SE431693B - Forfarande och anordning for ytbeleggning av fast material - Google Patents

Description

el G0 CD bd ~§' -F* *lä I Q4 N Huvudkällorna för dylikt avfall är följande: a) Avfall av jonbrytarhartser, som använts till att upprätthålla en extremt hög renlighetsgrad hos det i den kokvattenkylda reaktorn använda vattnet. Dessa hartser har formen av små pärlor och avlämnas för solidifiering våta tillsammans med ungefär samma viktmängd vatten. b) Utspädd natriumsulfatlösning, förorenad med en del radioaktiva nuklider och utgörande resultatet av jonbrytarhartsregenereringsproces- sen. c) Pulvriserade jonbrytarhartser, s.k. "Powdex". utbredes på ett filter och användes som jonbrytarbädd. Det förorernade Powdex-pulvret avlämnas för solidifiering vätt med vatten. d) Filterbottenkakor, exv. av infusoriejord, "Cellulite" och "Solka-floc", blir förorenade och avlämnas likaledes vätta med vatten för solidifiering. e) Borsyrelösning cirkulerar genom tryckvattenreaktorn och föro- renad borsyrelösning avlägsnas för solidifiering och nedgrävning. f) Rengöringslösningar från golvtvätt och från dekontaminering av utrustning.

Dessa innehåller rengöringsmedel, oxalsyra, fosforsyra, kaliumpermanga- nat, kaliumhydroxid och naturiumhydroxid.

Enligt den f.n. tillämpade tekniken koncentreras lösningarna i evaporatorer (förângare, indunstare). Natriumsulfatet kan koncentreras till 20 % torrhalt och borsyran till 12% torrhalt i konventionella in- ounstare eller evaporatorer. Varje försök att uppnå högre torrhalt resul- terar i allvarlig skalning och korrosion. Med en titanrörsindunstare med tryckcirkulation är det ibland möjligt att bringa natriumsulfat till 25% torrhalt. Evaporatorbottnarna, de med vatten vätta hartserna och filter- hjälpmedlen blandas med portlandcement eller karbamid-formaldehyd (UF) för solidifiering. Därigenom ökas volymen med en faktor av ca 1,6. En stor del av cementet resp. UF-hartset går åt till att binda vattnet.

Kostnaderna för nedgrävning av de sålunda solidifierade avfallspro- dukterna uppgår till ca. 4500 kr/m3. Om vattnet kunde avlägsnas före solidifieringen, skulle man uppnå betydande besparingar.

Natriumsulfat utgör den största proportionen av det radioaktiva *avfallet och ger ett gott exempel på de kostnader det gäller. Omkring 0,28 m3 20-procentig natriumsulfatlösning bildar 0,448 m radiakavfall, då den blandas med cement eller UF-harts.

Nämnda 0,28 m3 20-procentig natriumsulfatlösning innehåller 61 kg 3 solifierat torrt natriumsulfat. Skrymvolymen hos natriumsulfatpulver är approxima- tivt 1,62l g/cm3. Vid blandning med 35 % av ett bindemedel ökar volymen endast 10%, emedan bindemedlet till största delen fyller hålrummen mellan 3- '7803449-3 partiklarna. Följaktligen har 6l kr torrt natriumsulfat, sedan det blan- dats med 35 % bindemedel, en volym av 0,042 m3, innebärande en volym- minskning något bättre än l0:l vid jämförelse med solidifiering med UF eller cement.

Flera metoder för reducering av volymen praktiseras för närvarande.

En metod består i att rosta materialen till en fast kornmassa. En annan är att blanda in materialen i het asfalt. Alla dessa system har sina fördelar och nackdelar, men hittills har inget system utvecklats, enligt vilket man kan solidifiera dylika låghaltiga radiakavfall på enkelt, billigt och utrymmesbesparande sätt. Ett syfte med föreliggande upp- finning har därför varit att erbjuda ett dylikt system.

Ett för uppfinningen grundläggande syfte har sålunda varit att föro- slå ett system för kontinuerlig torkning och ytbeläggning av den torkade produkten.

Ett annat syfte har varit att åstadkomma en ytbelagd och gjutbar blandning med lågt urlakningsförhållande.

Ett annat syfte har varit att åstadkomma ett indunstningssystem, som icke medför någon skalning.

Förfarandet för ovanstående syften karaktäriseras härvid enligt upp- finningen av att den inerta bärvätskans temperatur i indunstningsstatio- nen hålles över temperaturen för nämnda vätskas kokpunkt och införingen av nämnda vätska med det fasta materialet i den varma inerta bärvätskan utföres under turbulenta förhållanden, så att vätskan bringas att snabb- förångas utan att explosionsförångning sker efterlämnande nämnda fast- ämne i form av torra partiklar, dispergerade (uppslammade) i den inerta bärvätskan; att ett bindemedel införes i nämnda uppslamning av bärvätska och torkade fastämnespartiklar i en blandarstation mellan indunstarsta- tionen och separatorstationen, varvid nämnda bindemedel är i vätskeform vid den inerta bärvätskans temperatur och kan stelna vid avlägsnande där- ur; är olöslig i bärvätskan; samt är i stånd till preferentiell vätning av nämnda torkade fastämnespartiklar, varigenom bindemedelet är ägnat att ytbelägga nämnda fastämnespartiklar i bärvätskan; och att de sålunda ytbelagda fastämnespartiklarna skiljes från bärvätskan i nämnda separator- station.

Anordningen för förfarandets genomförande uppvisar enligt uppfin- ningen ett organ för införing av den vattenhaltiga dispersionen i induns- taren nedanför bärsubstansnivån, varvid vattnet kommer att förbrännings- avdunsta från den vattenhaltiga dispersionen och lämna de radioaktiva fasta partiklarna suspenderade i den inerta bärsubstansen, en källa av ett flytande härdbart bindemedel, vilket bindemedel är oblandbart och ?8034ë9-3 L icke-reaktivt med den inerta bärsubstansen, ett organ för införing av bindemedlet i fluidtransportorganet vid en punkt uppströms om separa- torn, och ett organ för avlägsnande av det fasta radioaktiva materialet som belagts med bindemedlet från separatorn.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas närmare i anslutning till bifogad ritning, på vilken den enda figuren är ett schematiskt flödesdiagram över ett system enligt uppfinningen.

Enligt uppfinningen föreslås ett system, i vilket en lösning (vil- ket uttryck inbegriper såväl äkta lösningar som uppslamningar) vätske- formigt lösningsmedel och ett fastämne införes i en het, inert bärsub- stans för att bringa lösningsmedlet att förbrännas, efterlämnande tor- kat fastämne i den inerta bärsubstansen i form av dispergerade fasta partiklar. Den inerta bärsubstansen med dessa partiklar strömmar därpå till ett andra behandlingsställe, där ett bindemedel för partiklarna in- föres för att ytbelägga partiklarna genom preferensbestämd vätning, var- efter de sålunda belagda partiklarna sammansmälter, så att de lätt kan skiljas från den inerta bärsubstansen genom tyngdkraftens inverkan i ett separeringssteg. I föreliggande sammanhang avses med "preferens- bestämd vätning“ eller "preferentiellt vätt" det tillstånd, som råder då de fasta partiklarna har större affinitet för att bli vätta av det vätskeformiga bindemedlet än av den inerta bärsubstansen. Det är lätt att bestämma när detta tillstånd råder, emedan det vätskeformiga binde- medlet faktiskt kan observeras undantränga den inerta bärsubstansen, då det strömmarrunt och ytbelägger de fasta partiklarna. Om nämnda till- stånd icke råder, gäller vidare att den enligt uppfinningen avsedda processen icke fungerar, i det att partiklarna icke blir ytbelagda, utan resultatet blir en suspension av bindemedel i bärsubstansen och en suspension av fasta partiklar i bärsubstansen. Preferentiell vätning sker som regel, exempelvis om bärsubstansen är icke-polär och bindemed- let och de fasta partiklarna är polära, eller omvänt, ehuru detta inte alltid är 100-procentigt förutsägbart. Huruvida ifrågavarande tillstånd råder i specifika system, kan konstateras genom att placera materialen i en "TEFLON"- eller annan behållare, i vilken materialet icke kan fast- na på väggarna och bottnen under de avsedda arbetsförhållandena, och därefter skaka behållaren. Om sammansmältning sker såsom en separat fas, föreligger preferentiell vätning. Föreliggande uppfinning är tillämplig närhelst det gäller att avlägsna lösningsmedlet ur en lösning och/eller att kapsla in det torkade fastämnet, och i dess allmännaste form måste följande villkor uppfyllas. l. Det för lösning avsedda fastämnet skall vara olösligt i den 5_ 'ïßßšlsís-Eå-S inerta bärsubstansen och icke kunna reagera kemiskt med denna. 2. Bindemedlet skall vara olösligt i den inerta bärsubstansen och icke kunna reagera kemiskt med denna, så att det kan bilda en separat fas i bärsubstansen. 3. Bindemedlet skall vara vätskeformigt vid arbetstillståndet, men kunna solidifieras, antingen termoplastiskt eller genom kemisk reaktion vid avlägsnandet ur systemet. 4. Den inerta bärsubstansen skall vara en vätska med relativt lågt ångtryck, så att den fortsättningsvis kan användas på nytt utan omfat- tande återvinningsoperationer.

. Partiklarna av fastämnet skall vara preferentiellt vätbara av bindemedlet. _ Systemet enligt föreliggande uppfinning är sålunda användbart i många olika tillämpningsfall, men i det följande kommer det att beskri- vas speciellt i samband med koncentration av lösningar av natriumsulfat i vatten, vilket är ett exempel, till vilket uppfinningen icke är begrän- sad, enär uppfinningens omfång bestämmes uteslutande av efterföljande patentkrav.

Det hänvisas nu särskilt till bifogad ritningsfigur, enligt vilken systemet innefattar en källa l för den lösning som skall torkas, vilken tillföres indunstaren eller evaporatorn 2 genom en rörledning 4, som matas med hjälp av en med mängdmätare utrustad pump 5. Indunstaren 2 mynnar vid sin ena ände i en kondensor 6 och är vid sin andra ände an- sluten till pumpar 7, vilka matar den inerta bärsubstansen i industar- systemet i cirkulation genom värmeväxlare 10 och tillbaka till industa- ren 2. Kondensorn 6 kan sättas i förbindelse med omgivningsatmosfären direkt, varvid kondensatet ledes i återlopp till jonbrytarbäddarna. Om ytterligare behandling erfordras, kan gasen från kondensorn, i första hand av miljöskäl, släppas ut i det fria genom ett "HEPA"-filter 18, och kondensatet kan ledas genom en vätskeseparator l7 för att befrias från eventuellt kvarvarande spår av inert bärsubstans, som därefter kan ledas i återlopp tillbaka till indunstaren 2. Genom en avgreningsledning 3 från den ena av pumparna 7 bringas den i indunstaren 2 befintliga upp- slamningen att cirkulera genom en strâlblandare 8 och en separator 9 tillbaka till den andra pumpens 7 inlopp. Den inerta bärsubstansen spru- tas med stor hastighet in i indunstarkärlet, som kan vara försett med baffelskenor 12 eller andra turbulensbefrämjande organ för att hålla vätskan i indunstaren i stark turbulens. Med uttrycket "stark turbulens" avses här ett sådant turbulenstillstånd i indunstaren 2, att det icke kan uppstå någon explosionsartad uppflamning av ångor i kärlet, då den vsozarø-3 r inströmmande lösningen införes i den heta bärsubstansen. Detta tillstånd kan för varje specifikt system lätt bestämmas genom försök, enär den explosionsartade uppflamningen, då den inträffar, är klart märkbar, i det att den åtföljes av såväl buller som kraftig stänkning och uppkast- ning av lösningsmedlet, lösningens fastämne och bärsubstansen. Därigenom medbringas partiklar och droppar av den ånga som alstras. Detta tillstånd fortsätter med ökande turbulens, tills det slutligen ersättes med en lugn ângbildning i form av små blåsor eller bubblor, vilka tjänar till att vaska ut partikelformigt gods ur ångorna.Denna miniminivâ av turbu- lens måste upprätthållas enligt föreliggande uppfinning. Indunstaren är också utförd på sådant sätt, att strömningsmönstret och uppehållstiden i densammma blir så bestämda, att all ångbildning i indunstaren sker innan bärsubstansen strömmar till pumpen 7. Systemet enligt uppfinningen innehåller vidare en källa 13 för ett bindemedel, som medelst en mängd- reglerande pump 14 matas in i strålblandaren 8, i vilken bindemedlet blandas med den inerta bärsubstansen, som transporterar lösningens tor- kade fastämnespartiklar i ett tillstånd av extremt stark turbulens.

Bindemedlet kan vara vilket som helst lämpligt polymert material eller cementartat material, t. ex. en polyetylen, polypropylen, polystyren, fenolhartser, cellulosor, epoxidhartser, polyestrar, akrylnitril-buta~ dienstyren (ABS), karbamid-formaldehyder m.m. Bindemedlets allmänna egenskaper är att det bör-vara relativt lättflutet vid processens arbetstemperaturer, att det skall kunna kapsla in det partikelformiga fastämnet genom preferentiell vätning samt kunna hårdna till en fast massa genom härdning eller avkylning till omgivningstemperatur. I speciella användningsfall, där svårlöslighet i vatten är av vikt, t. ex. i samband med hantering av radioaktivtèvfall, bör bindemedlet också kunna motstå en senare urlakning av det partikelformiga fastämnet ur slutprodukten. Härvid är polymerer av termoplastisk typ, liksom även värmehärdande polymerer användbara. I det sistnämnda fallet är införan- det av härd- eller vulkmedlet i slutprodukten nödvändigt och sker före- trädesvis efter separeringen från den inerta bärsubstansen för att und- ' vika risken för att polymeren skall hårdna tillsammans med systemet. I anläggningen enlig ritningen matas vulk- eller härdmedel ll av den reglerbara pumpen 20 in i en statisk blandare 16, vari härdmedlet blan- das med den av den mängdreglerande pumpen 17 matade produkten och det hela införes därefter i behållaren 9 för det gjutbara radiakavfallet, vari godset stelnar. Hela det system, som omfattar indunstaren, pumpar- na, strålblandaren, separatorerna, värmeväxlarna jämte tillhörande rör- ledningar, är företrädesvis fodrat eller överdraget med "Teflon" för att 7- ?803ë49-3 minska risken för att något av materialen skall fastna vid insidan av de organ, genom vilka den inerta bärsubstansen passerar. Enär, såsom framgår av ritningen, vätskan i den inmatade behandlingslösningen aldrig kommer in i värmeväxlarna, är problemet med skalbildning i systemet eliminerat.

För torkning och ytbeläggning med vattenlösningar användes lämp- ligen som bärsubstans sådana högkokande vätskor som paraffiniska kol- väten, kiselhaltiga vätskor, ftalater, kommersiella värmeöverförande vätskor, såsom "Therminol" eller "Dowtherm", alkoholer med hög molekyl- vikt, vätskeformiga högtemperaturpolymerer, medan de i det föregående uppräknade polymererna är lämpliga som bindemedel. De angivna binde- medlen får emellertid endast anses som exempel, enär det finns en ota- lig mängd material som kan användas enligt uppfinningen och som sålunda uppfyller de ovan angivna villkoren.

I ett typiskt system kan den torkade och ytbelagda slutprodukten uppgå till mellan 65 och 75% partikelformigt gods, t. ex. natriumsulfat, och 35 till 25 % bindemedel.

Det har befunnits, att man med ökande partikelstorlek hos det partikelformiga godset som regel kan erhålla allt större proportion fastämne. Partiklarnas storleksfördelning kan regleras genom lämpligt val av indunstartemperatur, i det att högre temperaturer i allmänhet ger mindre partiklar och lägre temperaturer i allmänhet ger större partiklar. En annan faktor som inverkar på partikelstorleken är den genomsnittliga uppehållstiden för kristaller i indunstaren. Vid längre uppehållstider kommer de cirkulerande partiklarna i kontakt med nya droppar av lösningen och kan därigenom växa. Uppehållstiden för en kristall är omvänt proportíonell mot mängdströmmen genom avgrenings- röret 3.

Efter att sålunda ha beskrivit systemets uppbyggnad, skall i det följande anföras ett praktiskt utföringsexempel av processen, enligt vilket det gäller att reducera en vattenlösning av natriumsulfat till gjutbara, vattenfria partiklar, överdragna med ett epoxidharts med användning av en kiselolja som inert bärsubstans.

Exempel Ett med inert bärsubstans arbetande tork- och ytbeläggningssystem var anordnat att behandla 3,79 liter radioaktivt avfall i form av en -procentig lösning av natriumsulfat i vatten, varvid en dimetyl-kisel- olja användes såsom inert bärvätska och en glycidyl-eter, t. ex. Shell Chemical Compnnyzs "Epon", som bindemedel. Hexahydroftalsyraanhydr1d

Claims (10)

'Fåfllïiæäšl-Z» 8- användes som vulk- eller härdmedel. Produkten härdar på 3 timmar vid l49°C. Systemet var projekterat för en nominell arbetstemperatur i indunstaren på l49°C. Den inerta bärvätskan matades i omlopp genom värmeväxlarna i stor mängd per tidsenhet, ca. 473 liter per minut, och temperaturen ökas till l66OC genom att värmeväxlarna genomströmmades av vattenånga med ett tryck av 10,5 kp/cmz. Vid behandling av den 20- procentiga natriumsulfatlösningen i en mängd av 15,9 liter per timme (Na2S04 54,4 kg/h och H20 213 kg/h), matades bindemedel in i den inerta bärvätskan genom strålblandaren i en mängd av 15,5 kg/h, och de ytbelag- da partiklarna avlägsnades i separatorn. Det använda epoxidhartset var i fast form vid omgivningstemperatur och vätskeformigt vid systemets arbetstemperatur, 14900. Det bildades en termoplastisk, fast massa av natriumsulfat, inkapslat i epoxidharts, vid uttagandet ur separatorn och avkylning. Samma hartssystem kan formas till ett permanent fast- ämne genom att man tillsätter härd- eller vulkmedel i en mängd av 2, 63 kg/h och håller den uttagna produkten vid l49°C under 3 timmar. Därigenom erhålles ungefär 0,033 m3 härdat, torkat och ytbelagt 75- procentigt Na2SO4 per timme. Denna härdade produkt är stabil vid tempera- turer vida överstigande l49oC och befrämjar betydligt systemets i sig självtlåga urlakningsgrad. En jämförelse av den ytbelagda produkten med en konventionell natriumsulfat-cementblandning visar, att urlak- ningsgraden är 3 % av cementens utlakningsgrad (eller "läckningsgrad"). Den här givna beskrivningenavser endast att belysa och exempli- fiera uppfinningen och icke att begränsa dess tilltänkta skyddsomfång, enär den inom ramen för patentkraven kan modifieras och varieras av fackmannen på många olika sätt. Sålunda kan man exv. tillsätta brand- skyddsmedel och/eller vätmedel och/eller mjukningsmedel för att bibringa materialet önskade kemiska eller fysikaliska egenskaper. Patentkrav

1. Förfarande för torkning och ytbeläggning av ett fast material (fastämne), varvid en inert bärsubstans i vätskeform hålles i cirkula- tion (omlopp) mellan en indunstarstation och en separatorstation, en vätska, som innehåller nämnda fasta material, i form av lösning eller uppslamning, införes i den inerta bärvätskan i nämnda indunstrarstation vid en temperatur som medger indunstning av vätskan varefter den inerta bärvätskan skiljes från det fasta materialet, k ä n n e t e c k n a t a v att den inerta bärvätskans temperatur i indunstningsstationen hålles över temperaturen för nämnda vätskas kokpunkt och införingen av nämnda vätska med det fasta materialet i den varma inerta bärvätskan 9. utföres under turbulenta förhållanden, så att vätskan bringas att snabbförångas utan att explosionsförângning sker efterlämnande nämnda fastämne i form av torra partiklar, dispergerade (uppslammade) i den inerta bärvätskan; att ett bindemedel införes i nämnda uppslamning av bärvätska och torkade fastämnespartiklar i en blandarstation mellan indunstarstationen och separatorstationen, varvid nämnda bindemedel är: a) i vätskeform vid den inerta bärvätskans temperatur och kan stelna vid avlägsnande därur; b) olöslig i bärvätskan; samt c) i stånd till preferentiell vätning av nämnda torkade fastämnes- partiklar, varigenom bindemedlet är ägnat att ytbelägga nämnda fastäm- nespartiklar i bärvätskan; och att de sålunda ytbelagda fastämnespartiklarna skiljes från bärvätskan i nämnda separatorstation.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda bindemedel framställes av ett termoplastiskt material.

3. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a v att bindemedlet är ett värmehärdande ( ett härdplast~ ) material och att ett härd- eller vulkmedel för dessa härdplastmaterial införes i massan av partikelformigt fastämne efter uttagandet ur nämnda separator.

4. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t a v att den inerta bärsubstansen upphettas efter att närmelsevis hela mäng- den av nämnda vätska har avlägsnats därur, varigenom bildandet av glöd- spån (pannsten) och andra ej önskvärda avsättningar i upphettningskär- let förhindras.

5. Förfarande enligt patentkrav l eller 4, k ä n n e t e c k n n t a v att den inerta bärsubstansen är en icke-polär vätska och att nämnda fastämne och nämnda bindemedel är polära ämnen.

6. Förfarande enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t a v att den inerta bärsubstansen är en kiselolja, att nämnda vätska är en vattenlösning av natriumsulfat och att bindemedlet är ett epoxidharts.

7. Förfarande enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t a v att ett härd- eller vulkmedel för epoxidhartset tillsättes till det yt- belagda partikelformiga materialet, sedan det uttagits ur nämnda separa- tor.

8. Anordning för reduktion av volymen av radioaktivt avfall medelst förfarandet enligt patentkrav l - 7, varvid anordningen innefattar ett förbränningsindunstarorgan som är avpassat att delvis fyllas till en given nivå med en högkokande bärsubstans som är inert och oblandbar med _..__..__..._..__.... _ ........__.___.__...-..._..._...___._.._____.. ..._ .~....._.. ......... vsoz/-ßa-sa-z 10- vatten, ett värmeorgan för uppvärmning av bärsubstansen, ett separator- organ för separering av partikelformat material från bärsubstansen, ett pumporgan för cirkulation av bärsubstansen, ett fluidtransportorgan som sammanbinder pumpen, värmeorganet, indunstaren och separatorn så, att bärsubstansen fås att strömma från indunstaren till separatorn och genom värmeorganet innan densamma på nytt införes i indunstaren på ett i huvud- sak kontinuerligt sätt, och en källa av en vattenhaltig dispersion av radioaktiv avfall, k ä n n e t e c k n a d a v ett organ för införing av den vattenhaltiga dispersionen i indunstaren nedanför bärsubstans- nivån, varvid vattnet kommer att förbränningsavdunsta från den vatten- haltiga dispersionen och lämna de radioaktiva fasta partiklarna suspen- derade i den inerta bärsubstansen, en källa av ett flytande härdbart bindemedel, vilket bindemedel är obandbart och icke-reaktivt med den inerta bärsubstansen, ett organ för införing av bindemedlet i fluid- transportorganet vid en punkt uppströms om separatorn, och ett organ för avlägsnande av det fasta radioaktiva materialet som belagts med bindemedlet från separatorn.

9. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d a v ett organ för bibehållande av bärsubstansen i indunstaren i ett till- stånd av stark turbulens.

10. Anordning enligt patentkrav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d a v att bindemedlet är en härdbar polymer och att systemet vidare inne- fattar ett organ för införing av ett härd- eller vulkmedel för polymeren i det belagda materialet nedströms om separatorn.