28 августа 2009

Остекловывание имитатора железоалюминатных ВАО: результаты экспериментов

Остекловывание – признанный в мировой практике метод обращения с РАО высокой активности. Его использование позволяет значительно сократить объем отходов и получить форму РАО, устойчивую к воздействию факторов окружающей среды и пригодную для долговременного хранения.

На ГУП МосНПО «Радон» накоплен большой опыт по остекловыванию низко- и среднеактивных РАО. В России этим методом сегодня также перерабатывают жидкие ВАО в ФГУП «ПО «Маяк». Его можно применять и для переработки широкого спектра жидких и твердых РАО, токсичных отходов.

Интенсивная разработка технологии и оборудования для остекловывания ВАО ведется в Национальной лаборатории в Саванна Ривер (SRNL, США). Специалисты ГУП МосНПО «Радон» совместно с коллегами из SRNL провели укрупненные эксперименты по остекловыванию имитатора жидких ВАО с высоким содержанием железа и алюминия.

В качестве имитатора ВАО использовали имитатор ЖРО, приготовленный по процедуре, предложенной SRNL. Содержание Fe2O3 в имитаторах отходов по массе составляло до 29 %, Al2O3 – до 26 %, Cs2O – 0,6%. Расчетное содержание оксидов ЖРО в стекле составляло 50 мас.%. В качестве стеклообразующей добавки использовали разработанную в SRNL фритту 503-R4, ее состав (мас.%) – 8 Li2O, 16 B2O3, 76 SiO2.

Эксперимент включал следующие этапы:
– создание стартового расплава и выход установки на рабочий режим (2 ч.25 мин.);
– остекловывание шлама из имитатора ЖРО в виде смеси солей и фритты (29 ч. 40 мин.);
– остекловывание шлама из имитатора ЖРО, приготовленного по процедуре, предложенной SRNL, и фритты (32 ч. 50 мин.);
– остановка процесса и охлаждение плавителя (1 ч.).

Остекловывание проводили на промышленной установке остекловывания опытного завода ГУП МосНПО «Радон» на базе индукционного плавителя типа «холодный тигель» (ИПХТ), разработанного специалистами предприятия. Использование такого аппарата позволяет вести процесс в широком температурном интервале (до 2000˚С) и получать материалы различного химического состава. Особенностью плавителя является образование между расплавом и водоохлаждаемой стенкой слоя частично расплавленной шихты (гарниссажа), что защищает конструкцию от коррозионного воздействия расплава. Активный гидродинамический режим за счет интенсивного конвективного перемешивания обеспечивает быструю гомогенизацию расплава и высокую производительность процесса.

Удельная производительность установки (по конечному продукту) достигала 2450 кг (м2/сут) при удельных энергозатратах – 9-10 кВт-ч/кг. Из результатов эксперимента следует, что метод ИПХТ особенно эффективен при использовании тиглей большого диаметра: повышается производительность, снижаются энергозатраты.

Для исследования отходящих газов использовали газоанализатор «Каскад-512», а также химический и весовой анализ. Согласно их результатам, концентрация компонентов ВАО в отходящих газах составила: NO и NO2 –до 3000 мг/м3, CO – до 50 мг/м3, HCl – 262 (26,2- 846) мг/м3, F – 1,32 (0,67-3,44) мг/м3, SO2 – 132 (2,5-271) мг/м3. Потери Cs2O оказались 50-60 % по массе.

За время работы тигли не подверглись заметной коррозии и после испытаний были пригодны для дальнейшей эксплуатации.

Конечный продукт переработки ВАО в «холодном тигле» представлял собой боросиликатную матрицу без сульфатно-хлоридных включений, содержащую по объему до 10 % кристаллической фазы шпинели. Скелетные кристаллы стекла близки к тревориту (Mg0,03Mn0,07Fe0,05Ni0,76Zn0,09)2+(Fe1,76Al0,19Cr0,05)3+O4. Индивидуальные – от близкого к тревориту ((Mg0,04 Mn0,07Fe0,07Ni0,73Zn0,09)2+(Fe1,81Al0,16Cr0,04)3+O4) до его твердого раствора с цинкохромитом ((Mg0,02Mn0,08Fe0,11Ni0,62Zn0,17)2+(Fe1,31Al0,17Cr0,52)3+O4 или (Mg0,02Mn0,08 Fe0,11Ni0,62 Zn0,17)2+(Fe1,31Al0,17Cr0,52)3+O4).

Скорость выщелачивания компонентов (B, Li, Na, Si) по методике РСТ-А из стекломатериалов оказалась в 10-30 раз ниже, чем из стекла, рекомендованного Агентством по защите окружающей среды США (таблица 2).

Таким образом, проведенные исследования подтвердили эффективность метода остекловывания, разработанного на ГУП МосНПО «Радон», для переработки железоалюминатных ВАО. Основной недостаток предложенной технологии – значительные потери цезия при уносе, которые можно снизить, если будет найден способ стабилизации «холодной шапки» на поверхности стекломассы в тигле.