шлаковый компаунд – конечный продукт технологии плазменной переработки радиоактивных отходов
, Cоколова Н. А., ,
, Дмитриев С. А.
ГУП Московское научно-производственное объединение «Радон», г. Москва
E-mail: *****@***ru
В ГУП МосНПО «Радон» разработана шахтная технология высокотемпературной переработки радиоактивных отходов с использованием плазменных источников нагрева. В отличие от методов сжигания отходов, когда в качестве конечного продукта получается зола, плазменные методы прямой переработки радиоактивных отходов позволяют получать конечный продукт в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Также к преимуществам перед обычными методами сжигания относятся повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижение объемов образующихся вторичных отходов.
На переработку принимаются отходы смешанного типа, включающих до 40…50 % негорючих компонентов (усредненный состав приведен в таблице 1).
Активность принимаемых отходов ограничивается величинами 3,7×106 Бк/кг для b, g-излучающих радионуклидов и 2,2×105 Бк/кг для α-излучающих изотопов.
Таблица 1 – Состав переработанных модельных и радиоактивных отходов
Наименование компонента | Доля, % мас. |
Бумага | 10,8…86,3 |
Дерево (опилки) | 1,0…5,2 |
Дерево (дрова) | 2,2…18,5 |
Текстиль (ветошь) | 4,3…6,9 |
Пластик (полиэтилен, ПЭТ, ПВХ) | 4,8…7,5 |
Стекло (бытовое и лабораторное) | 1,9…7,7 |
Резина (шланги, автомобильные покрышки) | 2,0…4,5 |
Электрические платы, радиодетали | 1,6…5,1 |
Строительный мусор | 4,0…11,4 |
Теплоизоляционные материалы | 1,1…5,3 |
Металл | 3,6…9,7 |
Ионообменные смолы | 0,3…1,6 |
Растительные материалы | 2,1…4,6 |
Общая зольность отходов | 7,2…34,4 |
Общая влажность отходов | 4,9…23,7 |
В результате проведенных в МосНПО «Радон» исследований была подтверждена возможность эффективной переработки радиоактивных отходов смешанного типа в плазменной шахтной печи с получением шлакового компаунда, обладающего чрезвычайной стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды и построена опытно-промышленная установка производительностью до 200…250 кг/ч (рисунок 1).
Рисунок 1 – Технологическая схема установки "Плутон"
Шахтная печь выполнена из огнеупорных и теплоизолирующих материалов с наружной облицовкой стальным листом. В своде плавильной камеры размещены два плазмотрона мощностью 100…150 кВт каждый, которые обеспечивают температуру расплава 1500…1700 °С.
Отходы с помощью конвейера через шиберные устройства узла загрузки, попадают в верхние слои шахты, заполненной перерабатываемым материалом. Опускаясь под действием силы тяжести, перерабатываемый материал нагревается за счет тепла отходящих газов, движущихся навстречу движению столба материала в шахте печи. В верхних и средних слоях шахты отходы проходят стадии сушки за счет тепла отходящих газов и пиролиза при отсутствии свободного кислорода, сопровождающиеся интенсивным газовыделением. Органические остатки отходов и тугоплавкие неорганические составляющие поступают в нижние слои шахты – зону горения коксового остатка и плавления шлака.
Шлаковый расплав накапливается в плавильной ванне, где он гомогенизируется, перегревается и через узел слива направляется в бокс приемки расплава. Шлак сливается в непрерывном или периодическом режиме в металлические контейнеры, устанавливаемые в приемном боксе. Температура шлакового расплава в ванне печи достигает 1600…1800 °С, при этом температура отходящих газов на выходе шахтной печи не превышает 250…300 °С. После охлаждения расплава в приемных контейнерах застывший шлак отправляется на полигон долговременного хранения кондиционированных форм радиоактивных отходов.
В конструкции печи предусмотрена возможность подачи в шахту дутьевого воздуха для регулирования производительности печи или состава пирогаза. Пиролизные газы из шахты печи направляют в камеру дожигания, где горючие газовые и аэрозольные компоненты пирогаза сгорают при температуре 1100…1300 °С.
Далее отходящие газы охлаждают в испарительном теплообменнике до температуры 300 °С, очищают от аэрозолей в рукавном фильтре, охлаждают в теплообменнике и нейтрализуют вредные газообразные компоненты (HCl, NO2, SO2) в абсорбере, орошаемом циркулирующим по контуру щелочным раствором. Перед выбросом в атмосферу отходящие газы проходят дополнительную санитарную очистку в абсолютном фильтре.
Источником нагрева печи служат дуговые плазмотроны, установленные в подовой части печи над ванной, в качестве плазмообразующего газа используется воздух. Для нагрева печи и камеры дожигания используются плазмотроны постоянного тока электрической мощностью 100…150 кВт, разработанные в ГУП МосНПО «Радон». Для питания плазмотронов использованы тиристорные и конденсаторные источники постоянного тока.
Установка оснащена датчиками контроля температур, давления, электрических параметров и расходов сред. Управление установкой производится с пульта, в состав которого входят измерительные приборы, регуляторы тока плазмотронов, комплекс регистрации и управления технологическими параметрами на базе компьютера и контроллера, кнопки пуска и аварийного отключения плазмотронов и индикаторы состояния узлов установки.
После разработки плазмотронов (рисунок 2) достаточной тепловой мощности, в которых в качестве рабочего газа использовался сжатый воздух, процесс в подовой части печи стал проводиться в окислительной атмосфере, что способствовало более полному окислению всех компонентов шлака и получению более однородного продукта. Получаемый шлаковый компаунд обладает высокой прочностью и химической стойкостью и направляется далее на долговременное хранение без дополнительной переработки. Радионуклидный и химический состав плавленого шлака представлен в таблицах 2 и 3.
Плотность шлаков составляет 2,7…2,9 г/см3. В отличие от стекол, плавленый шлак может иметь повышенное содержание оксида алюминия при относительно низком содержании оксидов кремния и натрия. Температура размягчения шлака может изменяться от 1200 до 1500 °С. Специально проведенные эксперименты показали возможность надежного включения в матрицу шлака тяжелых металлов: свинца, хрома, меди, никеля, цинка и многих других.
Рисунок 2 – Плазмотроны серии «Радон-5»
Таблица 2 – Радионуклидный состав шлаков, Бк/кг
Sb отн. 137Сs | 1×104…1,3×106 |
Sa отн.239Pu | 5×103…7×106 |
241Am | (0,5…3)×104 |
137Сs | 3×103…2×105 |
134Сs | 8×102…1,3×104 |
90Sr+90Y | 2×103…3×105 |
60Co | (0,5…3)×103 |
226Ra | 38…590 |
239Pu | (0,2…6)×105 |
238Pu | 9×102…3×105 |
238U | (1…6)×103 |
235U | 50…210 |
234U | (0,3…1,4)×104 |
Таблица 3 – Химический состав полученных шлаков, % мас.
Al2O3 | 18,8...27,9 |
SiO2 | 35,0...56,0 |
Na2О | 2,6...11,1 |
К2О | 0,6...2,1 |
СаО | 2,1...8,7 |
MgO | 1,2...2,9 |
B2O3 | 0,7...3,7 |
PbO | 0,3...4,1 |
NiO | 0,1...3,7 |
Cr2O3 | 0,2... 0,6 |
CuO | 0,1...3,1 |
Fe2O | 1,5...8,5 |
ZnO | 0,1...13 |
Cl | 0,1...0,3 |
P2O5 | 0,3...0,7 |
S | 0,06...0,1 |
Полученные в плазменном процессе плавленые шлаки являются чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом; скорость выщелачивания натрия, одного из самых «подвижных» элементов, из шлака в воду находится на уровне
(2…3)×10-6 г/(см2×сутки), что, в среднем, на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и на 2…3 порядка ниже, чем у цементных матриц (представлена в таблице 4). Скорость выщелачивания большинства других элементов, в том числе тяжелых металлов, на 2…3 порядка еще ниже, поэтому подобный шлаковый компаунд можно рассматривать как одно из самых совершенных средств для консервации радиоактивных элементов и неорганических токсикантов.
Таблица 4 – Характеристика химической стойкости шлаков
Компонент | Na+ | 137Cs | 239Pu |
Скорость выщелачивания, г/см2×сут | (2…3)×10-6 | (0,3…5,0)×10-6 | (0,8…2,0)×10-7 |
Доля выщелоченного компонента (100 суток), % | 1,1 | 0,61 | 0,008 |
По своей структуре шлаки близки к вулканическому стеклу, доля кристаллических включений в аморфной матрице не превышает 10…15 %. Проведенные петрографические и рентгенофазовые исследования полученного продукта показали наличие в аморфной составляющей шлака до 10…15 % кристаллических фаз, основными из которых являются щелочные алюмосиликаты. Фазовый состав шлака зависит от состава отходов.
Химическая стойкость шлака значительно превосходит химическую стойкость многих минеральных структур, например, дорожного щебня, поэтому разработанная плазменная технология может быть очень перспективной и для переработки других, нерадиоактивных, видов отходов с использованием полученного продукта в качестве строительного материала.
