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.
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.
Рис. 1. Схема пилотной установки "Пиролиз"
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.
Рис. 2. Шахтная печь: 1 - узел загрузки, 2 - шахта, 3 - под, 4 - бокс приема шлака, 5 - плазмотрон, 6 - стопор, 7 - выход пирогаза.
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).
Рис. 3. Технологическая схема установки "Плутон"
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.
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.
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.
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.