Разработка системы газоочистки для технологии переработки жидких САО методом СВЧ-нагрева

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 радиоактивными отходами, перед ФГУП «ПО «Маяк» поставлена задача прекращения сбросов ЖРО в открытые водоёмы. Поскольку мембранные методы переработки ЖРО еще малоизученны, а для применения сорбции необходимы значительные производственные площади и тщательный подбор сорбента для каждого типа ЖРО, наиболее перспективными для ФГУП «ПО «Маяк» являются термические методы переработки САО: упаривание, остекловывание и т.д.

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 переработки  жидких РАО обусловлено, прежде всего, особенностями СВЧ-нагрева.

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 следующее:

• 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 контейнере, предназначенном для хранения отвержденных отходов, имеет определенные конструктивные и технологические достоинства:

• 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 количеств  реальных САО. При условии применения метода СВЧ-нагрева в промышленных масштабах, возникает необходимость очистки отходящих газов от радионуклидов и ВХВ до уровней ПДК, а следовательно, разработки соответствующей системы газоочистки.

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 усложнению технологической схемы и увеличению затрат на ее монтаж [8]. Циклоны пылеуловители имеют следующие преимущества:

• 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 относятся  сравнительно большое потребление  электроэнергии, вызванное высоким гидравлическим сопротивлением; необходимость установки дополнительного оборудования; прокладка коммуникации для циркуляции орошающих растворов и их переработка[9].

2.1.3 Металлопористые  и металлокерамические  фильтры (МПФ, МКФ)

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 800^оС;
• 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.