Способ остекловывания радиоактивных и токсичных отходов в плавителе

 

Изобретение относится к охране окружающей среды. Сущность изобретения: способ предусматривает загрузку радиактивных и токсичных отходов совместно с флюсирующими добавками в плавитель "холодного типа" с индукционным обогревом и плавление смеси. Регистрируют образование пены по уменьшению частоты тока в индукторе, подавляют пенообразование путем уменьшения электрической мощности на 10 - 20% и выдерживают до момента восстановления первоначальной частоты тока в индукторе. После этого электрическую мощность индукционной печи повышают до ее первоначального значения.

Изобретение касается охраны окружающей среды, а именно обезвреживания радиоактивных и токсичных отходов (РАТО) путем их перевода в стеклоподобные материалы.

Известно, что в ходе остекловывания РАТО возможно возникновение явления пенообразования в процессе плавления РАТО вместе со стеклообразователями. Возникновение этого явления обусловлено процессом газообразования в объеме расплава, которое в свою очередь может иметь место по различным причинам, например, из-за разложения карбонатов [1] или из-за введения восстановителя-вспенивателя (мелассы) [2] необходимого для подавления процесса улетучивания рутения в газовую фазу. С одной стороны пена играет роль естественного фильтра, задерживающего образующиеся в процессе остекловывания аэрозоли, что является ее положительным фактором. С другой стороны наличие пены часто приводит к плохому провару стекломассы, ухудшая тем самым свойства подготавливаемого к захоронению продукта. В условиях надежной газоочистки, являющейся обязательной для всех процессов остекловывания, положительные свойства пены, как фильтрующей системы, практически теряют свое значение и сам процесс пенообразования начинает играть сугубо негативную роль. Эта роль усугубляется еще и опасностью выброса пены в газоочистную систему, что вообще является аварийной ситуацией. В этой связи весьма актуальным является решение вопроса, направленного на выработку мер, обеспечивающих либо полную ликвидацию пенообразования, либо сведение явления пенообразования к минимуму.

Известен способ остекловывания отходов, включающий загрузку в плавитель флюса с отходами, их плавление, гомогенизацию расплава и охлаждение [1] Недостатком известного способа является его аварийноопасность, а также продолжительность процесса, связанная с тем, что предотвратить явление пенообразования в данном способе невозможно. Безаварийность в условиях пенообразования в данном способе можно обеспечить только путем подбора "мягкого", а следовательно, и более длительного режима остекловывания.

Известен способ остекловывания радиоактивных отходов, включающий загрузку в плавитель шихты из радиоактивных отходов и флюсующих добавок, ее плавление, подавление процесса пенообразования путем визуального контроля за началом пенообразования и введения пеногасителя (муравьиной кислоты), гомогенизацию расплава и его охлаждение [3] Недостатками известного способа являются его аварийность и продолжительность, так как при визуальном контроле своевременно определить момент начала пенообразования практически невозможно и меры по его подавлению во всех случаях будут приниматься с запозданием.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ остекловывания радиоактивных отходов, включающий загрузку в плавитель радиоактивных отходов и флюсующих добавок, плавление загруженной смеси, подавление процесса пенообразования путем постоянного отбора проб расплава, их экспресс-анализа на газосодержание и введение пеногасителя, гомогенизацию расплава и его охлаждение [4] Недостатками прототипа являются также аварийноопасность и длительность процесса остекловывания, так как на проведение отбора проб и экспресс-анализа требуется определенное время и поэтому не во всех случаях можно обеспечить введение в расплав пеногасителя к моменту именно начала пенообразования. А поскольку в известном способе явление пенообразования все-таки имеет место, то и процесс остекловывания будет иметь повышенную продолжительность из-за необходимости более длительной проварки стекломассы для обеспечения качественности готового продукта.

Преимуществами настоящего способа являются повышение аварийнобезопасности процесса остекловывания и повышение скорости его проведения.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что в способе операция подавления процесса пенообразования заключается в определении момента начала уменьшения частоты тока в обмотке индуктора плавильной печи, соответствующего началу явления газообразования в стеклорасплаве, и уменьшении подводимой мощности электроэнергии к обмотке индуктора на 10-20% до восстановления первоначального значения частоты тока, что обеспечивает подавление процесса пенообразования (газовыделения).

В ходе плавления шихты из радиоактивных отходов и стеклообразующих добавок в индукционных печах, начиная с какого-то момента, возможно явление газовыделения, сопровождающееся пенообразованием. Нагрев индукционных печей осуществляется с помощью высокочастотного генератора, подсоединенного к индуктору плавильной печи. В качестве плавильной печи используют индукционную печь с "холодным" тиглем. Поскольку в печах подобного типа подвод электроэнергии осуществляется, минуя стенки печи, непосредственно в ее объем, а стеклорасплав приобретает электропроводящие свойства, то параметры тока в обмотке индуктора весьма чувствительно реагируют на изменение любых электропроводных свойств расплава. В момент начала образования пузырьков газа в объеме стеклорасплава электропроводность образующейся среды начинает уменьшаться, так как газ в данных условиях является диэлектриком, вследствие чего начинает уменьшаться частота тока в индукторе плавильной печи. Зная момент начала газообразования можно очень быстро, понизив подводимую мощность электроэнергии на 10-20% подавить газообразование и предотвратить явление пенообразования или же, если процесс пенообразования все же пошел, с помощью указанных действий можно быстро добиться прекращения вспенивания.

Понижение мощности подводимой электроэнергии происходит до тех пор, пока не прекратится падение частоты тока и пока частота тока не восстановится в своем первоначальном значении на момент начала газообразования.

Снижение подводимой мощности электроэнергии менее, чем на 10% не позволяет добиться быстрого прекращения вспенивания или его предотвращения, что сохраняет опасность выброса расплава из плавителя. Снижение подводимой мощности более, чем на 20% может привести к застыванию расплава в плавителе и остановке всего процесса.

Способ реализуется следующим образом.

В предварительно разогретый плавитель загрузили шихту из РАТО и флюсующих добавок и произвели ее плавление. При этом частота тока питающего высокочастотного генератора мощностью 100 кВт возросла с 1,73 до 1,78 МГц. При частоте питающего тока в 1,78 МГц в расплаве начался процесс газообразования, что было отмечено регистрирующим прибором, показавшим падение частоты за 7 с с 1,78 до 1,74 МГц (на 2,2%). Сразу же с началом падения частоты тока было произведено снижение подведенной мощности электроэнергии на 15% (100 до 85 кВт). Данный уровень мощности поддерживался в течение 10 мин до прекращения процесса газообразования и восстановления исходной частоты в 1,78 МГц. Затем подведенная мощность электроэнергии была вновь увеличена до 100 кВт, а частота тока возросла до 1,80 МГц. В дальнейшем это значение частоты оставалось постоянным, что отражало завершение процесса плавления шихты РАТО и флюсующих добавок и протекание процесса гомогенизации расплава. После завершения гомогенизации расплав был разлит в контейнеры и направлен на охлаждение.

В ходе испытаний было установлено, что высота пенного слоя не достигала критической отметки, при которой могла бы возникнуть опасность выброса пены в газоочистную систему, в то время, как при проведении испытаний способа согласно прототипу примерно в 40% случаев верхний уровень слоя пены находился на критической отметке. Кроме того, за счет быстрого подавления газовыделения в объеме стеклорасплава время проведения процесса по сравнению с прототипом уменьшилось в среднем в 1,6 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ И ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ В ПЛАВИТЕЛЕ, заключающийся в том, что в плавитель загружают отходы и флюсующие добавки, расплавляют их, регистрируют образование пены, подавляют пенообразование путем уменьшения электрической мощности плавителя, выдерживают расплав до его гомогенизации и охлаждают расплав, отличающийся тем, что в качестве плавителя используют индукционную печь, регистрируют образование пены по уменьшению частоты тока в индукторе, электрическую мощность уменьшают на 10 20% и выдерживают до момента восстановления первоначальной частоты тока в индукторе, после этого электрическую мощность индукционной печи повышают до ее первоначального значения.