукты опять отделяют. Из остатков смолы путем горячего прессования формируют брикеты, направляемые на долгосрочное хранение.

Недостатками известного способа являются сложность процесса переработки ИОС за счет двухстадийной операции ее термического разложения и наличия операции горячего прессования остатков термического разложения ИОС; длительность процесса переработки ИОС; повышенная опасность реализации способа из-за образования токсичных газообразных продуктов сгорания.

Преимуществами заявляемого способа являются упрощение технологического цикла переработки смолы за счет термообработки ИОС в одну стадию и исключения операции горячего прессования; ускорение процесса переработки ИОС; повышение безопасности реализации способа.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что отработанные ИОС, не содержащие несвязанной воды (влажность ИОС при этом не превышает 65 мас. %) смешивают с порошкообразным металлизированным топливом и окислителем при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

ИОС - 30-60

Окислитель - 20 - 35

Порошкообразное металлизированное топливо - 20 - 35,

полученную смесь насыпают в емкость, сверху на смесь насыпают слой зажигательной композиции, емкость закрывают крышкой, имеющей газоотводную магистраль, которую подсоединяют к системе газоочистки и осуществляют поджог зажигательной композиции.

В качестве окислителя используют нитраты щелочных металлов (калия или натрия) или солевой остаток от упаривания жидких радиоактивных отходов (ЖРО) с содержанием нитрата натрия не менее 50 мас.%.

В качестве порошкообразного металлизированного топлива используют смесь порошков алюминиево-магниевого сплава, нитрата щелочного металла и силикокальция [4] при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Порошок алюминиево-магниевого сплава - 45-48

Нитрат щелочного металла - 2-10

Силикокальций - 45-50

в которую дополнительно вводят масло индустриальное в количестве 2-4 мас.% от общего веса топлива.

В качестве зажигательной композиции используют порошкообразный малогазовый состав контактного нагрева [5] или смесь алюминиевого порошка, BaO₂ и KClO₃ [6].

Порошкообразное металлизированное топливо обеспечивает горение всей смеси. Содержание порошкообразного металлизированного топлива в смеси менее 20 мас.% не обеспечивает горения ИОС, а увеличение его содержания более 35 мас. % приводит к образованию пламенного факела, что ведет к неполному сгоранию ИОС и образованию токсичных газообразных продуктов за счет повышенной скорости горения.

Содержание окислителя в смеси менее 20 мас.% не обеспечивает устойчивого горения ИОС в закрытой емкости, а его содержание свыше 35 мас.% приводит к бурному горению, что не обеспечивает безопасность процесса. В случае использования в качестве окислителя солевого остатка от упаривания ЖРО с содержанием нитрата натрия менее 50 мас.% не достигается полное термическое разложение ИОС.

При содержании ИОС в смеси менее 30 мас.% не достигается безопасность процесса, т.к. горение происходит с повышенной скоростью и образованием пламенного факела, что ведет к недожигу и уносу токсичных газов в систему газоочистки, а при содержании в смеси более 60 мас.% ИОС смесь не горит.

Порошкообразный алюминиево-магниевый сплав обеспечивает горение порошкообразного металлизированного топлива, являясь его основным теплотворным компонентом.

В качестве нитрата щелочного металла в порошкообразном металлизированном топливе используют нитраты калия или натрия, которые играют роль окислителя на первой стадии воспламенения металлизированного топлива. Индустриальное масло представляет собой технологическую добавку, которая в сочетании с нитратом щелочного металла обеспечивает безотказное воспламенение смеси, рыхлит шлак в процессе горения, чем обеспечивает требуемую пористость для диффузии кислорода.

Содержание порошкообразного алюминиево-магниевого сплава в металлизированном топливе менее 45 мас.% приводит к значительному снижению скорости горения топлива и даже к его затуханию. Содержание же его более 48 мас.% приводит к образованию пламенного факела и повышению уноса токсичных летучих соединений в систему газоочистки.

При содержании в смеси менее 45 мас.% силикокальция процесс горения ускоряется, что приводит к неполному сгоранию смолы, образованию пламенного факела и повышенному образованию газообразных токсичных продуктов горения. При содержании силикокальция более 50 мас.% процесс горения существенно замедляется, что не обеспечивает ускорения процесса сжигания ИОС.

При содержании в порошкообразном металлизированном топливе нитрата калия или натрия менее чем 2 мас.% не достигается воспламенение смеси. Увеличение же содержания нитрата калия или натрия сверх 10 мас.% может привести к росту скорости горения ИОС, возникновению пламенного факела с вышеуказанными последствиями.

Содержание зажигательной композиции составляет 1 - 2 мас.% от веса смеси ИОС, окислителя и порошкообразного металлизированного топлива, т. к. при ее содержании менее 1 мас.% не инициируется процесс горения, а при содержании свыше 2 мас.% образующаяся шлаковая корка замедляет газоотвод, в результате чего происходит повышение давления в закрытой емкости, что может привести к выбросу продуктов сгорания в газоотводную магистраль и возникновению аварийной ситуации.

Увеличение содержания масла индустриального сверх 4 мас.% может привести к образованию пламенного факела, а снижение его количества ниже 2 мас.% не обеспечивает достаточного рыхления шлаков, что затрудняет диффузию кислорода и может быть причиной затухания горения.

При реализации способа было установлено, что сжигание ИОС протекает в одну стадию, силикокальций замедляет процесс горения, снижая содержание токсичных газообразных продуктов, а образующиеся при окислении силикокальция силикаты и алюмосиликаты обеспечивают окончательную очистку газов от токсичных газообразных продуктов сгорания. Конечный продукт сжигания ИОС образуется в форме монолита, исключая необходимость применения операции горячего прессования, и соответствует требованиям, предъявляемым к радиоактивным материалам, предназначенным для долгосрочного хранения в условиях специализированных хранилищ.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Пример 1. ИОС, содержащую 65 мас.% воды, смешивают с порошкообразным металлизированным топливом, следующего состава, мас.%:

Порошок алюминиево-магниевого сплава - 47

Нитрат натрия - 5

Силикокальций - 48

при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: ИОС - 45, окислитель 27,5, порошкообразное металлизированное топливо - 27,5. В качестве технологической добавки в порошкообразное металлизированное топливо вводят масло индустриальное в количестве 3 мас.% от веса порошкообразного металлизированного топлива, а в качестве окислителя используют нитрат натрия или нитрат калия.

Смесь помещают в лопастной смеситель и перемешивают 10-20 мин, затем смесь загружают в открытую емкость, сверху насыпают слой зажигательной композиции в количестве 1,5 мас.% от веса смеси, после чего емкость закрывают крышкой, через газоотводную магистраль подсоединяют к системе газоочистки и осуществляют дистанционный поджог зажигательной композиции.

Пример 2. ИОС, содержащую 65 мас.% воды, смешивают с порошкообразным металлизированным топливом следующего состава, мас.%:

Порошок алюминиево-магниевого сплава - 47

Нитрат натрия - 5

Силикокальций - 48

при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: ИОС - 45, окислитель - 27,5, порошкообразное маталлизированное топливо - 27,5. В качестве технологической добавки в порошкообразное металлизированное топливо вводят масло индустриальное в количестве 3 мас.% от веса порошкообразного металлизированного топлива, а в качестве окислителя используют солевой остаток от упаривания ЖРО, содержащий 50 мас.% нитрата натрия.

Смесь помещают в лопастной смеситель и перемешивают 10-20 мин, затем смесь загружают в открытую емкость, сверху насыпают слой зажигательной композиции в количестве 1,5 мас.% от веса смеси, после чего емкость закрывают крышкой, через газоотводную магистраль подсоединяют к системе газоочистки и осуществляют дистанционный поджог зажигательной композиции.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что:

ИОС сгорает практически полностью (степень сжигания составляет 96-98%) за один цикл до образования монолитного, пригодного к длительному хранению продукта;

скорость процесса переработки радиоактивной ИОС возрастает по сравнению с прототипом в 2 раза;

в отходящих газах отсутствуют как радиоактивные аэрозоли, так и летучие токсичные вещества.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить технологию, уменьшить время технологического цикла сжигания радиоактивных ИОС и повысить безопасность реализации способа.

Источники информации

1. Патент Германии N 4137947, кл. G 21 F 9/12, C 02/ F 1/00, " Способ обработки радиоактивных отходов", 1993.

2. Заявка Японии N 5-11280, кл. G 21 F 9/30, "Способ переработки отработавшей ионообменной смолы", 1986.

3. Заявка Японии N 4-59600, кл. G 21 F 9/30, "Способ и устройство для переработки отработанных радиоактивных смол", 1984.

4. ГОСТ 47620-71. Силикокальций.

5. Патент РФ N 2036385, кл. F 23 G 7/00, 1/00, 1995.

6. Лукс Г. Экспериментальные методы в неорганической химии.-М.: Мир, 1965, с. 572.