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

В качестве фильтрующего материала  во всех указанных типах фильтров используются маты из ультратонкого  стекловолокна с диаметром 0,7 – 0,8 мкм [8].

2.1.6 Фильтры Петрянова

В качестве фильтров тонкой очистки в России широкое применение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. В качестве полимеров для ФП используются перхлорвинил (ФПП) и ацетилцеллюлоза (ФПА), возможно также применение полисульфона, полистирола и других полимеров. Фильтры Петрянова предназначены для очистки воздуха и других газов от твёрдых (сухих) аэрозольных частиц. Увлажнение их недопустимо по техническим условиям, так как во влажных средах материал фильтра намокает и резко теряет оптимальные значения фильтрующих свойств. Материал из перхлорвинила устойчив к кислотам, щелочам и растворам солей. Фильтры ФП на его основе работают при температурах до 60 С^о. Ацетатные волокна гидрофильны, недостаточно стойки к кислотам и щелочам, но термостойкость их достигает 150 С^о.

2.1.7 Фильтры на основе стеклобумаги

В настоящее время для очистки  вытяжного вентиляционного воздуха  и технологических сдувок в России широко используются фильтры ФП (типа ЛАИК). Однако ткань Петрянова на основе полимерных волокон и марлевая подложка, применяемые в данных фильтрах, являются горючими материалами, причем при возгорании образуются токсичные вещества. Высокое содержание хлора в ткани ФПП при ее переработке методом пиролиза с целью извлечения ценных компонентов (U, Pu) ведет к коррозии технологического оборудования и газоходов. К недостаткам ткани Петрянова относится также “стекание” электростатического заряда в процессе эксплуатации, что приводит к снижению коэффициента очистки.

В атомной промышленности за рубежом широко применяются фильтры типа НЕРА и ULPA на основе стеклобумаги из микротонкого волокна. Стекловолокнистые фильтры тонкой очистки воздуха пожаробезопасны, основное сырье - стекло является доступным материалом.

В связи с этим, в России, в  качестве альтернативы фильтрам ФП, разработаны пожаробезопасные фильтры типа ФТОВ-Бм  из стеклобумаги на основе микротонкого стекловолокна. Фильтры герметично смонтированы в корпусах фильтров Петрянова, что позволяет устанавливать их в действующих вентиляционных системах без дополнительных монтажных работ. В случае проектирования нового производства возможно использование  стеклобумажных модулей в металлических корпусах типа диффузор – конфузор. Это позволит применить стеклобумажные модули соответствующего размера и класса очистки.

Производственные испытания в  условиях радиохимического завода ФГУП "ПО "Маяк" (комплекс РТ) показали, что фильтры ФТОВ-Бм по техническим  параметрам не уступают штатным фильтрам ФП, обеспечивая на выходе объемную активность бета-излучающих аэрозолей ниже ДОА по НРБ-99 [13].

Использование в фильтре только одного материала (стекловолокна), позволит легко утилизировать фильтры  путем прессования или сплавления.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В литературном обзоре были рассмотрены  газоочистные аппараты, которые возможно использовать, в качестве первой ступени для очистки газов высокотемпературных процессов.

Например, применение циклона наиболее эффективно при высоких скоростях  очищаемого потока и больших концентрациях  пыли. Эти требования при очистке газа от установки СВЧ не соблюдаются, поэтому высокий коэффициент очистки при использовании циклона получить не удастся. Следовательно, в данных условиях использование циклона не целесообразно.

Основными недостатками использования  на первой ступени очистки скруббера является то, что он имеет высокое аэродинамическое сопротивление. Кроме того, при его работе образуются дополнительно жидкие отходы.

В случае использования металлопористых  или металлокерамических фильтров основными недостатками являются также высокое аэродинамическое сопротивление и сложность их регенерации  из-за накопления радионуклидов в порах этих фильтров.

Таким образом, наиболее предпочтительным аппаратом для первой ступени  газоочистки установки СВЧ нагрева  является металлотканевый фильтр.

При пропускании запылённого газового потока через металлосетку в порах (каналах между отдельными нитями) и на поверхности осаждается пыль. В подавляющем большинстве случаев  размеры осаждаемых частиц во много  раз меньше размера пор сетки. В этом случае основную роль при осаждении играет в первоначальный момент столкновение частиц пыли со стенками нитей при прохождении газа через сетку. Достигнув поверхности нити, частицы пыли могут остаться на ней, но при определённых условиях могут быть сорваны газовым потоком и унесены им вторично. Поры между нитями сетки постепенно заполняются со стороны входа запылённых газов осаждёнными частицами пыли, сцепляющимися одна с другой и образующими в порах сетки “вторичную” пористую перегородку, участвующую, в свою очередь, в процессе улавливания пыли из газов. Даже относительно большие расстояния между нитями сетки могут быть заполнены весьма прочными мостками (сводами) из осаждаемых частиц пыли.

Осадок из частиц пыли обладает иными  свойствами, чем собственно фильтровальная сетка, так как он имеет меньшие по размерам поры и составлен из твердых частиц малого размера. Эти свойства “вторичной” пористой перегородки, во-первых, обеспечивают при достаточной её  толщине почти полное улавливание новых частиц, поступающих с газовым потоком, и, во-вторых, является причиной роста гидравлического сопротивления.

Таким образом, в результате осаждения  частиц пыли в порах и на поверхности  металлосетки образуется фильтрующая  перегородка, состоящая из собственно сетки и пыли, осевшей  в порах и на поверхности. По мере роста сопротивления уменьшается пропускная способность сетки, поэтому периодически удаляют осадок, снижая при этом сопротивление (регенерация).

В настоящее время известно три  метода регенерации фильтров:

• метод химического растворения осадка
• метод «обратного шока»
• вибрационно-ударный метод

Первый метод пригоден в том  случае, если уловленный осадок растворим. При этом образуются дополнительные жидкие отходы.

При использовании метода «обратного шока» в камере фильтра во время регенерации уловленный осадок частично осыпается в бункер, а часть витающая в воздухе камеры фильтра при его включении, снова улавливается фильтром.

Третий метод, где фильтрующий  элемент встряхивается с помощью  электромагнитного ударного устройства и осадок за счёт сил инерции отделяется от металоткани и собирается в пылесборнике.

Таким образом, при использовании  в системе газоочистки установки  СВЧ, фильтре МТФ, лучшим методом  его регенерации является вибрационно-ударный.

Во в ВНИИНМ разработана техническая  документация и рабочие чертежи  металлотканевого фильтра БАРК в  котором применён такой метод  регенерации.

3.1 Исходные данные для разработки системы газоочистки

Основанием для выбора системы  газоочистки послужили результаты опытных операций на узле СВЧ – сушки по переработке концентрата вод спецканализации.

Ниже приведен состав перерабатываемый на СВЧ – установке:

Плотность - 1,03г/см²

Кислотность – 9,0 рН

Содержание твердой фазы – 14,73г/л

Содержание растворимых солей  – 2,68 г/л

Суммарная альфа-активность – 2,8∙10⁵ Бк/л

Эффективность системы газоочистки  рассчитывалась для установки с  расходом концентрата 15л/ч и величине уноса альфа активных аэрозолей на уровне 1% от загрузки продукта.

Расход отходящего газа составлял 60м³/ч, с температурой 400^оС. Унос водной фазы составлял 900 мл на 1000 мл исходного раствора. Унос твёрдой фазы при прокалке от 150 до 900^оС составлял 0,4% от содержания твердой фазы.

Состав газовой фазы с узла СВЧ-сушки  при упаривании исходного раствора представлен в таблице 1, а при разложении осадков – в таблице 2.

Таблица 1 – Состав газовой фазы с узла СВЧ-сушки при упаривании и сушке концентрата ВСК

Объемная доля в процентах
O2	N2	H2	CH4	CO	CO2	NO	NO2
20,5	78,0	0,02	< 0,02	< 0,05	0,13	< 0,02	< 0,02

 

Таблица 2– Состав газовой фазы при разложении осадков

Объемная доля в процентах
Номер  опыта	Диапазон, °С	O2	N2	H2	CH4	CO	CO2	N2O	NO2	SO2
1	20–200	20,9	77,69	<0,01	<0,02	<0,05	0,13	<0,05	0,4	0,04
	200–300	20,8	77,14	<0,01	<0,02	<0,05	0,26	<0,05	1,1	0,02
	300–520	7,0	58,69	>1,0	3,16	0,58	11,70	1,15	4,1	0,03
	520–850	12,2	55,79	>1,0	6,94	2,15	9,18	0,78	2,3	0,02
2	20-900	7,42	43,67	>1,0	6,36	4,43	10,60	1,21	3,6	0,03

3.2 Расчёт эффективности системы  газоочистки от альфа-активных  аэрозолей

На основании исходных данных при работе установки СВЧ-сушки с расходом исходного раствора 15 л/ч и уносе альфа-активных аэрозолей 1% количество жидкой фазы унесённой с отходящими газами составит 0,15л/ч.

 При активности исходного  раствора 3∙10⁵Бк/л. Активность унесённого раствора составит величину 4,5∙10⁴Бк. Исходя из того что расход отходящего газа составляет 60 м³/ч – концентрация альфа-активных аэрозолей на входе в систему газоочистки будет равна 7,5∙10²Бк/м³. Если ДОА для альфа-активных аэрозолей (Pu-239) равна 2,5∙10^-3 Бк/м³, то суммарный коэффициент очистки должен быть не менее 3∙10⁵.

где К_ОЧ – коэффициент очистки;

С_ДО – концентрация до очистки;

С_ПОСЛЕ - концентрация после очистки.

 

где – эффективность очистки.

3.3 Расчёт концентрации твёрдой фазы, уносимой из системы газоочистки

При производительности СВЧ-установки (Q_Ж.Ф.=15л/ч) жидкой фазы, концентрация твёрдой фазы в исходном растворе составляла (C_ТВ.Ф.= 15г/л). Расход отходящего газа составлял 60м³/ч. Унос твёрдой фазы на опытной установки при переработке исходного раствора составил 0,4%.

Из исходных данных определяем количество твёрдой фазы (P) в растворе перерабатываемом установкой за 1 час:

P=Q_Ж.Ф.∙С_ТВ.Ф.=15л/ч∙15г/л=225г/ч

При уносе 0,4% на систему газоочистки  за час унесётся 9 г твёрдой фазы:

225г – 100%

   X – 0,4%

Таким образом концентрация твёрдой  фазы(С) составляет: 9г/ч – 60м³/ч

C – 1м³

 

3.4 Принципиальная схема 

На основании литературных данных была выбрана принципиальная схема  очистки газов при утилизации растворов САО методом СВЧ-нагрева (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы газоочистки

 

Эта схема предназначена для очистки отходящих газов с установки СВЧ-сушки, которая состоит из ряда газоочистных аппаратов: металлотканевого фильтра, барботера-холодильника, стеклобумажного фильтра тонкой очистки и эжектора. Каждый из аппаратов несет свою функцию. Для улавливания твердой фазы на первой ступени очистки выбран металлотканевый фильтр. Далее газ поступает в барботёр-холодильник, где он подвергается охлаждению и происходит конденсация влаги. Одновременно с этим при барботаже газа происходит улавливание NO₂. В качестве фильтров тонкой очистки был предложен стеклобумажный фильтр, с помощью которого возможна очистка воздуха от аэрозольных частиц. Использование модулей соответствующего класса позволит очищать отходящий воздух от радионуклидов ниже ДОА. Эжектор (побудитель расхода) предназначен для создания разрежения в системе.

3.5 Конструкция и техническая характеристика фильтра БАРК

В приложении В изображен общий вид фильтра БАРК. Корпус 1 этого фильтра закреплён на пакете фильтрующих элементов 2. Пакет фильтрующих элементов включает в себя разделительные рамки 3 с отверстиями для входа газа и плоские фильтрующие элементы 4, имеющие открытые основания для входа очищенного газа. В элементах фильтрующий материал 5 принудительно натянут на рамки – сепараторы. Фильтрующие элементы, разделительные рамки и корпус жестко соединены между собой по боковым граням. Пакет фильтрующих элементов через коллектор 6 соединён последовательно с сильфонами 7, один из которых разделяет зоны очищенного и запылённого газа, а другой отделяет зону очищенного газа от атмосферы. Кроме того, пакет фильтрующих элементов посредством штока 8 присоединён к электромагнитному устройству 9. Вывод очищенного газа в выходной патрубок 10 производится через окна трубы, соединяющей между собой сильфоны. Для компенсации веса пакета фильтрующих элементов с целью загрузки сильфонов в узле регенерации фильтра установлена пружина 12. Для регенерации фильтра БАРК использовалось ударное устройство изображенное на рисунке 3.