Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и устройство для его осуществления

Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемые способ и устройство относятся к области охраны окружающей среды, а точнее к процессам переработки жидких радиоактивных отходов, в частности, методом цементирования, и предназначены для отверждения жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, не смешивающиеся с водой и препятствующие твердению цементных компаундов. Способ и устройство могут быть использованы на атомных электростанциях и предприятиях, кондиционирующих радиоактивные отходы.

Известен способ цементирования маслосодержащих отходов [1] - Патент Японии №53008 879-В4, МКИ: G21А 9/16, заявл. 10.11.75 г. №134011, опубл. 01.04.78. Способ отверждения цементированием маслосодержащих сточных вод с радиоактивными веществами. - Nippon Atomic Industry Group Co, заключающийся в том, что маслосодержащую сточную воду с радиоактивными веществами заливают в контейнер и дают ей отстояться. Со стороны верхней части контейнера в него вводят порошкообразный цемент, соосаждающий масло и образующий в нижней части контейнера слой из небольшого количества маслосодержащего цемента с водой. Затем контейнер загружают дополнительным количеством порошкообразного цемента. Далее воду удаляют и формуют твердое цементное образование, в котором остается масло в виде компонента с радиоактивными составляющими. Недостатками известного способа являются: малое наполнение компаунда по масляным отходам и невозможность совместного цементирования одновременно водной и масляной части жидких радиоактивных отходов.

Известен способ обработки органических отходов [2] - Патент США №5269975-А, МКИ: G21F 9/16, заявл. 10.09.92, №942988, приор. №659748 от 21.02.91, опубл. 14.12.93. Отверждение органических отходов цементированием. - John E. Noakes; а также [3] - международный Патент WO 92/15098, PCT/US92/01276, заявл. 18.02.92 №3201276, приор. №659748 от 21.02.91. Отверждение органических отходов цементированием. - John E. Noakes, где для предотвращения отслаивания органической фазы от цементного раствора используют в качестве эмульгатора катионы аминов. Однако, при наполнении до 30 мас.% по органическим жидкостям (толуол, керосин, бензин), прочность на сжатие на 28 сутки твердения компаундов не превышает 1,51 МПа.

Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа является способ обработки масляных отходов [4] - Патент ФРГ №DE 2944484 А-1, МКИ: А62D 3/00, С04В 29/00, заявл. 03.11.79, приор. 08.11.78 №43654 GB. Способ обработки масляных отходов. - Stablex AG, заключающийся в смешивании масляных отходов с твердым веществом, способным сорбировать масло, с токсичными жидкими отходами, кальцийсодержащим цементом и силикатом алюминия и/или алюмосиликатом. Таким образом образуется жидкотекучая суспензия, которая затвердевает в пригодный для хранения компаунд. В качестве твердого сорбента используют карбонат кальция, а в качестве алюмосиликата - золу-унос. Способ не предназначен для цементирования органических жидкостей. Наполнение конечного продукта по маслу составляет 8,5-30 мас.%.

Недостатками данного способа являются невозможность совместного цементирования минеральных масел и органических жидкостей, а также низкая прочность конечного компаунда. Масла препятствуют процессам гидратации минералов портландцемента, обволакивая зерна цемента гидрофобной пленкой. При перемешивании одновременно всех компонентов происходит распределение масла во всем объеме цементного раствора. Это приводит к замедлению процессов твердения и к получению компаунда с низкой прочностью - не более 1,45-4,00 МПа на 28 сутки твердения.

Известно устройство для цементирования жидких радиоактивных отходов, выбранное в качестве прототипа [5] - ТП Рад Х-12.02/2005. Технологический регламент. Цементирование радиоактивных отходов. Миниблочная растворосмесительная установка. - ГУЛ МосНПО «Радон», 2005. - инв. №640, содержащее смеситель, представляющий собой герметичную емкость с размещенными на вертикальном валу двумя мешалками - одной стационарной, другой - перемещающейся по валу за счет подвижного крепежного устройства, смеситель соединен с дозатором жидких радиоактивных отходов, блоком дозатора сыпучих технологических добавок и блоком дозатора цемента, который посредством загрузочного винтового конвейера соединен с цементным силосом.

Недостатком существующего устройства является то, что мешалки устройства не обеспечивают достаточной интенсивности перемешивания при цементировании ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, что приводит к образованию расслаивающегося неоднородного цементного раствора и к малой степени наполнения конечного компаунда по ЖРО, содержащим минеральные масла и/или органические жидкости. Известно, что масла и органические жидкости не смешиваются с водой. При перемешивании с цементным раствором более 5 мас.% ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, происходит маслоотделение, что недопустимо при кондиционировании радиоактивных отходов.

Технический результат предлагаемого способа заключается в возможности совместного цементирования ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и ЖРО, представляющих собой водные солевые растворы, а также в повышении прочности конечного цементного компаунда.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в предотвращении расслаивания в процессе приготовления и твердения цементного раствора, а также в увеличении степени наполнения конечного компаунда по ЖРО, содержащим минеральные масла и/или органические жидкости.

Для достижения технического результата в части способа предлагается способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, заключающийся в приготовлении цементного раствора перемешиванием жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости, и жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, причем предварительно интенсивным перемешиванием готовят суспензию из жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 10-15% от массы конечного компаунда, 10-30% от массы цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости, и жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, взятых при водоцементном соотношении В/Ц=0,5-0,9; а затем полученную суспензию перемешивают с остальной массой цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости; при этом в качестве цементного материала, вводимого в предварительную суспензию, могут быть использованы цемент, бентонит, комплексная сухая добавка «БИЗОН» (ТУ 5743-159-46854090-2003);

тонкомолотый портландцемент с удельной поверхностью не менее 6000 см²/г в смеси с бентонитовой глиной и полимерной добавкой класса полигексаметиленгуанидинов (ТУ 9392-007-41547288-99); специальный цемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-09211551-2006).

Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что предварительно интенсивным перемешиванием готовят суспензию из жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 10-15% от массы конечного компаунда, 10-30% от массы цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости, и жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, взятых при водоцементном соотношении В/Ц=0,5-0,9; а затем полученную суспензию перемешивают с остальной массой цементного материала, сорбирующего масла и/или органические жидкости. В качестве цементных материалов, способных сорбировать масла и/или органические жидкости, могут быть использованы цемент, бентонит, комплексная сухая добавка «БИЗОН» (ТУ 5743-159-46854090-2003); тонкомолотый портландцемент с удельной поверхностью не менее 6000 см²/г в смеси с бентонитовой глиной и полимерной добавкой класса полигексаметиленгуанидинов (ТУ 9392-007-41547288-99); специальный цемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-09211551-2006).

Перемешивание компонентов цементного раствора в две стадии, с приготовлением предварительной суспензии, позволяет локализовать минеральные масла и органические жидкости в малом количестве цементного материала, что при твердении предотвратит образование масляной и органической гидрофобной пленки вокруг всех частиц цементного материала, будет способствовать процессам гидратации минералов основной части цементного материала, лучшему набору прочности и достижению технического результата - повышению прочности на сжатие конечного компаунда.

Включение в состав предварительной суспензии менее 10 мас.% ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, приведет к образованию конечного компаунда с малой степенью наполнения. Включение в состав предварительной суспензии более 15 мас.% ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, приведет к образованию конечного компаунда с малой прочностью на сжатие, чем не позволит достичь технического результата - получения прочного конечного компаунда. Включение в состав предварительной суспензии менее 10% от массы цементного материала, способного сорбировать минеральные масла и/или органические жидкости, приведет к недостаточной сорбции и не позволит достичь технического результата - получения нерасслаивающегося цементного раствора. Включение в состав предварительной суспензии более 30% от массы цементного материала, способного сорбировать минеральные масла и/или органические жидкости, приведет к распределению минеральных масел и/или органических жидкостей в большом количестве цементного материала, замедлению процессов гидратации цемента и не позволит достичь технического результата - получения прочного конечного компаунда.

Включение в состав предварительной суспензии ЖРО, представляющих собой водные солевые растворы, при заявленном В/Ц=0,5-0,9 позволяет совместно цементировать ЖРО, содержащие минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 10-15% от массы конечного компаунда и ЖРО, представляющие собой водные солевые растворы. При В/Ц<0,5 образуется густая, не перемешивающаяся предварительная суспензия, что не позволяет получить однородный прочный компаунд. При В/Ц>0,9 образуется жидкая, расслаивающаяся предварительная суспензия, не позволяющая получить конечный компаунд с высокой прочностью на сжатие.

Интенсивное перемешивание предварительной суспензии улучшает сорбцию минеральных масел и органических жидкостей цементными материалами, чем способствует предотвращению расслаивания и получению однородного прочного компаунда.

В качестве цементных материалов, используемых для приготовления предварительной суспензии, могут быть использованы:

- бентонитовый глинопорошок, способный сорбировать минеральные масла, органические жидкости и радионуклиды Cs-137;

- тонкомолотый цемент с удельной поверхностью не менее 6000 см²/г в композиции с полимерной добавкой класса полигексаметиленгуанидинов ПГМГ (ТУ 9392-010-41547288-2000), по химическим свойствам являющейся катионным полиэлектролитом, при этом тонкомолотый цемент выступает упрочняющим и сорбирующим масло компонентом, а ПГМГ - компонентом, сорбирующим органические жидкости;

- комплексная цементная добавка «БИЗОН» (ТУ 5743-159-46854090-2003), компоненты которой совместимы между собой, способны предотвращать расслаивание цементного раствора, сорбировать минеральные масла и/или органические жидкости, повышать прочность на сжатие;

- специальный цемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-56873527-2006), компоненты которого способны сорбировать минеральные масла и/или органические жидкости, повышать прочность на сжатие.

Использование при цементировании ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, перечисленных операций и материалов позволяет достичь технического результата - возможности совместно цементировать ЖРО, содержащие минеральные масла и/или органические жидкости, и ЖРО, представляющие собой водные солевые растворы, с получением однородного, не расслаивающегося, прочного цементного компаунда.

Технический результат в части устройства достигается тем, что предлагается устройство для цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, включающее в себя смеситель, соединенный с дозатором цемента, который посредством загрузочного винтового конвейера соединяется с цементным силосом, узел приготовления предварительной суспензии, состоящий из диспергатора с размещенными внутри фланцами-завихрителями, соединенного трубопроводом с приготовительным баком, который снабжен тензодатчиком, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, и соединен с установленным на опорной раме бункером цементного материала посредством шнека подачи цементного материала, при этом приготовительный бак соединен трубопроводом со смесителем, снабженным патрубком приема предварительной суспензии.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что устройство содержит узел приготовления предварительной суспензии, состоящий из диспергатора с размещенными внутри фланцами-завихрителями, соединенного трубопроводом с приготовительным баком, который снабжен тензодатчиком, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, и соединен с установленным на опорной раме бункером цементного материала посредством шнека подачи цементного материала, при этом приготовительный бак соединен трубопроводом со смесителем, снабженным патрубком приема предварительной суспензии.

Наличие в устройстве узла приготовления предварительной суспензии позволяет готовить цементный раствор в две стадии, с приготовлением из ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, предварительной суспензии, чем достигается технический результат - получение нерасслаивающегося цементного раствора с 10-15 мас.% жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости.

Наличие диспергатора с фланцами-завихрителями позволяет создавать в приготовительном баке интенсивное перемешивание за счет пульсации жидкостных потоков, в результате чего обеспечивается локализация минеральных масел и/или органических жидкостей в малом количестве цементного материала в виде стойкой к расслаиванию суспензии и достигается технический результат - возможность включать в цементный компаунд без расслаивания раствора до 10-15 мас.% жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и получать конечный компаунд с высокой прочностью на сжатие.

Наличие тензодатчика в приготовительном баке позволяет точно дозировать по массе жидкие радиоактивные отходы и цементный материал, подаваемый с помощью шнека подачи из бункера цементного материала, что способствует повышению качества цементного раствора.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства. На фиг.2 представлен общий вид узла приготовления предварительной суспензии.

Устройство состоит из цементного силоса 1, загрузочного винтового конвейера 2, дозатора цемента 3, смесителя 4, снабженного патрубком приема предварительной суспензии 5 и соединенного трубопроводом 6 с узлом приготовления предварительной суспензии 7, состоящим из приготовительного бака 8, соединенного со шнеком подачи цементного материала 9 из бункера 10, установленного на опорной раме 11, при этом приготовительный бак 8 снабжен тензодатчиком 12 и патрубками 13, 14 для подачи жидких радиоактивных отходов; и диспергатора 15 с фланцами-завихрителями 16, соединенного с приготовительным баком 8 трубопроводом 17.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

В приготовительный бак загружают жидкие радиоактивные отходы, содержащие минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 43 кг (из расчета 15 мас.% масла в конечном компаунде), жидкие радиоактивные отходы, представляющие собой водные солевые растворы в количестве 100 кг (из расчета на раствороцементное отношение в конечном компаунде Р/Ц=0,7), цементный материал, сорбирующий минеральные масла и/или органические жидкости (портландцемент М400 с добавкой ПГМГ, или «БИЗОН», или бентонит, или «СПЦК») в количестве 14 кг (из расчета 10 мас.% от всего цементного материала). Включают диспергатор и с помощью фланцев-завихрителей, создающих пульсацию суспензии в приготовительном баке, интенсивным перемешиванием в течение 7 минут готовят предварительную суспензию.

Приготовленную суспензию подают в смеситель, туда же подают остальную часть цементного материала (портландцемент М400, или СПЦК, или «БИЗОН») в количестве 126 кг (из расчета 90 мас.% от всего цементного материала). Все компоненты перемешивают в смесителе, в результате чего получают нерасслаивающийся однородный цементный компаунд.

Повторяли приготовление растворов с предварительной суспензией при различных Р/Ц=0,5-0,9. Для сравнения готовили цементные растворы аналогичного состава без приготовления предварительной суспензии, путем перемешивания всех компонентов одновременно в смесителе. Из полученных цементных растворов с помощью разборных форм готовили стандартные образцы, которые хранили в воздушно-влажных условиях. Сроки схватывания, растекаемость, расслаивание, прочность на сжатие конечного продукта определяли стандартными методами.

Результаты представлены в таблице.

Таблица. Свойства цементных компаундов, включающих 15 мас.% жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и органические жидкости.

Состав цементного материала (предв. суспензия + осн. цем. раствор)	Количество масла, %	Р/Ц	Свойства раствора	Прочность на сжатие цементного компаунда, МПа
Сроки схватывания, час	Растекаемость, мм	Отслаивание масла, % от исх. р-ра	7 сут	28 сут	56 сут	1 год	после 30 циклов замораживания - оттаивания	после 9 сут преб. в воде
10% (М400+ПГМГ)+ 90% М400		0,7		205	0	2,0	5,2	4,1	5,6	5,4	5,6
15% бентонит + 85%		0,6		200	0	1,6	5,3	4,8	6,3	7,5	8,0
тонкомолотого цемента	15		>4
15% бентонит		0,5		174	0	1,3	5,5	6,0	6,8	7,4	7,8
+85% М400
10% «БИЗОН» + 90% М400	0,7	234	0	2,9	5,7	5,6	6,4	5,0	5.3
10% «СПЦК» + 90% М400	0,9	Нач-3-30 Кон-4-40	115	0	3,8	7,7	8,6	7,3	6,1	6,6
100% М400,без предв.Суспензии*	15	0,7	>4	240	9	1,1	1,5	1,6	3,1	0,9	1,7
* - для сравнения

Из данных таблицы следует, что цементные компаунды, полученные по предлагаемому способу при наполнении до 15 мас.% по жидким радиоактивным отходам, содержащим минеральные масла и/или органические жидкости:

- не расслаиваются в процессе перемешивания, схватывания и твердения;

- имеют приемлемые для ведения технологического процесса сроки схватывания и растекаемость;

- имеют прочность на сжатие после 28 суток 5,2-7,7 МПа, после испытаний на морозостойкость 5,0-7,5 МПа, после длительного пребывания в воде 5,3-8,0 МПа.

По сравнению с прототипом цементный компаунд, полученный по предлагаемому способу, при одинаковом наполнении ЖРО, содержащими минеральные масла и/или органические жидкости, обладает в 1,9-5,3 раза большей прочностью на сжатие благодаря интенсивному предварительному суспензированию в малом количестве сорбирующего цементного материала и снижению негативного влияния масел и/или органических жидкостей на процессы гидратации цементных минералов.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В приготовительный бак 8, используя тензодатчик 12 для определения массы ЖРО, через патрубок 13 дозируют жидкие радиоактивные отходы, содержащие минеральные масла и/или органические жидкости, через патрубок 14 дозируют жидкие радиоактивные отходы, представляющие собой водные солевые растворы. Затем в приготовительный бак 8, используя тензодатчик 12 для определения массы цементного материала, с помощью шнека подачи цементного материала 9 из бункера 10 дозируют цементный материал, сорбирующий минеральные масла и/или органические жидкости. Включают диспергатор 15 и с помощью фланцев-завихрителей 16, создающих пульсацию суспензии в приготовительном баке 8, интенсивным перемешиванием готовят предварительную суспензию. Приготовленную предварительную суспензию по трубопроводу 6 через патрубок приема предварительной суспензии 5 подают в смеситель 4, туда же из цементного силоса 1 по загрузочному винтовому конвейеру 2 с помощью дозатора цемента 3 подают остальную часть цементного материала. Все компоненты перемешивают в смесителе 4, в результате чего получают нерасслаивающийся однородный цементный раствор, включающий 10-15 мас.% ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, который при затвердевании образует прочный компаунд.

По сравнению с прототипом, работа предлагаемого устройства позволяет получить нерасслаивающийся цементный компаунд, включающий по массе в 2-3 раза больше ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, благодаря тому, что часть цементного материала и ЖРО, содержащие минеральные масла и/или органические жидкости, загружаются не сразу в смеситель, а предварительно в приготовительный бак, где с помощью диспергатора и фланцев-завихрителей дополнительно интенсивно перемешиваются, а затем подаются в смеситель.

Дозирование ЖРО в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью тензодатчика по массе, а не по объему, как в устройстве-прототипе, что повышает точность дозирования и тем самым способствуют увеличению прочности конечного компаунда.

Таким образом, очевидно, что указанный технический результат как для способа, так и для устройства, по сравнению с прототипами будет достигнут.

В ГУП МосНПО «Радон» разработка предлагаемого способа и устройства находится на стадии внедрения в процесс кондиционирования радиоактивных отходов. Проведены НИР ОКР, создан опытный образец и проведены опытно-промышленные испытания устройства, в ходе которых совместно с жидкими радиоактивными отходами, представляющими собой водные солевые растворы, зацементировано 4 м ЖРО, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости.

1. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, заключающийся в получении цементного раствора путем перемешивания жидких радиоактивных отходов с цементным материалом, способным сорбировать масло и/или органические жидкости, с получением пригодного для хранения компаунда, отличающийся тем, что предварительно интенсивным перемешиванием готовят суспензию из жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 10-15% от массы конечного компаунда, 10-30 мас.% цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости, и жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, при водоцементном соотношении В/Ц=0,5-0,9, а затем полученную суспензию перемешивают с остальной массой цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цементного материала, сорбирующего масла и/или органические жидкости, используют комплексную сухую добавку «БИЗОН».

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цементного материала, сорбирующего масла и/или органические жидкости, используют тонкомолотый портландцемент с удельной поверхностью не менее 6000 см²/г в смеси с бентонитовой глиной и полимерной добавкой класса полигексаметиленгуанидинов.

4. Способ по п.1. отличающийся тем, что в качестве цементного материала, сорбирующего масла и/или органические жидкости, используют специальный цемент с композиционной добавкой «СПЦК».

5. Устройство для цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, включающее в себя смеситель, соединенный с дозатором жидких радиоактивных отходов и с дозатором цемента, соединенным посредством загрузочного винтового конвейера с цементным силосом, отличающееся тем, что содержит узел приготовления предварительной суспензии, состоящий из диспергатора с размещенными внутри фланцами-завихрителями, соединенного трубопроводом с приготовительным баком, который снабжен тензодатчиком, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, и соединен с установленным на опорной раме бункером цементного материала посредством шнека подачи цементного материала, при этом приготовительный бак соединен трубопроводом со смесителем, снабженным патрубком приема предварительной суспензии.