№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ДМИТРИЕВ М.С., ДМИТРИЕВ С.А., КОБЕЛЕВ А.П., КОЛЯСКИН А.Д., ЛЕБЕДЕВ В.В., ЦВЕШКО О.Н.*
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РОТОРНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ КАЛЬЦИНАТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ**
Рассмотрены процессы обезвоживания и частичной кальцинации жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в установке роторного типа с высокочастотным нагревом рабочей камеры. Полученные в работе положительные теоретические и экспериментальные результаты являются основанием для создания промышленного образца установки по кальцинированию ЖРО, которая имеет преимущества перед аналогами.
Требование изоляции жидких радиоактивных отходов (ЖРО) от окружающей среды в течение длительного времени и стремление сократить срок обслуживания мест хранения привели к необходимости перевода радионуклидов и других, опасных для окружающей среды, соединений в твердые матрицы, с минимизированием выхода радионуклидов в окружающую среду. Из требований, предъявляемых к отвержденным ЖРО, следует, что необходимо создавать твердый конечный продукт с достаточно высокими физико-химическими характеристиками, обеспечивающими радиационную и термическую устойчивость отходов к внешней среде [1]. Первое условие для создания таких материалов - удаление свободной и кристаллизационной воды, второе - необходимость разложения подверженных радиолизу солей (кальцинация). Для получения материалов с удовлетворительными химическими и теплофизическими свойствами кальцинированные продукты подвергают сплавлению со стеклообразующими добавками. Высокие требования к процессам отверждения высокоактивных ЖРО и обусловленные этим трудности аппаратурного оформления привели к большому разнообразию разрабатываемых аппаратурно-технологических схем.
Отверждение может быть реализовано в одно- или двухстадийном процессе. При одностадийном процессе ЖРО вместе со стеклообразующими добавками подаются в пла-витель, где последовательно происходит их обезвоживание, кальцинация и плавление с образованием стеклоподобных материалов.
Предварительное глубокое обезвоживание отходов в двухстадийном процессе позволяет значительно увеличить производительность (или уменьшить габаритные размеры) плавителя. Так при использовании роторного концентратора для увеличения концентраций солей в жидких отходах с 450 до 900 г/л производительность плавителя можно повысить в два с половиной раза.
В настоящее время в России кальцинация производится в одностадийном процессе, когда концентрированный раствор радиоактивных солей в смеси со стеклообразующими добавками подается непосредственно в аппарат остекловывания в зону высоких температур, где находится стеклоподобный расплав. Недостатками такого способа являются:
* Дмитриев М.С., Коляскии А.Д. - МИФИ; Дмитриев С.А., Кобелев А.П., Лебедев В.В., Цвешко О.Н. -ГУП МосНПО "Радои".
Работа выполиеиа при фииаисовой поддержке РФФИ. Граит № 06-08-00345.
- низкая производительность процесса из-за больших затрат энергии на испарение воды в ограниченном реакционном объеме;
- вспенивание продукта кальцинации с выбросом его из рабочего объема с потоком отходящих газов и паров;
- образование наростов и корок, препятствующих плавлению смеси отходов с флюсом;
- возможность образования взрывоопасной ситуации - пар под коркой стекла.
Реализация двухстадийного процесса, когда кальцинация и остекловывание производится в различных аппаратах, позволит в значительной степени избежать указанных недостатков, уменьшить габариты основного оборудования, улучшить условия дистанционной замены и ремонта, а также позволит уменьшить количество высокоактивного расплава в тигле и повысить радиоэкологическую безопасность процесса. В настоящее время технология предварительной кальцинации ЖРО перед остекловыванием успешно используется во Франции и Англии, где процесс осуществляется в аппаратах роторного типа с нагревом рабочей камеры с помощью печей сопротивления, а именно, радиационный нагрев вращающейся трубы омическим нагревателем через воздушный зазор.
В двухстадийном процессе для получения стеклоподобных материалов из радиоактивных отходов необходимо вводить флюсующие добавки при обезвоживания и кальцинации или в готовые кальцинированные продукты. Дальнейшим нагреванием кальцинированные продукты переводят в расплав, дающий после застывания стеклоподобную массу.
Физико-химические основы процесса кальцинации ЖРО
Технологический цикл процесса кальцинации можно разделить на три стадии: упаривание (концентрирование раствора солей), выпаривание (окончательное удаление свободной и связанной воды) и непосредственно кальцинация (разложение солей с образованием окислов и других термически стабильных соединений).
Упаривание, при одновременной денитрации раствора, проводится для отгонки азотной кислоты и воды из ЖРО. Удаление свободной и адсорбированной воды из концентратов ЖРО обеспечивается выпариванием при достижении температуры кипения насыщенных растворов солей, входящих в состав отходов. Удаление химически связанной воды из концентрата отходов осуществляется в широком интервале температур (150-500°С), существенно превышающих температуру кипения, что связано со структурой кристаллической решетки кристаллогидратов.
При кальцинации происходит термическое разложение солей, полученных при выпаривании ЖРО. Разложение нитратов алюминия, железа и циркония происходит при температуре <300°С, а температура разложения нитратов щелочных и щелочноземельных металлов превышает 350°С. Разложению нитратов предшествует процесс их плавления в широком диапазоне температур из-за многокомпонентности смеси, сопровождающийся к тому же частичным разложением наименее термостойких нитратов. Так нитрат натрия плавится при 308°С, а нитрит натрия - при 318°С. Нитрит натрия образуется из нитрата натрия в ходе процесса кальцинации с выделением кислорода. Таким образом, в условиях термообработки могут создаться условия, когда температура в рабочем объеме выше температуры плавления солей, но ниже температуры их разложения, что приводит к отложению солей (инкрустации) на стенках рабочего объема и коммуникаций, особенно в условиях продолжительного контакта со стенкой и выдержки расплава солей. Поэтому считается, что образование расплава солей является нежелательным явлением в процессе кальцинации. Отложение расплава на стенках рабочего объема может привести к нарушению непрерывности хода технологического процесса, вплоть до его полной остановки и необходимости прочистки рабочего объема или потери работоспособности оборудования.
Методы кальцинации и обоснование выбранной конструкции
Основными применяемыми способами непрерывного процесса кальцинации являются термообработка движущего слоя (пленки) солей через стенку в роторных аппаратах, термообработка с впрыском солей в нагреваемый кипящий слой кальцинируемого продукта, плазменная кальцинация, распылительная термообработка солевого раствора в газовой фазе. Разработка подобных аппаратов проводилась как за рубежом, так и в России, в частности в ПО "Маяк", Радиевом институте им. В.Г. Хлопина, МосНПО "Радон". Известны работы, проведенные в области пленочной и распылительной кальцинации во ВНИИНМ им. A.A. Бочвара. Известны также периодические процессы по способу тигельной кальцинации, где кальцинация вводимого раствора солей или пропитанного ими матричнообразующего высокопористого продукта проходит в периодически извлекаемом при заполнении тигле или по завершению кальцинации в порах при проведении процесса кальцинации в муфельной печи.
По условиям последующего отверждения отходов процесс кальцинации должен протекать непрерывно, без стадии накопления и расфасовки с равномерным выходом продукта непосредственно в рабочий объем аппарата отверждения. При кальцинации высокоактивных отходов стадия накопления кальцината должна быть исключена из-за возможного избыточного тепловыделения и фактора ядерной безопасности.
Из всех опробованных к настоящему времени технологических процессов, применение роторных аппаратов пока остается единственным методом, промышленно применяемым в мировой практике для переработки ЖРО.
Основным элементом роторного аппарата является рабочая камера, представляющая собой трубу круглого сечения, нагреваемую внешним источником тепла. Продвижение обрабатываемого вещества вдоль камеры может осуществляться либо шнеком, либо организацией определенного угла наклона трубы к горизонту.
В существующих в настоящее время роторных аппаратах применяется нагрев рабочей камеры в печах сопротивления, а именно, радиационный нагрев вращающейся трубы омическим нагревателем через воздушный зазор. Такой метод нагрева имеет следующие недостатки:
- требование к наличию свободного воздушного зазора между нагревателем и металлической рабочей камерой означает отсутствие эффективной теплоизоляции нагреваемой трубы;
- передача мощности, достаточной для достижения необходимой температуры стенки рабочей камеры и компенсации тепловых потерь, через воздушный зазор означает высокую температуру, до которой требуется нагреть элементы печи сопротивления.
Применение индукционного метода нагрева рабочей камеры приводит к устранению этих недостатков. Подвод мощности к вращающейся трубе с помощью индукционных нагревателей обеспечивает применение непосредственной теплоизоляции рабочей камеры. Несмотря на то, что приемлемая толщина теплоизоляционного слоя может составлять лишь см, современные теплоизоляционные материалы позволяют существенно уменьшить тепловой поток через наружную поверхность реактора кальцинато-ра. Это приводит к улучшению технико-экономических показателей такого аппарата.
Энергия электромагнитного поля выделяется непосредственно в корпусе кальцина-тора, поэтому индукционный нагреватель создает большую удельную плотность теплового потока в рабочем объеме. При этом максимальный уровень температур лимитируется, в основном, свойствами применяемых материалов.
Недостаток рассматриваемого процесса кальцинации - налипание расплава солей на стенках кальцинатора, приводящее к снижению проходного сечения рабочего объема вплоть до остано
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.