Спосіб термічної переробки твердих горючих рав

Спосіб термічної переробки твердих горючих РАВ, який полягає в тому, що шихту у вигляді суміші подрібнених твердих горючих РАВ з алюмо 3 ної точки зору, найдоцільніше для цього використовувати доступні та дешеві речовини. Вже відомий наприклад спосіб термопереробки методом пірогазифікації твердих горючих та радіоактивних відходів [1], який полягає у підготовці шихти, шляхом змішування подрібнених відходів з добавкою у вигляді вапняку або доломіту, подачі її з верху у вертикальний шахтний реактор, до якого з низу подають протитоком газифікуючий агент, що містить кисень, при цьому з низу реактора виводять тверді продукти переробки, а з верху виводять газо-димову суміш. При цьому в реакторі утворюються послідовні зони сушіння, піролізу, горіння та охолодження. Вапняк, який вводиться в реактор хімічно зв'язує кислі компоненти, наприклад сірку, хлор, фтор та ін., у сполуки що виводяться з реактора разом з твердими залишками горіння. Суттєвим недоліком описаного способу є те, що він не забезпечує повного уловлювання нуклідів зв'язування їх у хімічно стійки мінералоподібні сполуки. Це пояснюється високими температурами твердо-рідкофазної взаємодії та плавлення евтектик оксидів урану, плутонію, америцію, стронцію з оксидом кальцію, що досягають 2100°С, які практично не протікають при температурах характерних для зони горіння до 1200°С (див. Стерлий Я.М. Металургия урана. - м. Госатомиздат. - 1962. С.92-94). Тому додавання в шихту тільки вапняку не забезпечує отримання в зольному залишку твердих розчинів, які утворюються при дифузійному твердо фазному й рідкофазному механізмі спікання та утворення евтектик. Найближчим серед відомих до запропонованого є спосіб [2] термопереробки твердих радіоактивних відходів, який полягає у підготовці шихти, шляхом змішування подрібнених РАВ з алюмосилікатом (каолінітом) і флюсом (доломітовим борошном) з наступним її пресуванням у брикети. За цим брикети подають з верху у вертикальний шахтний реактор, до якого з низу подають протитоком газифікуючий агент, що містить кисень, при цьому з низу реактора виводять тверді продукти переробки, а з верху виводять газо-димову суміш. В реакторі шихта проходить послідовно через зони сушіння та піролізу (350-600°С), зону попереднього спалювання (600-800°С), до якої подають газоподібний окислювач, зону газифікації (800-1200°С), до якої подають водяну пару, зону доспалювання (1200-1400°С), до якої подають газоподібний окислювач. Отримана таким чином зола надходить до зони плавлення (1400-1600°С), де зола витримується до повного розплавлення та гомогенізується. При цьому зону доспалювання та зону плавлення додатково нагрівають плазмотронами. Розплав золи, що вивантажується із реактора після охолодження утворює рівномірний за складом моноліт стійкий до вилуговування. Описаний спосіб має ряд суттєвих недоліків. Висока температура в робочій зоні реактора (біля 1700°С) вимагає застосування жаростійких матеріалів та спеціальних технічних заходів (насамперед охолодження корпусу). Висока температура в реакторі приводить до виносу з нього значної кількості радіонуклідів. Не випадково цим способом 52960 4 передбачено розпилювання в газово-димовому потоці, який виводиться з реактора, порошкоподібних алюмосилікатів для зв'язування летючих форм радіонуклідів. Задачею запропонованої корисної моделі є удосконалення відомого способу термічної переробки твердих горючих РАВ, в якому шляхом підбору складу добавок до РАВ забезпечена іммобілізація радіонуклідів у хімічно стійкі сполуки та підвищено коефіцієнт переходу радіонуклідів у золу при температурах в зоні горіння 800÷1150°С. Поставлена задача вирішується тим, що у способі переробки твердих горючих РАВ, який полягає в тому, що шихту у вигляді суміші подрібнених твердих горючих РАВ з алюмосилікатами подають з верху у вертикальний шахтний реактор, до якого протитоком подають газифікуючий агент, що містить кисень, при цьому з низу реактора виводять тверді продукти переробки, а з верху газодимову суміш, запропоновано разом з алюмосилікатами до шихти додають вапняк та хлорид кальцію при наступних співвідношеннях компонентів (у вагових частинах): вапняк 1,0 хлорид кальцію 3,25÷4,25 алюмосилікати 1,75÷2,25. Технічним результатом від запропонованих удосконалень є те, що вапняк при температурах 1000-1150°С декарбонізується з утворенням розвинутої активної структури СаО, яка поглинає і взаємодіє з кислими компонентами (сіркою, хлором, фтором) та вільними нуклідами, і зв'язує їх у термічно стійкі сполуки, які виводяться з реактора разом з твердими залишками горіння. Алюмосилікат взаємодіє зі сполуками РН утворюючи мінералоподібні хімічно стійкі та стійкі до вилуговування сполуки Cr2Si5O4, СrSi5O3 та СsАlOSi2O6. Крім цього СаСl2, що міститься в шихті, розчиняє в собі СаО і забезпечує зниження температури взаємодії і плавлення оксидів нуклідів урану, плутонію, америцію, стронцію з оксидом кальцію до 900-1150°С, тобто до температури в зоні горіння реактора, в результаті чого радіонукліди утворюють хімічно стійкі сполуки переходять в золу, і не виносяться газовим потоком. Істотними ознаками запропонованого пристрою спільними з прототипом, є: - спосіб термічної переробки твердих горючих РАВ; - шихта є сумішшю подрібнених твердих горючих РАВ з алюмосилікатами; - шихту подають з верху у вертикальний шахтний реактор; - в реактор протитоком подають газифікуючий агент, що містить кисень; - з низу з реактора виводять тверді продукти переробки; - з верху з реактора виводять газо-димову суміш. Новими істотними ознаками порівняно з прототипом є: до шихти разом з алюмосилікатом вводять вапняк та хлорид кальцію при наступних співвідношеннях компонентів (у вагових частинах): вапняк 1,0 хлорид кальцію 3,25÷4,25 5 алюмосилікати 1,75÷2,25. Запропонований спосіб здійснюється в реакторі, який включає вертикальну шахту, з пристроєм подачі шихти і засобом відводу димогазової суміші на верхньому її кінці та механізмом виводу зольного залишку та засобом подачі газифікуючого агента - окислювача, що містить кисень на нижньому кінці. Запропонований спосіб термічної переробки твердих горючих РАВ, передбачає подачу шихти з верху у шахту реактора. Робочу шихту виготовляють шляхом подрібнення РАВ та змішування з домішкою, яка включає необхідну кількість алюмосилікату (цеоліту, бентоніту, кліноптіліту та ін.), вапняку та хлориду кальцію. При цьому змішування компонентів може здійснюватися у сухому вигляді, коли домішки до РАВ використовують у сипучому порошкоподібному вигляді. Однак, в такій суміші сипуча фракція не утримується рівномірно по об'єму шихти, тому більш доцільно підготувати домішку вапняку з кремнеземом у вигляді водної суміші та зрошувати нею подрібнені РАВ при перемішуванні. У випадку, коли подрібнені РАВ подають безпосередньо в реактор, то водну суміш вапняку та кремнезему розбризкують в шахті реактора. Кількість домішки в шихті складає близько 1% від загальної їх ваги. Газифікуючий агент, що містить кисень (тобто повітря), подають в шахту реактора з низу і він протитоком пронизує товщу перероблюваного матеріалу (шихти). Зольний залишок, який утворюється в реакторі, виводиться з нижньої частини шахти та накопичується для подальшої переробки, а димогазова суміш виводиться на верхньому кінці реактора і надходить на доспалювання та очищення. В процесі роботи реактора оброблюваний матеріал рухається в його шахті зверху в низ, проходячи ряд характерних зон - сушіння, піролізу і горіння. Газоподібні продукти сушіння, піролізу та газифікації виводиться із реактора як продукт-газ. Спочатку шихта у верхній частині реактора знаходиться в зоні сушіння де її температура підвищується до 200°С за рахунок теплообміну з продуктгазом, а газовий потік при цьому очищується сорбцією радіонуклідів на шихті та охолоджується перед виведенням його з реактора. За цим шихта опускається в зону піролізу і коксування, де за рахунок теплообміну з газовим потоком вона поступово нагрівається з 200°С до 800°С і горючі компоненти піролізуються, утворюючи в кінцевому підсумку кокс. Далі матеріал надходить у зону горіння та газифікації, де температура становить 800°С-1150°С. Тут кокс та напівкокс реагує з гарячим газом-окислювачем і утворює топочний газ. Твердий залишок горіння надходить у зону охолодження, де він охолоджуючись у протитоці газифікуючого агента, нагріваючи його до температури близької до температури горіння. В зоні горіння алюмосилікат взаємодіє зі сполуками РН утворюючи мінералоподібні хімічно стійкі та стійкі до вилуговування сполуки Сr2Si5O4, СrSi5O3 та СsАlOSi2O6, а вапняк декарбонізується з утворенням СаО. Хлористий кальцій, який міститься у шихті, забезпечує розчинення в ньому СаО, що викликає зниження температури контактної взаємодії 52960 6 оксидів нуклідів з окислом кальцію до 900-1100°С, тобто до температури зони горіння і, в кінцевому підсумку, до повного переходу радіонуклідів золи у мінералоподібну матрицю. Крім цього наявність в шихті СаСІ2 забезпечує також хлорування найбільш летючих радіонуклідів цезію та стронцію з утворенням їх хлоридів (CsCI та SrCl2), які мають значно вищі температури кипіння в порівнянні з їх металевими та кисневими сполуками (температура кипіння CsCI становить 1300°С, a SrCl2 2000°C), що забезпечує різке збільшення коефіцієнту переходу їх в золу. Процес може здійснюватися в безперервному режимі, коли завантаження шихти та виведення зольного залишку відбувається безперервно, або зольний залишок виводиться окремими послідовними порціями (що більш доцільно). Можливий також варіант ведення процесу у періодичному режимі, коли реактор завантажується шихтою повністю, розпалюється з низу і процес відбувається до повного припинення горіння. За цим після охолодження реактора проводять вивантаження зольного залишку. Після цього реактор готовий до чергового циклу роботи. Приклади здійснення способу По запропонованій технології перероблялися тверді РАВ Чорнобильського походження у вигляді деревини забрудненої аварійними короткоіснуючим радіонуклідами (цезієм та стронцієм) і довго-існуючим (ураном, плутонієм, америцієм). Робоча шихта готувалася шляхом подрібнення деревини до "тріски" та зрошення її при перемішуванні водною сумішшю вапняку, кремнезем і хлориду кальцію. Переробка шихти здійснювалася на експериментальному реакторі шахтного типу потужністю 50кг/годину, встановленому у зоні відчуження ЧАЕС, та оснащеному системою доспалювання та очищення димогазової суміші, які виводиться з нього. В реакторі були перероблені кілька партій шихти, кожна з яких містила 1% ваговий добавки тобто суміші алюмосилікату, вапняку і хлориду кальцію з різним ваговим співвідношенням компонентів. Для вибору оптимального співвідношення вапняку з алюмосилікатом було проведено п'ять дослідів, у кожному з яких в реакторі перероблялася партія шихти вагою 28кг, (повний робочий об'єм шахти реактора). Шихта включала 280гр., добавок, тобто 1% від її загальної ваги. В кожній партії шихти добавка містила 1 вагову частину, (40гр.) вапняку. Вміст алюмосилікату складав від 1,75 до 2,25, а хлориду кальцію від 4,25 до 3,75 вагових частин відповідно. При переробці кожної партії шихти визначалася фазовий склад золи та кількість радіонуклідів (РН) в шихті, які перейшли в золу, з визначенням коефіцієнту переходу РН в золу. Кількість РН визначали радіометричними та радіохімічними методами, а фазовий склад золи - ренгенофазовими методами. Поряд з дослідженням РАВ проводилися дослідження із партіями шихти виготовленої із чистої деревини з введеними мітками на основі стабільних ізотопів цезію та стронцію (Cs133 та Sr88). Отримані результати наведені в таблиці 1. 7 52960 8 Таблиця 1 Кількість компонентів у добавці вапняк Вагових частин 1 1 1 1 1 алюмосилікат Гр. 40 40 40 40 40 Вагових частин 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 Гр. 60 70 80 90 100 Як показали дослідження при температурі в зоні горіння 800-1150°С коефіцієнт переходу радіонуклідів у золу суттєво підвищується при співвідношенні алюмосилікату до вапняку, яке становить 1:2,0±0,25 та досягає максимуму при співвідношенні 1:2,0, досягаючи до 96%, за рахунок невисокої температури в зоні горіння і, як наслідок зменшення летючості Cs, Sr і інших радіонуклідів. Крім цього відбувається сорбція РН шаром стовпу шихти, СаО, а також вуглецем від піролізу з утворенням при взаємодії практично нелетючих хлоридів Cs, Sr й інших радіонуклідів, а також за рахунок твердо-рідкофазної взаємодії кисневих сполук радіонуклідів з СаО з утворенням, як показав ренгенофазовий аналіз, мінералоподібних хімічно стійких та стійких до вилуговування сполуки Сr2Si5O4, СrSi5O3 та CsAlOSi2O6. При температурах вище 1200°С без додавання домішок відмічається значне масоперенесення нуклідів Cs, Sr й інших радіонуклідів коефіцієнт переходу в золу складає до 70%.Запропонований спосіб термічної переробки РАВ забезпечує переведення РН в мінералоподібні форми стійкі до Комп’ютерна верстка А. Рябко хлорид кальцію Вагових частин 4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 Коефіцієнт Співвідношення переходу РН у золу Гр. SіО2:СаСО3 % 180 170 160 150 140 1,50 1,75 2,00 2,25 2,25 82 93 96 88 80 вилуговування. Запропонований склад добавок до шихти дає змогу вести процес термічної переробки РАВ при порівняно низьких температурах в зоні горіння 800-1150°С, тому реактор для здійснення процесу не потребує використання жаростійких матеріалів та засобів охолодження конусу. Для виготовлення добавки використовуються не дорогі та не дефіцитні компоненти, а їх кількість (в межах 1% від ваги шихти) не може вплинути на загальні витрати по переробці РАВ. Високий коефіцієнт переходу РН в золу суттєво зменшує навантаження на систему очищення димогазової суміші. Джерела інформації: 1. Патент RU №2079051 по М.кл6 F23G5/027. 2. Патент RU №2123214 по М.кл7 G21F9/28, 9/32. Прототип. 3. Манелис Г.Б. Возможность суперадиабатической газификации для переработки загрязнѐнных радионуклидами отходов с выработкой энергии. - ИХФЧ РАН. - В сб. Материалы Чернобыльского семинара по восстановлению при помощи растительности и преобразованию биомассы в энергию. - 23÷25.02.1998г. С.319÷329. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601