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 производства, образующиеся фильтраты, растворы и  пульпы, содержащие радионуклиды, сбрасываются, в основном, в открытые технологические водоемы. В связи с новым Российским законодательством в области обращения с радиоактивными отходами, перед ФГУП «ПО «Маяк» поставлена задача прекращения сбросов ЖРО в открытые водоёмы, поэтому остро встала проблема переработки образующихся в результате его деятельности жидких среднеактивных отходов, в том числе и сбросов завода 20.

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 технологии переработки жидких САО методом  СВЧ-нагрева на заводе 20.

1 Классификация РАО

1. 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 фильтрах  и тонковолокнистых тканях;

- 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  
(Т_1/2 ≤ 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 окружающей среды. Однако в силу ряда нетехнологических  причин (например, экономическая затратность) данные подходы распространены до сих пор.

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.