Разработка системы газоочистки для технологии переработки жидких САО методом СВЧ-нагрева
Аннотация
ФИО Разработка системы газоочистки для технологии переработки жидких САО методом СВЧ-нагрева. – Озерск: ЮУПК, 2008. – 60 с., 2 илл. Библиография – 22 назв. 3 листа чертежей формата А1.
В настоящем дипломном проекте на основании исходных данных установки СВЧ-нагрева предложена система газоочистки отходящих газов. В дипломном проекте по литературным данным были рассмотрены газоочистные аппараты, их плюсы и минусы, а также их использование в данной газоочистной системе. Исходя из главных характеристик газоочистных аппаратов, аэродинамического сопротивления и эффективности очистки были предложены принципиальная и технологическая схемы. Основываясь на производительности установки СВЧ-нагрева, состава перерабатываемого раствора и уносов твердой фазы и альфа-активных аэрозолей расчитанны концентрации этих компонентов в отходящих газах. Кроме того рассчитан суммарный коэффициент очистки по наиболее опасному компоненту – альфа-активным аэрозолям. Представлены некоторые коструктивные и тепловые расчёты для барботера-холодильника. Показана принципиальная возможность извлечения ценного компонента из фильтра тонкой очистки.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
РАО – радиоактивные отходы
САО – среднеактивные отходы
ВАО – высокоактивные отходы
НАО – низкоактивные отходы
ЖРО – жидкие радиоактивные отходы
ТРО – твердые радиоактивные отходы
ГРО – газообразные радиоактивные отходы
ОЯТ – отработанное ядерное топливо
СВЧ – сверхвысокие частоты
МТФ – металлотканевый фильтр
МКФ – металлокерамический фильтр
МПФ – металлопористый фильтр
СБФ – стеклобумажный фильтр
ВХВ – вредные химические вещества
ФАРТОС – фильтр аэрозольный регенерируемый тонкой очистки стекловолокнистый
ПФТС – промышленный фильтр тонкой очистки стекловолокнистый
ФАС – фильтр аэрозольный стекловолокнистый
ФП – фильтр Петрянова
ФПП – фильтр Петрянова перхлорвениловый
ФПА – фильтр Петрянова ацетилцеллюлозный
ФТОВ-Бм – фильтр тонкой очистки воздуха стеклобумажный
ДОА – допустимая объемная активность
НРБ-99 – нормы радиационной безопасности
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Почти каждый производственный цикл заканчивается образованием и удалением отходов. Радиоактивные отходы (РАО) являются также непременным завершающим звеном любой ядерной и радиационной технологии. В настоящее время основное количество РАО образуется в результате переработки отработавшего ядерного топлива.
Одним из важнейших условий развития атомной промышленности является решение проблем безопасного обращения с РАО [1].
В результате деятельности производственного
объединения «Маяк», в частности,
химико-металлургического
Существуют различные методы утилизации жидких САО: термические, сорбционные, осадительные, экстракционные, мембранные. Одним из наиболее перспективных термических методов является метод СВЧ-нагрева. Однако, его внедрение в производство невозможно без организации высокоэффективной системы газоочистки, позволяющей снизить концентрацию радионуклидов и ВХВ в выбрасываемых газах ниже ПДК.
Целью данной работы является разработка
системы газоочистки для
1 Классификация РАО
Газообразные РАО
Газообразные РАО на ФГУП «ПО «Маяк» образуются на всех стадиях переработки ОЯТ, в частности, при операциях резки и растворения отработавшего ядерного топлива, в процессе экстракции и упаривания технологических растворов, регенерации азотной кислоты, кальцинации и плавлении отходов, а также в любом технологическом аппарате, в котором проводятся операции с радиоактивными продуктами. При этом наряду с основными технологическими сдувками вследствие проведения различных вспомогательных и ремонтных работ радиоактивные аэрозоли могут содержаться и в вентиляционных выбросах [2].
Многочисленные методы газоочистки от радиоактивных аэрозолей и некоторых токсических веществ по принципу действия сходны с обычными способами, применяемыми для очистки от неактивной пыли, но требуют другого технического решения, других материалов и оборудования. Наиболее часто применяются следующие способы очистки воздуха от радионуклидов и ВХВ:
- фильтрация на насадочных
- абсорбция аэрозолей и газов растворами;
- адсорбция газов на твердых сорбентах;
- центрифугирование аэрозолей;
- комбинированные методы.
1.2 Твердые РАО
К ТРО ФГУП «ПО «Маяк» относятся конструкционные материалы, оборудование, отработавшее свой срок, различные использованные вспомогательные материалы (ветошь, спецодежда, СИЗ).
Согласно санитарным правилам твердые отходы считаются радиоактивными, если уровень загрязненности > 5 альфа-частиц/мин или > 20 бета-частиц/мин с площади 100 см2. По гамма-излучению твердые отходы относят к радиоактивным, если при измерении вплотную к поверхности доза > 0,3 мбэр/час.
Необходимость переработки ТРО
вызвана сокращением их объема в
хранилище. ТРО, содержащие короткоживущие
радионуклиды
(Т1/2 ≤ 15 сут), выдерживают в течении
определенного времени до необходимого
снижения активности и далее удаляют с
обычным мусором.
ТРО низкого и среднего уровня активности делят на сжимаемые и несжимаемые; горючие и негорючие.
Целью механических методов сокращения объемов ТРО является изменение геометрической формы и размера для уменьшения объема, занимаемого загрязненным материалом (прессование). Далее все твердые остатки направляют в хранилища (бетонированные каньоны, щели), где их заливают цементом, зачастую также содержащим РАО.
Широко применяется в атомной промышленности метод сжигания ТРО, так как значительное количество ТРО является горючими. По оценкам, при сжигании объем ТРО может быть уменьшен в 50 – 100 раз, а масса – в 10 – 20 раз.
Не подлежат сжиганию:
- взрывоопасные отходы;
- отходы, образующие при сжигании большое количество паров и газов;
- отходы, образующие коррозионно-активные продукты.
Метод сжигания иногда используют при совместной утилизации ТРО и ЖРО органического происхождения.
1.3 Жидкие РАО
В результате регенерации ОЯТ образуются ЖРО всех трех типов активности: ВАО, САО, НАО. Более 99 % продуктов деления попадает в ВАО. Это водно-хвостовые растворы после экстракционного отделения урана, плутония и др. актиноидов. Количество образующихся ВАО может колебаться в зависимости от технологии регенерации экстрагента от 1 до 5 м3 на 1 т перерабатываемого топлива. ВАО содержат около 90 радионуклидов продуктов деления (35 химических элементов) и свыше 120 радионуклидов, образующихся в результате распада продуктов деления. Активность ВАО достигает 1013 Бк/л, причем основная активность обусловлена короткоживущими изотопами.
Наряду с ВАО на ФГУП «ПО «Маяк» образуются также САО и НАО. К ним относятся растворы отмывки экстрагентов, пульпы и регенераты органических сорбентов, конденсаты от упарки ВАО, растворы после дезактивации оборудования и помещений. Они содержат менее 1 % активности, однако их объем значительно превышает объем ВАО. К САО относятся также отработавшие экстрагенты и разбавители.
1.3.1 Методы переработки жидких РАО
Существует три метода утилизации ЖРО:
- разбавление и сброс в окружающую среду;
- долговременное контролируемое хранение (САО, ВАО);
- переработка.
Первые два подхода были широко
распространены на заре атомной отрасли
и в ряде случаев привели к
существенному загрязнению
Первый подход реализуется тремя путями:
- сброс в водоемы при условии, что в нем происходит необходимое разбавление, а также реализуются естественные процессы связывания загрязнителей, предотвращающие их накопления в воде и живых организмах выше допустимых норм;
- создание гидротехнических сооружений, полностью или частично изолирующих водоем, в который ведется сброс ЖРО, от открытой гидросистемы, что позволяет регулировать поступление и миграцию радионуклидов в окружающую среду;
- применение гидрогеологических методов, в частности, закачивание таких вод в глубокие подземные пласты, надежно изолированные водонепронецаемыми пластами от водоносных слоев. Закачивание ЖРО в глубокие подземные пласты связано с предварительной подготовкой их для предотвращения кольматации водопоглощающих пород.
Долговременное контролируемое хранение ЖРО (ВАО и САО) осуществляется в герметичных емкостях (бетонных, облицованных нержавеющей сталью) с охлаждением либо без, в зависимости от уровня активности отходов. Данный подход является временным.
Третий подход (переработка ЖРО) направлен на решение двух главных задач: очистка основной массы отходов и концентрирование их в минимальном объеме. Для этого используют следующие методы: термические, сорбционные, осадительные, экстракционные, мембранные. Также в технологических схемах очистки ЖРО в качестве дополнительных применяют методы, направленные на изменение физико-химического состояния раствора (окисление примесей различными методами, инерционные, гравитационные и фильтрационные методы удаления твердой фазы, магнитная сепарация, облучение и т.д.) [4].
Термические и сорбционные методы достаточно хорошо разработаны и широко применяются на практике: в настоящее время на их основе работают очистные сооружения, перерабатывающие отходы, которые образуются при эксплуатации ядерных реакторов различного назначения, установок регенерации ядерного топлива и других объектов, использующих радиоактивные вещества.
Термические методы предполагают использование тепла для очистки и концентрирования отходов переводом основного компонента отходов – воды – в пар. Поэтому осуществление термических процессов требует расхода большого количества тепла, что представляет собой существенный их недостаток.
Основные термические методы – дистилляция (упаривание) и сушка, используемая обычно для подготовки (обезвоживания) концентратов радиоактивных отходов к отверждению.
Дистилляция (упаривание) – широко распространенный метод переработки жидких отходов. В том случае, когда решается проблема очистки, получения кондиционного конденсата, он называется дистилляцией, а когда в задачу его входит концентрирование – упариванием.
Дистилляция (упаривание) в основном различается характером парообразования (кипение в объеме или испарение с поверхности), видом теплоносителя (пар, горячие газы, электричество, органические продукты) и способом подвода тепла (непосредственный контакт с теплоносителем или передача тепла через стенку аппарата).
В практике утилизации радиоактивных отходов наиболее широко применяют дистилляцию парообразованием при кипении с подводом тепла водяным паром через стенку выпарного аппарата. Такая организация процесса обеспечивает достаточно хорошую теплопередачу при отсутствии контакта чистого теплоносителя с радиоактивным упариваемым раствором.
Сорбционные методы предполагают поглощение радионуклидов твердой фазой по любому механизму: адсорбция, ионный обмен, сокристаллизация и т. п.
Сорбция проводится как в динамических, так и в статических условиях. Динамическая сорбция предполагает осуществление ее путем непрерывного фильтрования очищаемого раствора через слой сорбента в насыпных или намывных фильтрах. В качестве сорбента используют органические и неорганические материалы природного или искусственного происхождения.
Статическая сорбция исключает направленное движение сорбента и очищаемого раствора относительно друг друга, а предполагает временный разовый контакт фаз (при перемешивании) с последующим их разделением.
Мембранные – это сравнительно новые методы, находящиеся в стадии научной и инженерной разработки. В отличие от термических и сорбционных методов разделение компонентов РАО (вода – соли – радионуклиды) при использовании этих методов осуществляется на молекулярном уровне и поэтому не сопровождается образованием новых фаз, что представляет собой одно из основных преимуществ мембранных методов.
Из мембранных методов для переработки жидких отходов наибольший интерес представляют обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация.
Обратный осмос применяется для очистки низкоактивных отходов с ограниченной засоленностью. К такой категории отходов относятся, например, прачечные воды. Уровень их активности близок к сбросным нормам, а наличие детергентов и коллоидов улучшает очистку от активности: фильтрат можно сбрасывать или направлять на повторное использование.
С помощью обратного осмоса производят предварительное концентрирование отходов перед упариванием, что позволяет сократить энергозатраты.
Действие электродиализа и обратного осмоса при очистке отходов во многом аналогично, однако электродиализ уступает осмосу в экономическом отношении, кроме того, электродиализ требует более сложного аппаратурного оформления и тщательной предварительной очистки воды от взвесей и коллоидов. Поэтому электродиализ может найти применение лишь в отдельных случаях при переработке средне- и низкоактивных отходов.
Методом ультрафильтрации можно перерабатывать отходы с высоким содержанием взвесей и коллоидов (десятки граммов на литр) и уровнем активности, близким к сбросным нормам. Ультрафильтрацию целесообразно также сочетать с химическим осаждением или можно использовать вместо фильтрования и коагуляции как подготовительную операцию перед процессами обратного осмоса или ионного обмена.
1.3.2 СВЧ-энергия для переработки жидких РАО
В связи с Российским законодательством
в области обращения с
Ранее ФГУП ВНИИНМ и НИКИМТ проводились
исследовательские работы по использованию
СВЧ-нагрева для остекловывания модельных
растворов, имитирующих ЖРО. С середины
1990 года начались работы по исследованию
технологии и разработки оборудования
отверждения РАО непосредственно в металлическом
контейнере с использованием
СВЧ-энергии [5].
Применение СВЧ-энергии для
Сверхвысокочастотным (СВЧ) называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте, происходит преобразование этой энергии в тепло не на поверхности, а в его объеме, и потому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами нагрева.
Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450) МГц.
При любом назначении СВЧ электротермической установки, она имеет структурную схему, приведенную на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема СВЧ электротермической установки
Основным генератором СВЧ энергии является магнетрон. Генерируемая мощность поступает по волноводу (линия связи) в рабочую зону СВЧ-печи. Рабочая зона СВЧ-печи (рабочая камера) может быть различной геометрической формы. Система управления (блок управления и ввода информации) управляет всем технологическим процессом обработки.
К основным преимуществам использования
СВЧ-энергии можно отнести
- возможность нагрева материала с высокой скоростью, что особенно важно при обработке материалов с низкой теплопроводностью;
- изменяя частоту, можно добиться нагрева различных компонентов объекта;
- простота подвода СВЧ-энергии к обрабатываемому материалу и передачи энергии без потерь по волноводам;
- безинерционность регулирования генерации тепла, позволяющая автоматизировать технологический процесс;
Сочетание СВЧ нагрева и отверждение
отходов непосредственно в
- компактность технологического оборудования;
- минимальное количество операций по обращению с РАО;
- простота и надежность процесса, так как весь процесс отверждения осуществляется в одном тигле-контейнере [5,6];
- минимум вредного воздействия на окружающую среду при лучших условиях труда обслуживающего персонала.
Этот метод практически не имеет
недостатков. Однако, к настоящему времени
он находится в стадии опытно-промышленных
испытаний и используется только
для переработки небольших
2 АППАРАТЫ СИСИТЕМЫ ГАЗООЧИСТКИ
В связи с тем, что переработка отходов на установке СВЧ является высокотемпературным процессом, то и аппараты газоочистки должны работать при повышенной температуре, например, циклоны, скрубберы, а также фильтры из металлопористого проката, металлокерамические и металлотканевые фильтры. Все эти аппараты предназначены для грубой очистки отходящих газов.
Дальнейшая очистка от радионуклидов возможна с использованием различных фильтров тонкой очистки. Высокодисперсные аэрозоли с частицами размером менее 1 мкм и вплоть до сотых и тысячных долей мкм эффективно улавливаются волокнистыми фильтрами с тонкими и ультратонкими волокнами [7]. Фильтрующие материалы изготавливаются из различных полимеров, стекла, целлюлозы, азбеста, хлопка и др. Однако применение таких фильтров возможно только при предварительном снижении температуры очищаемых газов. С этой целью перед фильтрами тонкой очистки устанавливают предварительную ступень охлаждения, в качестве которой может служить барботёр-холодильник. В этом аппарате будет происходить не только охлаждение и конденсация паров воды, но и улавливание ВХВ, например, оксидов азота, а также частичная очистка от радионуклидов.
2.1 Достоинства и недостатки аппаратов газоочистки
При выборе аппаратов для газоочистки необходимо руководствоваться двумя важнейшими характеристиками, а именно эффективностью очистки и аэродинамическим сопротивлением. Аппарат является оптимальным, если эффективность очистки высокая, а аэродинамическое сопротивление низкое.
Также следует учитывать простоту конструкции и обслуживания аппаратов. Если все характеристики учтены и оптимальны, значит аппараты являются наиболее выгодными, соответственно и дешевыми.
2.1.1 Циклон
Циклонные аппараты благодаря дешевизне и простоте устройства и обслуживания, сравнительно небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным типом сухого механического пылеуловителя. В промышленной практике принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Циклон с высокой эффективностью требует больших затрат на осуществление процесса очистки газа, а с высокой производительностью имеет небольшое гидравлическое сопротивление, но хуже улавливает мелкие частицы пыли. Процесс улавливания частиц пыли в циклоне целесообразно вести при больших скоростях газов в аппарате, и небольших размерах диаметра циклона. Однако чрезмерное увеличение скорости газа может привести к уносу пыли из циклона и резкому увеличению гидравлического сопротивления. Эффективность очистки циклонов возрастает с увеличением концентрации пыли на входе и диаметра ее частиц.
Следует отметить, что при использовании
циклона в установках с высокоэффективными
фильтрами между ними и циклоном
необходимо устанавливать устройства
для дополнительной обработки газа,
например, грубоволокнистые фильтры, что
ведет к существенному усложнен
- отсутствие движущихся частиц в аппарате.
- надёжное функционирование при температурах газов вплоть до 500 С0 без каких-либо конструктивных изменений (если предусматривается применение более высоких температур, то аппараты можно изготавливать из специальных материалов);
- возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями;
- пыль улавливается в сухом виде;
- гидравлическое сопротивление аппаратов почти постоянно;
- аппараты успешно работают при давлениях газов;
- пылеуловители весьма просты в изготовлении.
2.1.2 Скруббер
В литературе [9] есть данные по методу переработки радиоактивных отходов с помощью сжигания их в специальных печах. Для очистки печных газов в этом случае наиболее надёжной и целесообразной по эффективности и сроку службы газоочистных элементов считается схема мокрой очистки с применением скруббера. К достоинствам мокрых систем очистки можно отнести тот факт, что их гораздо легче оборудовать дистанционным управлением и средствами контроля, чем достигается более высокая степень радиационной безопасности для обслуживающего персонала. Также в скрубберах происходит охлаждение отходящих газов и водой улавливаются наиболее крупные твердые и смолистые вещества, что благоприятно влияет на работу последующих ступеней очистки.
К числу
недостатков мокрой системы с
применением скруббера
2.1.3 Металлопористые и
Одним из эффективных способов очистки газов от пыли является фильтрация их через пористую перегородку. К числу наиболее распространённых типов пористых перегородок относятся пористые керамика и металлы, а также металлические сетки.
Заметное распространение в промышленности имеют фильтры из пористого металла, в частности, при очистке высокотемпературных агрессивных газов. Пористые фильтры изготавливаются из нержавеющей стали, никеля, титана, бронзы, монель-металла и ряда других металлов.
Пористые металлические фильтры обладают рядом существенных достоинств:
- высокая эффективность очистки газов от аэрозольных частиц;
- способность и многократность регенерации;
- высокая механическая прочность по сравнению с неметаллическими (например: керамическими) фильтрами;
- термостойкость, позволяющая производить фильтрацию газов при температуре до 800оС;
- достаточно высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Металлокерамические пористые фильтры обладают высокой коррозионной стойкостью и используются при фильтрации газов, например, в процессе продувки металлов, паров кислот и т.д. Однако значительная толщина стенок вызывает высокое аэродинамическое (гидравлическое) сопротивление, а увеличение размера пор приводит к снижению степени очистки фильтра. Кроме того, широкое применение металлокерамических фильтров ограничивает их невысокая ударная прочность, особенно при вибрации, которая всегда имеет место при работе промышленной установки [10].
2.1.4 Металлотканевые фильтры (МТФ)
В отечественной и зарубежной литературе имеются данные об использовании металлотканевых фильтров для очистки запылённых газов, например, аэрозолей, отходящих из циклонной печи химико-металлургического завода, доменной печи и опытной электропечи обогатительной фабрики [11]. Другими авторами [13] испытывался металлотканевый фильтр при очистке запылённых газов, образующихся при сушке кипящего слоя.
Как показывают опыт эксплуатации, металлические сетки обладают в основном теми же достоинствами, что и металлокерамика, но имеют одно существенное преимущество – их собственное гидравлическое сопротивление значительно меньше. Это позволяет повысить скорость фильтрации, уменьшить габариты аппаратов. По сравнению с тканевыми фильтрами металлосетчатые фильтры имеют существенное преимущество: при сравнимой величине гидравлического сопротивления механическая прочность металлосетки и срок службы её значительно выше, чем обычных фильтрующих тканей, что также позволяет применять различные способы ее регенерации: метод «обратного шока», метод химического растворения осадка и вибрационно-ударный метод.
2.1.5 Фильтры тонкой очистки с фильтрующим материалом на основе стекловолокна
Надежную и высокоэффективную очистку воздуха и газов от мелкодисперсных твёрдых и жидких аэрозольных частиц обеспечивают фильтры ФАРТОС (фильтры аэрозольные регенерируемые тонкой очистки стекловолокнистые). Фильтры ФАРТОС предназначены для очистки в первую очередь технологических газов от взвешенных в них твёрдых мелкодисперсных аэрозольных частиц и туманов воды, масел, растворов солей, а также кислот, кроме плавиковой и концентрированной соляной.
Наличие стеклоткани, армирующей фильтрующий материал, и стальной сетки, стягивающей слой, позволяет осуществлять промывку фильтров и последующую их сушку [14].
Фильтры типа ФАС (фильтры аэрозольные самоочищающиеся) предназначены для очистки влажного воздуха, выбрасываемого из технологических аппаратов от жидких аэрозолей, представляющих собой туманы с концентрацией до 3 г/м3.
Фильтры могут быть использованы также для улавливания жидкой фазы туманов, полученных из различных солей растворов. Фильтры типа ФАС работают в режиме с принудительным отводом уловленной жидкости из фильтрующего слоя (режим самоочищения). Эти фильтры нельзя использовать для улавливания туманов плавиковой кислоты и её солей.
Фильтры типа ПФТС (промышленный фильтр тонкой очистки стекловолокнистый) предназначены для тонкой очистки воздуха от аэрозолей в режиме накопления уловленного продукта в фильтрующем слое. В отличие от фильтров ФАРТОС и ФАС при их эксплуатации недопустима конденсация паров на фильтрующем материале и заливания фильтров технологическими жидкостями.

- Разработка системы для формирования базы знаний о дисциплинах учебных планов
- Разработка системы защиты информации на рабочих станциях
- Разработка системы информационного обеспечения коммерческой деятельности предприятия
- Разработка системы контроля технического состояния колесно-моторного блока грузового электровоза ВЛ80С в депо Петров Вал
- Разработка системы лечебных мероприятий при диспепсии телят в условиях совхоза “Белое” Полоцкого района Витебской области
- Разработка системы мониторинга оценки бизнеса промышленного предприятия
- Разработка системы мотивации труда работников ЗАО «Курский завод «Аккумулятор»
- Разработка сервопривода руля высоты самолета
- Разработка серии модельных конструкций плаща детского
- Разработка систем релейной защиты и автоматики основных элементов АЭС
- Разработка систем управления качеством фирмы NUTECO. Методика разработки руководства по качеству
- Разработка системы KPI ООО «КраМЗ»
- Разработка системы автоматизации на базе ПО «Круг» и программируемых микроконтроллеров производства аккумуляторов
- Разработка системы автоматизированного управления дозатором технологических растворов