Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометаллического производства

Авторы патента:

7 C22B60/02 -

Предлагаемая полезная модель относится к области металлургии цветных, рассеянных и радиоактивных металлов и может быть использована, в частности для комплексной переработки и дезактивации радиоактивных многокомпонентных полиметаллических отходов производства, например солевых отходов редкометального производства - отходов процесса хлорирования лопаритовых концентратов, в частности, отработанных расплавов солевого оросительного фильтра (СОФ) процесса хлорирования лопаритовых концентратов в солевых хлораторах. Задачей предлагаемого технического решения является повышение комплексности переработки отходов производства как техногенного сырья и увеличение производительности процесса дезактивации солевых отходов. Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении извлечения из отходов производства ценных компонентов и сокращении числа операций и продолжительности процесса дезактивации солевых отходов. Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства, включающее реактор для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов, соединенный с баками-дезактиваторами растворов хлорида бария сульфатсодержащих неорганических соединений, фильтр-пресс для отделения гидратно-сульфатного осадка от дезактивированных хлоридных растворов, реактор для приготовления раствора гидроксида натрия, соединенного с реакторами для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов и цеховых обмывочных вод, выход из которого направлен в фильтр-пресс для выделения из пульпы гидроксидного осадка. Новым является то, что отделение дополнительно содержит емкости-сборники исходных жидких радиоактивных отходов - солевых хлоридных растворов / пульп и цеховых обмывочных вод, выход из которых направлен в дополнительно установленные обогреваемые реакторы с мешалкой для

предварительной обработки солевых хлоридных растворов, верхние патрубки реактора имеют соединение с дозаторами растворов гидроксида натрия и высокомолекулярных флокулянтов, а патрубок слива пульпы соединен с дополнительно установленным фильтром, снабженным бункером-сборником осадка, слив отфильтрованного раствора имеет соединение с реактором для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов, сборные бункеры осадков фильтр-прессов от предварительной обработки солевых хлоридных растворов и пульп и оксигидратного осадка после нейтрализации и дезактивации цеховых обмывочных вод имеют разгрузочные устройства, выход из которых направлен в герметичное транспортное средство для транспортировки влажных осадков в смеситель, имеющий соединение с сушильной камерой и прокалочной печью, снабженной разгрузочным устройством прокаленного осадка, над которым расположен вытяжной зонд, соединенный с водоорошаемым скруббером, заполненным шаровой подвижной псевдоожиженной насадкой, слив из скруббера направлен в циркуляционный бак, патрубок вывода суспензии из которого имеет соединение с фильтр-прессом для отделения осадка из предварительно обработанного солевого хлоридного раствора/пульп).

Эти отходы - отработанные расплавы СОФ содержат повышенное количество (до 2.0-2.2%) Th-232 и другие продукты его распада, а также хлориды и оксихлориды Та, Nb, Ti, РЗЭ, Fe, Al, NaCl, KCl, MgCl₂, CaCl₂ и др.

Известно техническое решение - полезная модель (Свидетельство на ПМ №23787 с приор, от 08.10.2001. МПК⁷ С 22 В 60/02) - «Установка для обезвреживания радиоактивных отходов», которая может быть использована для дезактивации растворов и пульпы, образующихся при сливе отработанных расплавов СОФ в воду. Известная установка включает в себя реактор-нейтрализатор, соединенный с ним фильтр-пресс; выходной патрубок фильтрата фильтр-пресса соединен со входом бака-дезактиватора; со входом бака-дезактиватора соединен бак реагента, после бака-дезактиватора установлен фильтр-пресс.

Реализация данного известного технического решения осуществляется следующим образом. В реактор-нейтрализатор закачивают раствор радиоактивных промпродуктов и (или) отходов производства, подают в реактор известковое молоко и 0,2-0,8% - раствор полиакриламида. Радиоактивный осадок направляют в хранилище спецотходов (ХСО), а фильтрат перекачивают в бак-дезактиватор, куда подают растворы хлорида

2 бария и серной кислоты. Растворы перемешивают, вводят известковое молоко до рН 7-9. Пульпу из бака-дезактиватора фильтруют на фильтр-прессе. Полученный радиоактивный осадок (кек) направляют на захоронение в ХСО, а дезактивированные сточные воды сбрасывают в канализацию.

Недостатком данной известной установки является ее сложность и двуступенчатость технологии дезактивации, что связано с наличием двух операций фильтрования пульпы и выделения радиоактивных осадков из раствора. Другим недостатком является тот факт, что данная установка не обеспечивает извлечения и утилизации из отходов ценных компонентов, в частности соединений тантала, ниобия и титана, которые теряются совместно с радионуклидами и оксигидратами Fe, Al и др. безвозвратно - в ХСО (хранилище спецотходов).

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности - совокупности признаков, и достигаемому при этом техническому результату, является известный (Патент на Полезную модель №35633 по заявке №2003130198/20 с приор, от 14.10.2003; Зарег. и опубл.: 27.01.2003; Бюл. №3, 2003. МКИ⁷ С 22 В 60/02; 34/22; 60/02; G 21 F 9/04) «Технологический комплекс для переработки жидких радиоактивных отходов» - принят за прототип,

Известный по прототипу комплекс включает в себя: реактор для нейтрализации радиоактивных солевых растворов, бак-дезактиватор, соединенный с баками-дозаторами растворов хлорида бария сульфатсодержащих неорганических соединений, фильтр-пресс для отделения гидратно-сульфатных осадков от дезактивированных хлоридных растворов, реактор для приготовления раствора гидроксида натрия, соединенный с бак-нейтрализатором обмывочных вод, выход из которого направлен в фильтр-пресс для выделения из пульпы после нейтрализации обмывочных вод оксигидратного осадка.

Известное техническое решение - прототип обеспечивает дезактивацию и обезвреживание двух видов радиоактивных отходов:

растворов, образующихся при сливе отработанного радиоактивного расплава СОФ в воду и цеховых обмывочных вод, образующихся при промывке оборудования, промплощадок и т.п. При этом образуется 2 (два) вида радиоактивных осадков: гидратно-сульфатный - от дезактивации растворов СОФ, подлежащих захоронению в хранилище спецотходов (ХСО) и оксигидратный осадок (без сульфатов), который может быть утилизирован (для доизвлечения Та, Nb, Ti, РЗЭ), например, после сушки, прокалки, на стадии хлорирования лопаритовых концентратов (см. Патент РФ на ПМ №41022 с приор, от 03.06.2004; Зарег. и опубл.: 10.10.2004; МПК⁷ С 22 В 60/02; G 21 F 9/04).

Недостатками известного технологического решения-прототипа являются:

- безвозвратные потери ценных компонентов, находящихся в СОФ (Та, Nb, Ti) - после дезактивации и нейтрализации радиоактивный осадок - кек -выводится в ХСО;

- неудовлетворительная производительность операций двухступенчатых процессов нейтрализации - фильтрование - дезактивация - фильтрование.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение комплексности переработки отходов производства как техногенного сырья и увеличение производительности процесса дезактивации солевых отходов.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении извлечения из отходов производства ценных компонентов и сокращении числа операций и продолжительности процесса дезактивации солевых отходов.

Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата предлагаемой полезной моделью - «Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства», включающем реактор для нейтрализации и дезактивации радиоактивных

солевых хлоридных растворов, соединенный с баками-дозаторами растворов хлорида бария и сульфатсодержащих неорганических соединений, фильтр-пресс для отделения гидратно-сульфатных осадков от дезактивированных хлоридных растворов, реактор для приготовления раствора гидроксида натрия, соединенный с реактором для нейтрализации и дезактивации солевых растворов и реакторами-нейтрализаторами цеховых обмывочных вод, выход из которых направлен в фильтр-пресс для выделения из пульпы после нейтрализации обмывочных вод гидратного радиоактивного осадка. Новым в заявляемом техническом решении является то, что отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства дополнительно содержит: емкости-сборники исходных жидких радиоактивных отходов -солевых хлоридных растворов / пульп и цеховых обмывочных вод, выход из которых направлен в реактор для нейтрализации и дезактивации, перед реакторами для нейтрализации и дезактивации солевых растворов дополнительно установлен обогреваемый реактор с мешалкой для предварительной обработки исходных хлоридных растворов/пульп, верхние патрубки которого имеют соединения с емкостями для цеховых обмывочных вод, баками для приготовления растворов высокомолекулярных флокулянтов и реактором для приготовления раствора гидроксида натрия, а выход из реактора предварительной обработки исходной хлоридной пульпы имеет соединение с дополнительно установленным фильтром для выделения из пульпы водонерастворимого остатка, слив отфильтрованного солевого раствора имеет соединение с реактором для нейтрализации и дезактивации, сборные бункеры осадков фильтр-прессов после предварительной обработки солевых растворов, пульпы и оксигидратного осадка после нейтрализации и дезактивации цеховых обмывочных вод имеют разгрузочные устройства и люки, выход из которых направлен в герметичное транспортное средство для транспортировки и доставки влажных осадков в смеситель, имеющий соединение с сушильной камерой и прокалочной печью, снабженной

разгрузочным устройством прокаленного осадка над которым расположен вытяжной зонт, соединенный с водоорошаемым скруббером, заполненным шаровой псевдоожиженной подвижной насадкой, слив из которого направлен в циркуляционный бак, патрубок суспензии из которого имеет соединение с фильтром для отделения осадка из предварительно обработанного солевого хлоридного раствора или пульпы.

Вышеперечисленные отличительные признаки заявленного технического решения (дополнительное включение в состав отделения для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства реактора для предварительной обработки исходной хлоридной солевой пульпы, смесителя и др.) в совокупности с известными признаками обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата, заключающегося в обеспечении извлечения из отходов производства ценных компонентов (соединений Та, Nb, Ti, РЗЭ) и сокращения числа операций и продолжительности процесса дезактивации солевых осадков растворов, в частности от гидроразмыва отработанного расплава солевого оросительного фильтра редкометального производства, образующегося при хлорировании лопаритовых концентратов (титано-ниобатов РЗЭ).

При этом также, как и известное техническое решение -совокупность конструктивных элементов, определенное расположение бакового и фильтровального оборудования -предлагаемое техническое решение, обеспечивает дезактивацию практически всех основных радиоактивных отходов редкометального производства (солевых хлоридных растворов и цеховых обмывочных вод) до установленных для цеха норм - остаточная активность фильтратов после операций нейтрализации и дезактивации, осуществляемых в предлагаемом техническом решении «Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства» не превышает 6 Бк/кг.

Анализ книжной, журнальной и патентной литературы свидетельствует о том, что предлагаемое отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства ранее не описано и из известных источников информации явным образом не вытекает и не следует.

На рис.1 представлена заявленная полезная модель «Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства», которое включает:

1 - емкость-сборник исходных радиоактивных солевых хлоридных растворов / пульпы;

2 - емкость-сборник цеховых обмывочных вод;

3, 4, 5 - обогреваемые реакторы с мешалками, снабженные верхними патрубками для подвода исходных растворов, сточных вод, реагентов и патрубками нижнего слива;

3 - реактор для предварительной обработки исходной хлоридной пульпы - солевого раствора;

4 - реактор для нейтрализации и дезактивации хлоридных солевых растворов;

5 - реактор для нейтрализации-дезактивации цеховых обмывочных вод;

6 - реактор для приготовления раствора гидроксида натрия, соединенный с баком-дозатором (7) раствора гидроксида натрия;

8 - реактор для приготовления раствора сульфата натрия, соединенный с баком-дозатором (9) раствора сульфата натрия;

10 - реактор для приготовления раствора хлорида бария, соединенный с баком-дозатором (11) раствора хлорида бария;

12 - реактор для приготовления раствора высокомолекулярного флокулянта (ВМФ), например, полиакриламида и/или престола или другого флокулянта, соединенный с баком-дозатором (13) раствора ВМФ;

14 - реактор для приготовления раствора FeCl₃ и/или АlСl₃, соединенный с баком-дозатором (15);

16 - фильтр для выделения из исходной хлоридной пульпы после ее предварительной обработки, т.е. термообработки, частичной нейтрализации NaOH и флокуляции раствором высокомолекулярного флокулянта (ВМФ);

17 - бункер-сборник отфильтрованного из пульпы нерастворимого осадка, содержащего Nb, Та, Ti и др.;

18 - фильтр-пресс для выделения из хлоридной солевой пульпы после нейтрализации и дезактивации гидратно-сульфатного осадка;

19 - бункер-сборник радиоактивного гидратно-сульфатного осадка;

20 - фильтр-пресс для выделения из пульпы после нейтрализации-дезактивации цеховых обмывочных вод гидратного осадка;

21 - бункер-сборник гидратного осадка;

22 - смеситель осадков;

23 - сушильная камера;

24 - прокалочная печь;

25 - разгрузочное устройство прокаленных (и подготовленных для приготовления шихты для хлорирования совместно с лопаритом) осадков;

26 - вытяжной зонт;

27 - водоорошаемый циклон, заполненный шарообразной подвижной псевдоожиженной насадкой;

28 - циркуляционный бак, соединенный с фильтром для выделения из хлоридной пульпы нерастворимых осадков;

29, 30 - сборники очищенных, обезвреженных, дезактивированных хлоридных растворов и цеховых обмывочных вод.

Реализация полезной модели

Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства в соответствии с заявленным техническим решением работает следующим образом.

Радиоактивные отходы редкометального производства, подлежащие дезактивации, в частности, солевые хлоридные растворы/пульпы, содержащие хлориды Na, К, Mg, Са, РЗЭ, Fe, Al, Th и дочерние продукты его

распада, хлориды и оксигидраты Та, Nb и Ti и пылевую фракцию непрохлорированного лопартитового редкометального концентрата, образующегося при гидроразмыве отработанного расплава солевого оросительного фильтра процесса хлорирования лопаритовых редкометальных концентратов поступают в емкость-сборник (1), цеховые обмывочные воды - стоки, образующиеся в редкометальном производстве при промывке оборудования, промплощадок, при ликвидации проливов и т.п., поступают со всех отделений цеха в отделение нейтрализации и дезактивации в емкости-сборники (2). Из емкости-сборника (1) исходные солевые хлоридные растворы/пульпы направляются в реактор (3) для предварительной обработки: разбавления, термообработки и частичной нейтрализации и флокуляции. Для этого в реактор (3) из емкости-сборника (2) заливают цеховые обмывочные воды -для разбавления (в 1,5-3 раза) исходного хлоридного солевого раствора/пульпы. Разбавление осуществляют для снижения солесодержания, изменения плотности и улучшения условий последующей переработки пульпы. Разбавленную пульпу нагревают при перемешивании, например путем подачи в реактор острого пара, до 80-90°С и выдерживают при этой температуре 0,5-2,0 часа. В пульпу при этом вводят разбавленный раствор гидроксида натрия (20-100 г/дм³ ) из бака-дозатора (7) для частичной нейтрализации пульпы, обеспечения более глубокого гидролиза оксихлоридов Та, Nb и Ti и выведения в осадок оксигидратов Та, Nb и Ti. Нейтрализацию ведут в условиях, исключающих осаждение из раствора в осадок оксигидрата железа (III), для чего разбавленный раствор гидроксида натрия подают в реактор медленно, при непрерывном перемешивании до рН начала образования гидроксида железа (III), после чего в пульпу из бака-дозатора (13) вводят раствор высокомолекулярного флокулянта, например 0,1-0,2% -раствор гидролизованного полиакриламида. Пульпу затем выдерживают без перемешивания в течение 0,5-2,0 часов и подают на фильтр, например, нутч-фильтр или фильтр-пресс (16), снабженный бункером-сборником (17), и

выделяют из пульпы нерастворимый осадок (оксигидраты Та, Nb и Ti, пылевую фракцию непрохлорированного редкометального - лопаритового концентрата, «вынесенную» из хлоратора с паровой смесью и уловленную в солевом оросительном фильтре).

При заполнении фильтра осадком, на фильтр подают воду - для вытеснения маточного раствора из фазы осадка, промводы направляют в емкости-сборники (1) и (2).

Хлоридный солевой раствор, отфильтрованный на фильтр-прессе (16) закачивают (или подают самотеком) в обогреваемый реактор (4) с мешалкой для нейтрализации и дезактивации растворов. Для этого в реактор (4) последовательно подают раствор гидроксида натрия (80-120 г/дм³) до рН 10-12. Раствор в реакторе (4) нагревают до 80-90°С. Подачу раствора NaOH ведут при включенной мешалке, затем в реактор последовательно вливают раствор сульфата натрия - из бака-дозатора (9) и затем раствор хлорида бария из бака-дозатора (11). Пульпу перемешивают, при необходимости корректируя рН пульпы (в пределах 11-12) путем подачи NaOH из бака-дозатора (7). Затем в пульпу - в реактор (4) подают из дозатора (15) раствор хлоридов железа (III) и/или алюминия. Подачу раствора FeCl₃ и/или АlСl₃ ведут при непрерывном перемешивании пульпы при температуре в реакторе 80-90°С. Перемешивание ведут 0,5-1,0 час, после чего пульпу в реакторе выдерживают без перемешивания в течение 1-2 часов.

Примечание. Исследования и испытания показали, что последовательная обработка хлоридных (предварительно разбавленных) растворов Na₂ SO₄, ВаСl₂, FeCl₃, АlСl₃, определенная температура, время выдержки пульпы, т.е. время формирования осадков, обеспечивает дезактивацию многокомпонентных солевых хлоридных растворов до установленных в соответствии с действующими нормативными документами (НРБ, ОСПОРБ) требований. При этом необходимо отметить, что процесс дезактивации в предлагаемом техническом решении протекает в одном

реакторе, без промежуточной операции фильтрования пульпы, что существенно упрощает процесс и повышает его производительность.

После нейтрализации и дезактивации пульпу из реактора (3) подают (закачивают) на фильтр-пресс (18), снабженный бункером-сборником (19) гидратно-сульфатного осадка. Хлоридный раствор после фильтр-пресса собирают в баке-сборнике (29) и после контрольного измерения активности сбрасывают в канализацию. После заполнения фильтра радиоактивными осадками, фильтр разгружают, осадок собирают в бункер-сборник, откуда через разгрузочное устройство и разгрузочный люк выгружают в герметичный кузов спецмашины и направляют либо в хранилище спецотходов (ХСО) - полигоны радиоактивных отходов, либо направляют на операцию отверждения отходов путем их смешения с вяжущими материалами и перевода влажного радиоактивного осадка - кека - в отвержденное состояние, т.е. экологически-безопасную форму - не пылящее и водонерастворимое состояние, устойчивое к атмосферным воздействиям и не наносящего ущерба окружающей природной среде, здоровью населения и обслуживающего персонала.

Для обезвреживания, нейтрализации и дезактивации цеховых обмывочных вод их закачивают (или подают самотеком) из емкости-сборника (2) в обогреваемый реактор с мешалкой (5). Сточные воды в реакторе нагревают до 80-90°С, например путем подачи в реактор острого пара; в реактор при включенной мешалке подают из бака-дозатора (7) раствор гидроксида натрия до достижения рН в пульпе 10-12, пульпу перемешивают 0,25-0,5 часа после чего выдерживают без перемешивания в течение 0,5-2 часа, затем пульпу из реактора (5) подают (закачивают) на фильтр-пресс (20). Нейтрализованные и дезактивированные сточные воды собирают в баке-сборнике (30) и после контрольного измерения активности стоки, либо сбрасывают в цеховую (заводскую) канализацию, либо повторно используют непосредственно в цехе редкометального производства для промывки оборудования, промплощадок, приготовления различных

растворов (NaOH, Na₂SO₄, ВМФ и др.). После заполнения фильтр-пресса (20) осадком (оксигидраты Fe, Nb, Та, Ti, РЗЭ и др.), осадок выгружают в бункер-сборник (21), откуда осадок через разгрузочный люк выгружают в герметичный кузов транспортного средства -«спецмашины» и направляют в смеситель (22), где этот осадок смешивают с другим осадком из бункера-сборника (17), также содержащим редкие, рассеянные металлы и РЗЭ, выделенные из исходного хлоридного солевого раствора / пульпы на фильтре (16). После смешения осадки направляют для обезвоживания в специальную камеру (23) для выделения из осадков влаги - воды из фазы осадков и затем высушенный осадок загружают в прокалочную печь (24) для перевода оксигидратов Та, Nb, Ti и РЗЭ в оксиды и обеспечения тем самым возможность их последующего использования совместно с лопаритовым концентратом. Прокаленный осадок выгружают из печи (24) и направляют на стадию (операцию) приготовления исходной шихты для хлорирования. Для предотвращения пылевыделения на рабочем месте при разгрузке и для предотвращения вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала, с помощью вытяжного зонта (26) пылегазовую смесь отсасывают и подают для очистки в водоорошаемый циклон (27), заполненный псевдоожиженной шаровой подвижной насадкой, соединенной с циркуляционным баком (28), выход из которого направлен на фильтр для выделения из исходного хлоридного раствора/пульпы нерастворимого осадка.

Расчеты, исследования и испытания показали, что реализация предлагаемой полезной моделью - «Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства» обеспечивает решение поставленной задачи - повышения комплексности переработки отходов редкометального производства, увеличения производительности процесса дезактивации солевых хлоридных растворов. При этом достигается повышение степени извлечения из отходов производства ценных компонентов (Та, Nb, Ti, РЗЭ) и сокращается число операций дезактивации

солевых отходов - за счет совмещения в одном реакторе операций нейтрализации кислых хлоридных радиоактивных растворов гидроксидом натрия и операции дезактивации путем последовательной обработки растворами Na₂SO₄ и BaCl₂ , затем (для доочистки от радия и других радионуклидов) растворами FeCl₃ и/или АlСl₃ .

Технико-экономические расчеты показали, что экономический эффект только на одном предприятии, в одном цехе составляет более 20 млн. рублей в год.

Отделение для дезактивации радиоактивных отходов редкометального производства, включающее реактор для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов, соединенный с баками-дезактиваторами растворов хлорида бария сульфатсодержащих неорганических соединений, фильтр-пресс для отделения гидратно-сульфатного осадка от дезактивированных хлоридных растворов, реактор для приготовления раствора гидроксида натрия, соединенного с реакторами для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов и цеховых обмывочных вод, выход из которого направлен в фильтр-пресс для выделения из пульпы гидроксидного осадка, отличающееся тем, что отделение дополнительно содержит емкости-сборники исходных жидких радиоактивных отходов - солевых хлоридных растворов/пульп и цеховых обмывочных вод, выход из которых направлен в дополнительно установленные обогреваемые реакторы с мешалкой для предварительной обработки солевых хлоридных растворов, верхние патрубки реактора имеют соединение с дозаторами растворов гидроксида натрия и высокомолекулярных флокулянтов, а патрубок слива пульпы соединен с дополнительно установленным фильтром, снабженным бункером-сборником осадка, слив отфильтрованного раствора имеет соединение с реактором для нейтрализации и дезактивации солевых хлоридных растворов, сборные бункеры осадков фильтр-прессов от предварительной обработки солевых хлоридных растворов и пульп и оксигидратного осадка после нейтрализации и дезактивации цеховых обмывочных вод имеют разгрузочные устройства, выход из которых направлен в герметичное транспортное средство для транспортировки влажных осадков в смеситель, имеющий соединение с сушильной камерой и прокалочной печью, снабженной разгрузочным устройством прокаленного осадка, над которым расположен вытяжной зонт, соединенный с водоорошаемым скруббером, заполненным шаровой подвижной псевдоожиженной насадкой, слив из скруббера направлен в циркуляционный бак, патрубок вывода суспензии из которого имеет соединение с фильтр-прессом для отделения осадка из предварительно обработанного солевого хлоридного раствора/пульп.