Способ обезвреживания жидких радиоактивных органических отходов, содержащих эфиры фосфорных кислот

 

Сущность изобретения: жидкие радиоактивные органические отходы, содержащие смесь эфиров фосфорных кислот с керосином или н-парафинами, подают на поверхность алюмофосфатного расплава остеклованных радиоактивных отходов с содержанием фосфора в пределах от 53 до 57% и температурой 800-1200^oС. Одновременно в зону сжигания вводят газообразный кислород в количестве не ниже двукратного по отношению к стехиометрическому. Образующиеся при окислении органических веществ водяные пары и газы улавливаются в системе газоочистки, а твердый остаток, включающий оксиды фосфора и радионуклиды, вплавляют в расплав стекломассы. Преимущества способа заключаются в том, что получаемый в виде стекла конечный продукт пригоден для длительного и безопасного хранения, процесс обезвреживания осуществляется в одном аппарате без передачи зольного остатка, а также в повышении экономичности процесса. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к радиохимической промышленности, в частности к способам обезвреживания жидких органических фосфорсодержащих отходов, образующихся в результате экстракционной технологии переработки ядерного топлива.

Фосфорсодержащий экстрагент, например трибутилфосфат (эфир фосфорной кислоты) в смеси с разбавителем (керосином или н-парафинами), в процессе экстракции разрушается под действием радиации и химических реагентов и становится не пригодным для дальнейшего использования. Известны разные методы регенерации отработанного экстрагента, однако они не всегда эффективны и в большинстве случаев экстрагент не может быть доведен до кондиции и использоваться повторно [1].

Одним из возможных путей обезвреживания жидких органических отходов является хранение их в специальных емкостях или могильниках в жидком или отвержденном состоянии. Однако хранение в жидком виде взрывопожароопасно и не исключает протечек из емкости, а отверждение жидких органических отходов в ряде случаев дает также пожароопасный продукт, к тому же с увеличением объема отвержденных отходов в несколько раз по отношению к исходному объему [2].

Сжигание является универсальным методом обращения с органическими отходами, так как в результате сжигания образуются взрывопожаробезопасные продукты (вода, газы и негорючий остаток фосфатов). Газовую фазу перед выбросом в атмосферу очищают от радионуклидов в системе газоочистки, а остаток включают в твердую стабильную матрицу (бетон, стекло). Обычно сжигание и включение в матрицу проводят в две стадии в разных аппаратах.

Известен метод обезвреживания путем сжигания, в котором жидкие органические отходы подают в разогретую до 1000^oС камеру сжигания, где происходит самовоспламенение органической жидкости. Образующиеся газы пропускают через воду [3].

Сходные признаки аналога и заявляемого способа: жидкие органические радиоактивные отходы обезвреживают сжиганием, нагревая их до температуры 1000^oС. Образующиеся вторичные отходы должны быть обработаны для окончательного захоронения (хранения).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что при сжигании фосфорсодержащих жидких органических отходов в газовом пространстве образуются вторичные твердые отходы, преимущественно оксиды фосфора, которые в данном процессе не могут быть обезврежены в одну стадию со сжиганием и требуется дополнительное оборудование для переработки вторичных отходов.

Описан способ сжигания жидких и твердых радиоактивных органических отходов, в котором жидкие радиоактивные органические отходы подают на разогретую до 800-1000^oС поверхность измельченного каменного угля. Процесс позволяет обезвреживать жидкие и твердые радиоактивные органические отходы в одном аппарате, но в результате сжигания образуются также вторичные отходы в виде золы, которую выгружают из аппарата, и для безопасного хранения должны быть включены в стабильную матрицу. Кроме того, при этом образуются газообразные отходы, которые необходимо дожигать в отдельном аппарате [4].

Сходные признаки аналога и заявляемого способа: жидкие радиоактивные органические отходы совместно или раздельно с твердыми радиоактивными отходами подают на разогретую до 800-1000^oС поверхность. Образовавшийся твердый продукт сжигания легко размывается водой и радионуклиды переходят в раствор. Для длительного и безопасного хранения радиоактивного зольного остатка требуется включение его в стабильную матрицу типа бетона или стекла, для чего зольный остаток переводят в другой аппарат.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что обезвреживание отходов может быть осуществлено в две стадии в разных аппаратах, что осложняет и существенно удорожает процесс. К второстепенным недостаткам относится необходимость дожигания горючих газов в специальном дожигателе.

Известен способ переработки жидких радиоактивных фосфорсодержащих органических отходов сжиганием, в котором отходы подают в разогретый до 600-750^oС псевдоожиженый слой катализатора. На окисление органических веществ подают сжатый воздух. Остаток от сжигания накапливается в гранулах катализатора, который затем захоранивают или перерабатывают в компактную экологически безопасную форму [5].

Признаками аналога, сходными с заявляемым способом, являются: обезвреживание жидких радиоактивных органических отходов, содержащих эфиры фосфорных кислот в смеси с керосином, который осуществляют подачей отходов на разогретую поверхность и введением в реакционную зону окислителя (кислорода воздуха). Образовавшийся остаток от сжигания предлагается включать в стабильную матрицу.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ обезвреживания жидких радиоактивных органических отходов, содержащих трибутилфосфат в смеси с керосином, путем сжигания в псевдоожиженном слое катализатора при температуре 600-750^oС и включения радиоактивного остатка от сжигания в стабильную матрицу, пригодную для длительного и безопасного хранения (захоронения), принятый за прототип. [5].

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип те же, что и у предыдущих аналогов, а именно непригодность конечного продукта от сжигания для длительного и безопасного хранения и необходимость в дополнительной операции (вторая стадия) включения отработанного катализатора с радиоактивным остатком от сжигания в стабильную матрицу и, как следствие этого, удорожание процесса обезвреживания. Передача остатка от сжигания из основного аппарата в другой для отверждения также является дополнительной операцией (третьей стадией), при которой возможен выход радиоактивных продуктов в окружающую среду.

К недостаткам процесса можно также отнести удорожание конечного продукта (отвержденного остатка от сжигания).

Задачей изобретения является создание технологического процесса обезвреживания жидких радиоактивных органических отходов, содержащих фосфор, в результате осуществления которого получается продукт, пригодный для безопасного длительного хранения. Оформление процесса должно быть одноаппаратным и происходить в одну стадию, чтобы попадание радиоактивных продуктов и зольного остатка в окружающую среду было минимальным. Выход этих продуктов из аппарата, как показывает радиохимическая практика, а также дополнительное вредное воздействие от них на обслуживающий персонал наиболее вероятны при передаче из одного аппарата в другой (с одной стадии -сжигания, на другую - включение золы в матрицу). Поэтому процесс должен состоять из минимального количества стадий (операций) и осуществляться желательно в одном аппарате с получением готового к длительному хранению продукта.

Технический результат при осуществлении изобретения состоит в том, что в заявляемом способе сжигание отходов и включение остатка от сжигания в стабильную матрицу (стекло) осуществляют в одну стадию в одном аппарате, без промежуточных операций и без передачи зольного остатка из аппарата в аппарат. Полученный в одну стадию и в одном аппарате продукт пригоден для длительного хранения (захоронения), так как практически не растворим в воде.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе обезвреживания жидких радиоактивных органических отходов, содержащих эфиры фосфорных кислот в смеси с керосином или н-парафинами, путем сжигания и включения радиоактивного зольного остатка в стабильную матрицу, пригодную для длительного и безопасного хранения (захоронения), согласно изобретению отходы подают на поверхность фосфатного расплава стекла при температуре 800-1200^oС, и вводят газообразный кислород в количестве не ниже двукратного по отношению к стехиометрическому. Кроме того, особенность способа заключается в том, что жидкие отходы подают на фосфатный расплав остеклованных неорганических радиоактивных отходов, при этом суммарное количество оксида фосфора в расплаве стекла в процессе сжигания и включения зольного остатка в расплав должно быть в пределах 53-57% массовых.

При подаче жидких радиоактивных отходов, содержащих эфиры фосфорной кислоты, например трибутилфосфат, на расплав стекломассы при температуре 800-1200^oС и введении окислителя (газообразного кислорода) в реакционное пространство в количестве не ниже двукратного по отношению к стехиометрическому производят сжигание (окисление) органических веществ. Образующиеся при сжигании водяные пары и газы улавливают в системе газоочистки, а твердый остаток - оксиды фосфора и радионуклиды - вплавляют в расплав стекломассы. Получаемый в виде стекла конечный продукт пригоден для длительного безопасного хранения (захоронения), так как растворимость (выщелачиваемость) стекла очень незначительна (10^-6-10^-7) г/(см²сут) [2]. Процесс сжигания отходов и сплавление зольного остатка осуществляют в одну стадию и в одном аппарате, исключая операцию передачи зольного остатка из аппарата в аппарат или одной части аппарата в другую. Это позволяет исключить выход радионуклидов на стадии передачи зольного остатка в окружающую среду и существенно повышает экономичность процесса, так как не требуется дополнительного оборудования. Преимуществом способа является и то, что для осуществления процесса обезвреживания жидких органических отходов используется действующее оборудование для остекловывания жидких неорганических отходов. При этом вплавление зольного остатка в стекло не приводит к ухудшению показателей для конечного продукта - остеклованных отходов, так как в фосфатную стекломассу вплавляют оксиды фосфора, которые и составляют основу расплава.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническими источниками информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом.

В аппарат, где находится алюмофосфатный расплав остеклованных радиоактивных отходов и поддерживается температура расплава в интервале 800-1200^oС, подают на его поверхность радиоактивную смесь трибутилфосфата и н-парафинов. Одновременно в зону сжигания вводят окислитель - газообразный кислород. В результате высокотемпературной реакции окисления органических веществ в среде окислителя образуются водяные пары, газообразные оксиды углерода и твердая фаза, содержащая преимущественно оксиды фосфора и большую часть радионуклидов. Парогазовая фаза и часть улетучившихся радионуклидов поступают в систему газоочистки установки остекловывания для улавливания.

Как показывают результаты лабораторных и стендовых испытаний, оксиды фосфора от сжигания ТБФ практически нацело (88-100%) вплавляются в алюмофосфатное стекло, что объясняется химическим сродством зольного остатка к фосфатному расплаву. Коэффициент избытка окислителя (кислорода) должен быть двукратным или выше по отношению к стехиометрически необходимому для того, чтобы полнота сгорания органических веществ в этом процессе была удовлетворительной, и состав газовой фазы был бы невзрывоопасным. Для обеспечения взрывобезопасности процесса при приемлемой производительности по раствору отходов температура должна быть не ниже 800^oС. Выше 1200^oС подъем температуры нецелесообразен, так как при этом резко возрастает унос радионуклидов в систему газоочистки.

Сжигание органических отходов осуществляют при начальном содержании оксида фосфора в остеклованных отходах 53%, а при достижении концентрации его в стекломассе 57% сжигание прекращают, часть расплава сливают и направляют на захоронение. Для снижения содержания фосфора в стекломассе до первоначальной (53%) в аппарат на остекловывание подают жидкие неорганические отходы, после чего процесс сжигания органических отходов при необходимости повторяют.

Список литературных источников 1. Способ переработки радиоактивных органических отходов. Патент США 4039468, кл. 252-30.1, опубл. 1977 г.

2. Никифоров А. С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. М., Энергоатомиздат, 1985 г.

3. Установка для сжигания жидких радиоактивных отходов. Авторское свидетельство 1119509, кл. G 21 f 9/04.

4. Способ и устройство для сжигания радиоактивных отходов. Патент ФРГ 3341748, МКИ G 21 f 9/02.

5. Способ переработки органических радиоактивных отходов. Патент РФ 2130209, кл. G 21 f 9/32.

Формула изобретения

1. Способ обезвреживания жидких радиоактивных органических отходов путем сжигания, отличающийся тем, что отходы, содержащие эфиры фосфорных кислот в смеси с керосином или н-парафинами, подают на поверхность расплава фосфатного стекла при температуре 800-1200^oС, вводят газообразный кислород на окисление в количестве не менее двукратного по отношению к стехиометрически необходимому, и переводят радиоактивный остаток от сжигания в твердую форму.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве расплава фосфатного стекла используют расплав остеклованных неорганических радиоактивных отходов с содержанием фосфора в нем в пределах от 53 до 57%.