Реферат: Переработка концентрата вод спецканализации химико-металлургического завода с использованием свч-нагрева

ПЕРЕРАБОТКА КОНЦЕНТРАТА ВОД СПЕЦКАНАЛИЗАЦИИ ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЗАВОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-НАГРЕВА


Алой А.С.1, Иванов Е.Ю.1, Кузнецов Б.С.1,

Бобылев А.И.2, Ровный С.И.2, Ряков А.В.2

1ФГУП НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина», г. Санкт-Петербург

2ФГУП ПО «Маяк», г. Озерск

E-mail: ivanov@atom.nw.ru


В связи с новым Российским законодательством в области обращения с радиоактивными отходами, перед ФГУП ПО «Маяк» поставлена задача прекращения к 2007 г. сбросов жидких отходов, содержащих радионуклиды. Одним из возможных способов прекращения этих сбросов является перевод жидких отходов в твердое состояние в виде кальцината или солевого кека с последующим долговременным хранением.

Для решения вышеназванной задачи в производственных условиях проводятся испытания мембранных способов очистки сбросных вод спецканализации химико-металлургического завода (ХМЗ). Присутствующие в растворах альфа-излучающие радионуклиды (за исключением урана) находятся в коллоидном состоянии, что позволяет вывести их из ЖРО путем метода непрерывной микрофильтрации с использованием аппарата плоскорамной конструкции с металлокерамическими мембранами марки «Трумем». Фильтрат после этой операции поступает в водоем оборотного водоснабжения ХМЗ [1]. Концентрат, содержащий основное количество плутония и америция, подлежит дальнейшей обработке с целью сведения объема альфа-активных отходов к минимуму путем выпаривания и сушки. Одним из рассматриваемых вариантов реализации таких процессов является способ, основанный на применении СВЧ-энергии.

Диэлектрическим, микроволновым или СВЧ-нагревом называют нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот (в России разрешены частоты: 915 и 2450 МГц). Электромагнитное поле, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами, например дипольными молекулами воды, и вызывает их колебания, при этом из-за диэлектрических потерь на внутреннее трение каждая молекула или диполь становятся источником тепла. СВЧ-энергия поглощается непосредственно загрузкой и не требует размещения нагревателей вблизи радиоактивного, обычно еще и коррозионно агрессивного материала. Отсутствие внешних источников нагрева упрощает обслуживание и сводит к минимуму загрязнение оборудования и облучение персонала. Основное энергетическое оборудование размещается за пределами «горячей» зоны, генератор изолирован от технологического блока или плавителя вставками из прозрачного для СВЧ материала [2-6].

В докладе приведены результаты первого этапа исследований, полученных на установке микроволнового нагрева (МВН-1), предназначенной для сушки концентрата вод спецканализации химико-металлургического завода [7-9].


^ Описание установки МВН-1



Аппаратурная схема установки МВН-1 для переработки альфа-радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности представлена на рисунке 1. В ее состав входят следующие основные узлы: элементы энергетического СВЧ-устройства, технологический блок; волноводные тракты; система газоочистки, системы контроля технологических параметров.



Рисунок 1 – Аппаратурная схема установки МВН-3


В качестве источника СВЧ-энергии использован стандартный комплекс «Электроника КИЭ-5-1», который включает в себя блок управления и блок СВЧ. Источник позволяет производить плавную регулировку СВЧ-колебательной мощности в диапазоне 0,9…5,0 кВт.

Циркулятор и водяная нагрузка установлены на блоке СВЧ. Циркулятор выполняет функцию разделителя прямой и отраженной электромагнитной волны. Герметизирующий фланец с кварцевой вставкой предназначен для защиты волноводного тракта и магнетрона от воздействия высокотемпературной парогазовой фазы и исключает выход радионуклидов в операторское помещение.

Технологический блок предназначен для подачи отходов в тигель-контейнер и удаления парогазовой фазы. Снизу к технологическому блоку подсоединяют одноразовый тигель-контейнер, в котором проводят процессы нагрева, сушку и кальцинацию поступающих отходов. По заполнению тигель служит и первичным контейнером для хранения кальцинированных отходов.

Система газоочистки состоит из последовательно установленных барботера-конденсатора, конденсатора и фильтра ФПП и подключена к цеховой вакуумной системе, оборудована ротаметром с пределом измерения до 4 м3/час, регулировочным вентилем и устройством пробоотбора парогазовой фазы на выходе.

Технологический блок и система газоочистки размещены в защитном перчаточном шкафу типа 2ШВ-2М, который подключен к заводской системе вентиляции.


^ Характеристика исходного концентрата


Концентрат, поступающий на переработку, представляет собой взвесь гидроксидов и частично нерастворенных солей. Химический состав по данным атомно-эмиссионного спектрального анализа и свойства концентрата представлены в таблицах 1 и 2. Общее содержание твердой фазы составляет 13,2…15,1 г/дм3. Анионный состав, определенный методом жидкостной хроматографии, включает следующие компоненты: NO3-, SO42-, Cl-, NO2-, CO32-, PO43-, C2O4-.


Таблица 1 – Химический состав исходного концентрата по металлам


Компонент

Fe

Mg

Ca

Mn

Na

Ba

Al, Ni, Cr, Pb

Содержание, г/дм3

0,7…1,0

2,9…3,5

1,0…1,2

0,3…0,4

0,3…0,5

0,1…0,2

< 0,05


Таблица 2 – Свойства исходного концентрата


Плотность, г/см3

1,01…1,05

Значение рН

8,0…9,0

Содержание твердой фазы, г/дм3

13…17

 -активность Бк/дм3,10-5

2,5…3,0


^ Переработка концентрата


В технологический блок периодически дозировали по 0,5 дм3 концентрата. Было установлено, что при мощности 4,5 кВт полное удаление воды из этого объема происходит за 10 минут. Таким образом, производительность установки составила 3 дм3/час по испаряемой влаге.

После переработки 10…20 дм3 концентрата, сухой остаток извлекали из тигля. Визуально он представлял собой гранулированный не пылящий порошок светло серого цвета с черными вкраплениями, размер гранул 0,3…3,0 мм. Масса сухого продукта составляла 14…15 граммов в расчете на 1 дм3 концентрата. Содержание радионуклидов в образцах полученного кальцината приведено в таблице 3.


Таблица 3 – Содержание радионуклидов в кальцинате


Радионуклид

Pu

Am

U

сумма

Содержание, Бк/г

(4,7…4,9)104

(2,5…2,7)103

(2,9…3,3)103

(5,2…5,4)104


Конденсат в аппаратах газоочистки представлял мутную, медленно отстаивающуюся жидкость, содержащую 0,16 г/дм3 твердой фазы, химический состав которой представлен в таблице 4.


Таблица 4 – Химический состав конденсата


Компонент

Fe

Mg

Ca

Na

K

Cl-

NO2-

NO3-

SO42-

Содержание, мг/дм3

0,9…1,1

12…15

16…20

13…16

3…5

30…35

1…2

20…24

100…120


Активность конденсата составляет 200…600 Бк/дм3, т.е. при активности исходного концентрата 2,8105 Бк/дм3 унос радионуклидов в конденсат составляет 0,07…0,2 %, а унос твердой фазы не превышает 1,1 %. Всего было переработано 280 дм3 концентрата и получено 3,6 кг сухого продукта.


Заключение


Показана перспективность использования микроволновой энергии для сушки и прокаливания солевого остатка концентрата вод спецканализации химико-металлургического завода.

Установлено, что унос радионуклидов с парогазовой фазой не превышает 0,1…0,2 % от их содержания в исходном концентрате.

С учетом данных по балансу материальных потоков и эффективности процесса выданы рекомендации по модернизации волноводной системы установки МВН-1 и технологического блока, совершенствованию системы газоочистки и оборудованию установки МВН-3 дополнительными системами контроля и управления.


^ Список литературы


1 Гелис В.М., Милютин В.В., Козлитин Е.А., Пристинский Ю.Е., Глаголенко Ю.В. Сорбционно-мембранные технологии очистки жидких радиоактивных отходов различного уровня активности // Радиохимия, 2003. Тезисы докладов. – Озерск, 2003. – С. 179-180.

2 СВЧ-энергетика // Под ред. Окресса Э. – Т. 3, пер. с англ. – М.: Мир, 1971.

3 Gillins B.L., Dewitt L.M .and Wollerman A.L. Mixed Waste Integrated Programm Interim Evaluation Report on Thermal Treatment Technologies // DOE-2 – 1993.

4 White Т.I. and Berry J.B. Microwave Processing of Radioactive Materials // Proc. Of Amer. Chem. Soc. Symp. On Innovative Waste Management Technologies. – Vol. 29, 1989. – P. 127-134.

5 Komatsu F. at al. Development of a New Solidification Method for Wastes Contaminated by Plutonium Oxides. (Utilization of Microwave Power) // in Management of Alpha-Contaminated Wastes – proc. Of Symp. – Vienna, 1991.

6 Komatsu at al. Microwave Melter with a Square Metal Crucible for Treating Radioactive Waste // TK. Technol – Kobe Steel. – № 45, 1987. – P. 3-4.

7 Алой А.С., Иванов Е.Ю., Кузнецов Б.С., Бобылев А.И., Ровный С.И., Ряков А.В., Баторшин Г.Ш. Микроволновая сушка концентрата вод спецканализации химико-металлургического завода // Вопросы радиационной безопасности. – № 2, 2006. – С. 10.

8 Алой А.С., Бобылев А.И., Иванов Е.Ю., Кузнецов Б.С., Ровный С.И., Ряков А.В. Отверждение альфа-радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности на установке СВЧ МВН-1 // Радиохимия-2006. Тезисы докладов. – Дубна, 2006. – С. 260.

9 Бобылев А.И., Ровный С.И., Елсуков С.Н., Баторшин Г.Ш., Ряков А.В., Морозов И.И., Алой А.С., Иванов Е.Ю., Кузнецов Б.С. Опыт использования СВЧ установки в технологии переработки ЖРО // Радиохимия-2006. Тезисы докладов. – Дубна, 2006. – С. 211.