 
|
Плазменные технологии: расширение возможности переработки отходовИ.И.Кадыров, М.А.Полканов, В.А.Горбунов, С.А.Дмитриев, Ф.А.Лифанов, А.П.Кобелев, ГУП МосНПО «Радон», Россия В ГУП МосНПО «Радон» испытана пилотная установка производительностью 40–50 кг/ч на базе шахтной печи с плазменным нагревом для переработки радиоактивных отходов смешанного типа, включающих до 40–50% негорючих компонентов, в условиях пиролиза. По результатам предварительных испытаний была спроектирована и построена опытно-промышленная установка плазменной переработки радиоактивных отходов смешанного типа производительностью 200-250 кг/ч. Затраты электроэнергии на плазмотрон составляют от 0,5 до 1,5 кВт на 1 кг отходов в зависимости от их состава, необходимый температурный режим в камере дожигания обеспечивает горение пирогаза с калорийностью до 5-9 МДж/кг образующегося в печи. В результате переработки радиоактивных отходов без внесения флюсующих добавок получается шлаковый компаунд с высокой химической стойкостью. Введение Сжигание отходов является одной из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сокращать объем отходов. На сжигание направляются выделенные в результате сортировки лишь горючие компоненты отходов. Недостатком сжигания радиоактивных отходов является образование опасного для транспортировки, пылящего и непригодного для захоронения продукта – золы, сконцентрировавшей в себе радиоактивные изотопы [1]. различные методы дальнейшего кондиционирования радиоактивного зольного остатка требуют создания дополнительных промышленных установок, транспортирования зольного остатка на переработку, внесения дополнительных материалов и, в ряде случаев, существенных энергетических затрат. Использование для нагрева печей и камер дожигания дымовых газов устройств сжигания углеводородных жидких или газовых топлив в избытке воздуха приводят к образованию больших объемов дымовых газов, нуждающихся в очистке от радиоактивных и вредных химических веществ перед выбросом в атмосферу, эффективность сжигания органических компонентов отходов обеспечивается за счет также двух- трехкратного избытка воздуха, подаваемого на колосники. В то же время плазменные методы прямой переработки радиоактивных отходов позволяют получать продукт, пригодный для транспортировки и захоронения или долгосрочного хранения. Их преимуществом перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижение объемов образующихся вторичных отходов, так и получение продукта в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Сдерживающим фактором в развитии плазменных технологий переработки РАО являются высокие степени уноса легколетучих радионуклидов (десятки процентов), прежде всего, цезия-137, из плавителей и других высокотемпературных узлов плазменных установок. Настоящая работа направлена на разработку технологии плазменного кондиционирования радиоактивных отходов, обеспечивающей получение шлакового компаунда с максимальной степенью включения радионуклидов и безопасности для окружающей среды. Предварительные исследования на пилотной установке Предварительные работы по выбору материалов и конструкции высокотемпературных узлов и аппаратов для плазменной переработки РАО, исследование и поиск оптимальных технологических режимов, переработка опытных партий имитаторов и реальных РАО проводились на пилотной установке "Пиролиз", созданной в Опытном заводе прикладных радиохимических технологий МосНПО "Радон" [2, 3]. Основой опытной установки являлась печь шахтного типа, состоявшая из шахты и плавителя, узлов загрузки отходов и слива шлакового расплава (см. рис. 1). Сверху плавителя установлен дуговой плазмотрон, в нижней торцевой части плавителя имеется сливное устройство, состоящее из сливного блока со сливным отверстием, установленного горизонтально, и стопора, запирающего сливное отверстие в процессе разогрева плавителя и по окончании слива. Высота шахты от пода ванны составляет 4,2 м, внутреннее сечение 0,4•0,4 м. Отработка технологии плазменного кондиционирования отходов проводилась на отходах смешанного типа, включавших как горючие, так и негорючие компоненты. Отходы были упакованы в многослойные бумажные мешки (крафт-мешки). Габариты упаковок находились в пределах 350 x 350 x 600 мм. Вес упаковок колебался от 2 до 20 кг; в основном, упаковки имели вес 8-10 кг. Удельная активность отходов находилась в диапазоне от 104 до 106 Бк/кг. Средняя производительность печи составила 40-50 кг отходов в час, затраты электроэнергии на плазмотрон составляли от 1 до 2 кВт•ч на 1 кг отходов в зависимости от их состава. Время выхода на рабочий режим шахтной печи не превышало 2-3 часа до начала загрузки отходов и 5-6 часов до начала слива шлака. Выбранные технологические режимы обеспечили градиент температур от 1500 – 1800оС в подовой части до 200 – 350оС в зоне выхода пирогаза, препятствующий уносу из печи летучих соединений ряда радионуклидов и тяжелых металлов, а также позволили перерабатывать отходы и сливать шлаковый расплав без добавления флюсов. Получаемый в шахтной печи пирогаз имел теплотворную способность 4,5-5,5 МДж/кг. Это позволило, после начального нагрева с помощью плазмотрона, поддерживать необходимую температуру в камере дожигания за счет тепла, выделяющегося при сгорании пирогазов, при выключенном плазменном источнике нагрева, и эффективно сжигать смолы и сажу. Объемы отходящих газов на выходе из шахтной печи колебались в пределах от 100 до 150 м3/ч, на выходе установки – от 450 до 550 м3/ч. Унос радионуклидов цезия-137 и 134 из шахтной печи не превышал 10-12 %, кобальта-60 – 3%, трансурановых элементов – в пределах 1% при средней объемной активности пирогаза на выходе из шахты 0,1 – 2 кБк/м3 (137Cs). Опытно-промышленная установка "Плутон" 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 принято решение о строительстве опытно-промышленной установки производительностью до 200-250 кг/ч (см. рис. 3, таб. 1). Таблица 1. Сравнительные характеристики плазменных установок переработки РАО
Шахтная печь выполнена из огнеупорных и теплоизолирующих материалов с наружной облицовкой стальным листом. Высота шахты 6,4 м (от пода), внутреннее поперечное сечение 0,8•0,8 м, загружаемый объем шахты – 3,5 м3. В своде плавильной камеры размещены два плазмотрона мощностью 100-150 кВт каждый, которые обеспечивают температуру расплава 1500-1700оС. 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 1100–1300оС. Далее отходящие газы охлаждают в испарительном теплообменнике до температуры 300оС, 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 используються 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. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Загрузка отходов На первом этапе исследования режимов работы установки "Плутон" был испытан вариант загрузки дробленых отходов. Имитаторы радиоактивных отходов измельчали с помощью роторно-пластинчатой дробилки. Дробление стекла, ПВХ, полиэтилена, дерева, шамотного кирпича и фрагментов автомобильных покрышек дает удовлетворительные результаты. При дроблении бумаги значительно, в десятки раз, увеличивается объем измельченной бумажной массы. Наилучшие результаты дает дробление смеси твердых хрупких материалов (стекло, кирпич) и мягких или пластичных материалов (полиэтилен, ПВХ, ткань, волокно, дерево, картон). Для загрузки отходов использовался дисковый цепной конвейер в герметичном трубчатом корпусе. Тем не менее, шахтный процесс из-за очень низкой плотности дробленых отходов обеспечить не удается: на выходе шахтной печи получали очень бедный пирогаз, в шахте наблюдалось сводообразование и зависание отходов. По результатам испытаний был сделан вывод, что целесообразно вести загрузку в шахтную печь радиоактивных отходов в более плотном состоянии в регламентируемой первичной упаковке (крафт-мешках). С этой целью проводится замена трубчатого цепного конвейера на герметичный ленточный конвейер. Шахтный режим Испытания шахтной печи, в целом, подтвердили правильность предварительных расчетов и заложенных конструктивных решений. Температурный режим в процессе переработки модельных отходов соответствовал расчетным значениям. Первоначальное заполнение шахты отходами составляло от 800 до 1300 кг, температура газов на выходе из шахты находилась в пределах от 130 до 250оС. Производительность печи в процессе последующей загрузки варьировалась в диапазоне от 170 до 300 кг/ч, в зависимости от морфологии отходов и условий переработки. Поддержанием температуры пирогаза в верхней части шахты в пределах 200-350оС обеспечивается взрывобезопасность процесса. При постоянном уровне заполнения шахты отходами процесс переработки приближается к стационарному, и состав пирогаза на выходе шахты примерно постоянен (определяется составом перерабатываемых отходов), т.е. залповые выбросы отдельных компонентов (СО, Н2 и др.) из шахтной печи практически отсутствуют. Это облегчает работу камеры сжигания пирогазов и системы газоочистки. Кроме того, благодаря охлаждению газов во время движения по шахте скорость их значительно снижается, что способствует уменьшению уноса аэрозолей. Режим работы плавителя В первых экспериментах на пилотной установке при отсутствии плазмотрона достаточной мощности от 60 до 75 кВт в плазменную струю вводили дополнительное жидкое топливо, а к перерабатываемым отходам добавляли флюс (боросиликатное стекло), снижающий температуру плавления шлака до 1300-1400оС, в количестве 3-5% от массы отходов. В дальнейшем повышение мощности плазмотрона до 80-100 кВт позволило перерабатывать отходы и сливать шлаковый расплав без добавления топлива и флюсов при температуре в подовой части печи от 1500 до 1800оС. Отказ от использования флюса позволил повысить ресурс огнеупорных материалов, из которых выполнен плавитель печи. В результате переработки радиоактивных отходов и их имитаторов получен шлаковый компаунд, радионуклидный и химический состав которого представлен в табл. 3 и 4. Таблица 2. Радионуклидный состав шлаков, Бк/кг
Таблица 3. Химический состав полученных шлаков, масс. %
Плотность шлаков находилась в пределах 2,7 – 2,9 г/см3. Полученные радиоактивные шлаки являются чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом; скорость выщелачивания радионуклидов (137Cs) в воде, в среднем, была на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и находилась на уровне 10-6 г/см2*сутки (см. табл. 4). Шлак позволяет надежно фиксировать тяжелые металлы (свинец, цинк, медь никель и т.п.) в значительных количествах. Таблица 4. Характеристика химической стойкости шлаков
Пирогаз Получаемый на выходе из печи пирогаз содержит горючие газы, пары смолистых веществ и аэрозоли сажи и золы (см. табл. 5). Их сжигали в избытке воздуха при температуре 1100-1300оС в камере дожигания. Нагрев камеры дожигания обеспечивали с помощью плазмотрона, установленного вертикально в форкамере. Калорийность получаемого в шахтной печи пирогаза зависела от морфологии отходов и достигала 5-9 МДж/кг, поэтому после начального нагрева с помощью плазмотрона камера дожигания продолжала работать в автотермическом режиме при температуре, достигающей 1300-1400оС, за счет тепла, выделяющегося при сгорании пирогазов, при выключенном плазменном источнике нагрева. Такие условия в сочетании со временем пребывания отходящих газов в камере около 2 секунд обеспечивают глубокое окисление токсичных органических соединений, смол и сажи, таким образом выделяя дополнительное количество теплоты, а ступенчатый ввод воздуха препятствует образованию оксидов азота. Таблица 5. Состав пиролизных газов на выходе из шахтной печи
Степень очистки выходящих из шахтной печи пирогазов в камере сжигания от горючих компонентов (летучих и тяжелых углеводородов, смолистых веществ, водорода, окиси углерода, аммиака, углерода, цианистого водорода) 99,9-100%, от аэрозолей – 87-99% в зависимости от их содержания в пиролизных газах и доли негорючих компонентов. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Сравнение технологий При сравнении различных вариантов высокотемпературных процессов переработки отходов необходимо учитывать ряд основных факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на вопросы экологической безопасности: 1) качество получаемого продукта и завершенность процессов технологического передела; 2) ограничение загрязнения окружающей среды продуктами переработки отходов и воздействия опасных факторов на персонал комплекса и население; 3) удельные показатели потребления энергетических (электрическая и тепловая энергия) и природных ресурсов (воздух, вода, земля, недра). Преимуществом плазменных методов прямой переработки радиоактивных отходов перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов, так и получение продукта в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Плазменные технологии позволяют увеличить объем перерабатываемых отходов в десятки раз по сравнению со сжиганием за счет переработки смешанных, практически не сортированных отходов. По своей структуре шлаки близки к вулканическому стеклу, доля кристаллических включений в аморфной матрице не превышает 10-15%. 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. 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. Токсичность дымовых газов Дымовые газы, выходящие из печи сжигания (или другого высокотемпературного устройства для переработки отходов), содержат не только пылевые частицы, но и газообразные вредные химические вещества: оксиды азота, серы и углерода, хлористый и фтористый водород, остатки углеводородов и других органических веществ. Для их улавливания и нейтрализации химически агрессивных компонентов служит набор стандартных или оригинальных методов очистки дымовых газов, включающих, как правило, узлы дожигания горючих компонентов, фильтрации и охлаждения, абсорбции и каталитической очистки газов. Сжигание отходов является одним из наиболее опасных вариантов переработки, так как приводит к синтезу ряда классов высокотоксичных веществ, прежде всего, полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов, полициклических ароматических углеводородов и бифенилов, а также их предшественников непосредственно в зоне горения по радикальному механизму. В отличие от сжигания, процесс послоевого пиролиза отходов в условиях недостатка кислорода, организованный в плазменной шахтной печи, приводит, в основном, к разложению сложных и тяжелых органических молекул на более простые фрагменты. Основными техническими мерами, призванными выполнить жесткие санитарные нормативы по выбросам диоксинов с дымовыми газами в атмосферу, являются: - сжигание пирогаза в камере дожигания при температуре от 1200 до 1350оС, обеспечивающей глубокое окисление органических компонентов; - быстрое охлаждение горячих дымовых газов в испарительном теплообменнике путем впрыска воды в газовый поток, что позволяет подавить образование вторичных диоксинов по конденсационному механизму в диапазоне температур от 600 до 300оС; - применение скруббера с орошением газов щелочным раствором, поглощающим активный хлор и хлористый водород, являющиеся основным "строительным материалом" высокотоксичных органических форм. Объем дымовых газов процесса плазменной переработки отходов перед выбросом в атмосферу достигает 8-11 м3 на 1 кг переработанных отходов, тогда как при сжигании отходов этот показатель достигает значения 19–22 м3/кг отходов. Таким образом, удельный объем дымовых газов процесса сжигания отходов на выходе из системы газоочистки, по крайней мере, в два раза превышает объем отходящих газов плазменного процесса, соответственно, плазменная технология в два и более раз снижает нагрузку по выбросу вредных веществ в атмосферу по сравнению со сжиганием. Каждый килограмм вводимого в печь сжигания или камеру дожигания углеводородного топлива увеличивает объем отходящих газов на 12-15 м3, внося также дополнительное количество оксидов серы (за счет содержащейся в топливе серы) и продуктов неполного сгорания, прежде всего, углеводородов и оксида углерода. Напротив, использование воздушно-дугового плазмотрона в качестве источника нагрева эквивалентно замене топливной форсунки производительностью 12-15 кг топлива в час (50-60 м3 воздуха вместо 150-200 м3 дымовых газов в час), а использование тепла сгорания пирогаза в камере дожигания для поддержания необходимой температуры позволяет экономить до 20-30 л топлива в час. Таким образом, замена процессов выборочного сжигания горючих радиоактивных отходов на разработанный плазменный метод переработки отходов смешанного типа без дополнительной сортировки позволяет не только получить в одну стадию продукт, обеспечивающий за счет своих физико-химических свойств максимальную безопасность для окружающей среды, но и значительно снизить нагрузку вредных выбросов на атмосферу. Указанные выше сравнительные оценки технологий и выводы сделаны на основе результатов проведенных в ГУП МосНПО "Радон" опытных работ и испытаний установок "Пиролиз" и "Плутон", в процессе которых переработано более 25 тонн имитаторов твердых радиоактивных и бытовых отходов и получено около 5 тонн шлакового компаунда. Эти результаты подтверждают и реальность выполнения всех экологических требований, перечисленных выше. Проблема фиксации радионуклидов Основным ограничивающим фактором высокотемпературных технологий переработки радиоактивных отходов является высокая степень уноса отдельных радионуклидов, которая, например, для 137Cs достигает 80-98% [4]. В случае использования шахтной технологии унос радионуклидов из печи нам удалось добиться существенного подавления уноса радионуклидов, что резко повысило рентабельность разработанной технологии. Так, унос радионуклидов цезия-137 и 134 из шахтной печи при соблюдении шахтных технологических режимов (заполнение шахты не менее 80% по высоте, температура пирогаза на выходе из печи в пределах 250–350оС) не превышал 12% при средней объемной активности пирогаза на выходе из шахты 0,1–2 кБк/м3 (137Cs), кобальта-60 – 3%, трансурановых элементов – в пределах 1%. Шахтный режим реализован так, что большая часть радионуклидов, уносимых отходящими газами, улавливалась на отходах посредством физической конденсации и вновь направлялась в зону плавления. Это позволило значительно уменьшить унос радионуклидов и повысить долю активности, включаемой в расплав. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В МосНПО "Радон" разработана и внедряется плазменная технология переработки радиоактивных отходов. Преимуществами разработанного плазменного шахтного процесса перед традиционным сжиганием отходов являются: - отсутствие необходимости в тщательной сортировке отходов; - возможность получения конечного продукта необходимого качества в одной установке без промежуточных стадий; - существенное сокращение (в 1.5–2 раза) объема отходящих газов в результате применения плазменных источников нагрева вместо топливных устройств. Разработанная технология позволяет эффективно перерабатывать как радиоактивные, так и опасные промышленные, медицинские и бытовые отходы. В настоящее время ГУП МосНПО "Радон" совместно с рядом научных и проектных центров России участвует в реализации проектов по созданию плазменных комплексов переработки бытовых и промышленных отходов как в России, так и за рубежом. В частности, ведутся работы по проектированию комплекса плазменной переработки РАО низкого и среднего уровня активности производительностью до 250 кг/ч для атомных электростанций и работы по созданию демонстрационного комплекса плазменной переработки бытовых отходов производительностью до 500 кг/ч в Израиле. Список литературы:
По материалам Международной конференции «Стратегия безопасности использования атомной энергии» |
|
|
||
