Установка для комплексной переработки жидких радиоактивных отходов
INSTALLATION FOR COMPLEX PROCESSING OF LIQUID RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к атомной экологии, и может быть использовано при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при эксплуатации различных атомно-энергетических установок (АЭУ) на АЭС, транспортных средствах (атомных ледоколах, подводных лодках (АПЛ), плавучих АЭС).
Известна установка для комплексной переработки жидких радиоактивных отходов, содержащая последовательно расположенные и соединенные между собой приемные емкости, блоки предочистки (обессоливания и концентрирования), колонны сорбционной доочистки фильтрата и блок утилизации отработанных сорбентов и солей, снабженный защитным контейнером для хранения твердых радиоактивных отходов (ТРО) (см. Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. М.: Атомиздат, 1985, с.15 – 260).
ЖРО в данной установке последовательно подвергают следующим стадиям обработки, которую осуществляют в комбинированном устройстве, состоящем из двух отдельных установок (установки по очистке ЖРО и установки цементирования отработанных сорбентов, рассолов и пульп): предочистке с помощью блоков фильтрации, микрофильтрации или ультрафильтрации; обессоливания и первичного концентрирования с помощью блоков выпарки, обратного осмоса, электродиализа, или их комбинации; концентрирования с получением солей с помощью блоков выпарки досуха; доочистки с помощью сорбционного блока; утилизации отработанных сорбентов, солей и пульп с помощью установки цементирования с получением в качестве захораниваемого ТРО цементного продукта.
Недостатком известной установки является ее сложность и большое количество образующихся при эксплуатации ТРО.
Известна также установка для переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащая соединенные трубопроводами с запорными и регулирующими клапанами в соответствии с последовательностью осуществления технологического процесса, узлы предочистки ЖРО и сорбционной доочистки фильтрата, сообщенный с накопителем очищенной жидкости, узел утилизации отработанных сорбентов, снабженный защитным контейнером для хранения твердых радиоактивных отходов (см. RU №2101235, C02F9/00, B01J20/02, G21F9/12, 1998).
Недостатком известного устройства является конструктивная сложность и необходимость использования в процессе переработки жидких радиоактивных отходов нескольких типов сорбентов.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в упрощении конструкции установки и обеспечении использования в процессе переработки жидких радиоактивных отходов одного типа сорбента.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в упрощении конструкции установки и обеспечении использования в процессе переработки жидких радиоактивных отходов одного типа сорбента - неорганического сорбента – слоя ферроцианида никеля, сформированного на поверхности пористого неорганического носителя.
Для решения поставленной задачи установка для комплексной переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащая соединенные трубопроводами с запорными и регулирующими клапанами в соответствии с последовательностью осуществления технологического процесса, узел предочистки ЖРО и узел сорбционной доочистки фильтрата, сообщенный с накопителем очищенной жидкости, узел утилизации отработанных сорбентов, снабженный защитным контейнером для хранения твердых радиоактивных отходов, отличается тем, что узел предочистки ЖРО содержит снабженную мешалкой цилиндрическую герметичную емкость с плоским дном, соосно с которой установлена отводящая труба, жестко закрепленная на верхней стенке, выступающая над ней и имеющая зазор с дном, при этом в полости емкости, со смещением к ее стенке, размещен с зазором с дном и герметично связан с верхней стенкой емкости вертикальный трубчатый корпус съемного мешочного фильтра, снабженный шиберной заслонкой на уровне верхней стенки, причем мешалка содержит трубчатый вал, с которым скреплены два яруса горизонтальных лопастей, нижний из которых размещен с зазором 2-5 см над дном, а концы его лопастей составляют 1,5-3 см со стенками емкости, кроме того, лопасти верхнего яруса выполнены меньше на величину зазора, чем расстояние от вала мешалки до корпуса фильтра, при этом трубчатый вал с возможностью вращения надет на отводящую трубу, его верхняя часть снабжена зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с зубчатым колесом, закрепленным на герметично пропущенном через верхнюю стенку емкости валу двигателя, жестко и съемно зафиксированного на ней, кроме того, верхняя стенка емкости снабжена патрубками для подвода ЖРО, воды возвратной, воды промывочной и ферроцианида никеля, отвода сдувок радиоактивных, и загрузочным люком, при этом вертикальный трубчатый корпус съемного мешочного фильтра узла предочистки ЖРО сообщен с накопительной емкостью для отбора надосадочной жидкости, которая запорными и регулирующим клапанами сообщена со входом узла сорбционной доочистки фильтрата. Кроме того, цилиндрическая герметичная емкость снабжена переливным патрубком, размещенным у ее верхней кромки, сообщенным с емкостью перелива, и сливным патрубком, размещенным у ее дна. Кроме того, загрузочный люк выполнен в виде цилиндрической обечайки, съемно и герметично скрепленной с верхней стенкой цилиндрической герметичной емкости, снабженной съемной герметичной крышкой, и подвижным дном, выполненным в виде обращенного вверх конуса, с возможностью регулирования зазора между дном и крышкой. Кроме того, фильтры сорбционной доочистки размещены в контейнерах, предпочтительно 200-литровых металлических бочках, при этом размер корпуса фильтра сорбционной доочистки определяется толщиной слоя биологической защиты, выполняемой вокруг корпуса фильтра. Кроме того, защитный контейнер для хранения твердых радиоактивных отходов выполнен с возможностью вертикального размещения в нем мешочных фильтров.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивает решение задачи изобретения, при этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «узел предочистки ЖРО содержит снабженную мешалкой цилиндрическую герметичную емкость с плоским дном, соосно с которой установлена отводящая труба, жестко закрепленная на верхней стенке» плоское дно обеспечивает эффективное воздействие нижних лопастей мешалки на нижние слои материала в емкости, при этом обеспечена опора вала мешалки и возможность отвода материала из емкости.
Признаки, указывающие, что «отводящая труба выступает над верхней стенкой и имеет зазор с дном», обеспечивают отбор материала из емкости и его передачу по назначению.
Признаки, указывающие, что «в полости емкости, со смещением к ее стенке, размещен с зазором с дном и герметично связан с верхней стенкой емкости, вертикальный трубчатый корпус съемного мешочного фильтра», обеспечивают возможность выгрузки надосадочной воды и выгрузку отработанного сорбента.
Признаки, указывающие, что «корпус съемного мешочного фильтра, снабженный шиберной заслонкой на уровне верхней стенки», исключают «прорыв» радиации при выгрузке мешочного фильтра.
Признаки, указывающие, что «мешалка содержит трубчатый вал, с которым скреплены два яруса горизонтальных лопастей, нижний из которых размещен с зазором 2-5 см над дном, а концы его лопастей составляют 1,5-3 см со стенками емкости, кроме того, лопасти верхнего яруса выполнены меньше на величину зазора, чем расстояние от вала мешалки до корпуса фильтра, при этом трубчатый вал с возможностью вращения надет на отводящую трубу, его верхняя часть снабжена зубчатым колесом», обеспечивают перемешивание материала, загруженного в емкость, особенно эффективное в зоне осаждения сорбента, и передачу вращения на мешалку от привода.
Признаки, указывающие, что вал мешалки снабжен «зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с зубчатым колесом, закрепленным на герметично пропущенном через верхнюю стенку емкости валу двигателя», обеспечивают передачу вращения мешалке.
Признаки, указывающие, что «двигатель жестко и съемно зафиксирован на верхней стенке емкости», обеспечивают работоспособность привода вращения.
Признаки, указывающие, что «верхняя стенка емкости снабжена патрубками для подвода ЖРО, воды возвратной, воды промывочной и ферроцианида никеля, отвода сдувок радиоактивных и загрузочным люком», обеспечивают заданное технологическое «коммутирование» емкости с другими узлами и элементами установки.
Признаки, указывающие, что «вертикальный трубчатый корпус съемного мешочного фильтра узла предочистки ЖРО сообщен с накопительной емкостью для отбора надосадочной жидкости», обеспечивают сохранение стабильного режима работы узла сорбционной доочистки фильтрата и уменьшают продолжительность цикла работы узла предварительной очистки ЖРО.
Признаки, указывающие, что емкость для отбора надосадочной жидкости «запорными и регулирующим клапанами сообщена со входом узла сорбционной доочистки фильтрата», обеспечивают непрерывную подпитку этого узла и возможность его непрерывной работы.
Признаки второго пункта формулы обеспечивают стабильность уровня жидкости в емкости и возможность ее полной зачистки.
Признаки третьего пункта формулы обеспечивают возможность регулируемого режима загрузки емкости сорбентом.
Признаки четвертого пункта формулы обеспечивают возможность безопасного «захоронения» отработанного сорбционного фильтра с минимумом операций.
Признаки четвертого пункта формулы обеспечивают возможность безопасного и компактного «захоронения» мешочных фильтров с их содержимым.
На фиг.1 показана схема установки; на фиг. 2-8 показаны схемы переключения запорных и регулирующих клапанов, на разных фазах работы установки, на фиг. 2 - в фазе ее заполнения ЖРО; на фиг. 3 - в фазе перемешивания; на фиг. 4 - в фазе отбора надосадочной жидкости, на фиг. 5 - в фазе отбора пульпы сорбента; на фиг. 6 - в фазе осушения емкости; на фиг. 7 - в фазе продувки фильтра с сорбционной засыпкой; на фиг. 8 - схематически показан узел предочистки ЖРО; на фиг. 9 – его вид сверху; на фиг.10 показан разрез загрузочного люка.
3
3
3
3
3
На чертежах показаны насос дозирующий 1 (импеллерный, марки Liverani Mini 0,37 квт, подача 1000 л/ч), емкость 2 для сбора надосадочной жидкости (объем 0,2 м), емкость 3 для сбора фильтрата (объем 0,2 м), узел предочистки ЖРО 4 (объем 0,3 м), дозатор реагентов 5 DST-60 (объем 0,06 м), узел сорбционной доочистки, содержащий каскад фильтров сорбционных 6, установленных последовательно, емкость 7 для контроля наполнения емкости узла предочистки ЖРО 4 – емкость перелива (объем 0,2 м), датчик уровня 8, клапан регулирующий 9 (обратный), клапаны запорные 10 (с ручным приводом), датчик давления 11 на выходе насоса дозирующего 1, датчики перепада давления 12. Кроме того, на чертежах показаны узел утилизации отработанных сорбентов 13 и конструктивные элементы узла предочистки ЖРО 4: цилиндрическая герметичная емкость 14, с плоским дном 15 и верхней стенкой 16, мешалка 17, отводящая труба 18, корпус съемного мешочного фильтра 19, с шиберной заслонкой, первый 20 и второй 21 ярусы горизонтальных лопастей, зубчатое колесо 22 мешалки 17, зубчатое колесо 23, вал 24 двигателя 25, патрубки для подвода ЖРО 26, воды возвратной 27, воды промывочной 28 и ферроцианида никеля 29, патрубок отвода сдувок радиоактивных 30, загрузочный люк 31(выполнен в виде вертикальной трубы, закрытой снизу конусным затвором (подвижным дном) с наклоном, большим угла естественного откоса гранулированного сорбента (порядка 30°), и зазором между трубой и затвором, обеспечивающим относительно медленное высыпание сорбента, определяемым в зависимости от гранулометрического состава сорбента опытным путём). Кроме того, показаны, переливной патрубок 32, сливной патрубок 33, съемная герметичная крышка 34 и подвижное дно 35 загрузочного люка 31.
Установка для комплексной переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) содержит соединенные трубопроводами с запорными 10 и регулирующими 9 клапанами в соответствии с последовательностью осуществления технологического процесса узел предочистки ЖРО 4 и узел сорбционной доочистки фильтрата, содержащий каскад фильтров сорбционных 6, установленных последовательно. Узел сорбционной доочистки фильтрата сообщен с накопителем очищенной жидкости (емкостью 3 для сбора фильтрата), узел утилизации отработанных сорбентов 13, снабженный защитным контейнером для хранения твердых радиоактивных отходов.
При этом узел предочистки ЖРО 4 содержит снабженную мешалкой 17 цилиндрическую герметичную емкость 14 с плоским дном 15, соосно с которой установлена отводящая труба 18, жестко закрепленная на верхней стенке 16, выступающая над ней, и имеющая зазор с дном 15.
Причем в полости емкости 14, со смещением к ее вертикальной стенке, размещен с зазором с дном 15 и герметично связан с верхней стенкой 16 емкости, вертикальный трубчатый корпус для размещения съемного мешочного фильтра 19, снабженный шиберной заслонкой на уровне верхней стенки 16. Размеры мешочного фильтра 19 выбираются из условия наибольшего размещения заполненных фильтров в контейнере защитном. Исходя из внутреннего размера двухсотлитровой бочки 560 мм минус 2х150 (толщина защиты), получается 260 мм. Т.к. мешочные фильтры без зазора установить невозможно, принимаем диаметр мешка фильтра 83 мм (фланец для крепления 90 мм). В этом случае в контейнер помещается 7 шт. фильтров. Длина фильтра определяется из высоты бочки: 860 мм минус двойная толщина защиты 2х150, получается 560 мм. Таким образом, объём заполненного фильтра составляет 3 л. Фильтр изготавливается из фильтровальной ткани для смазочно-охлаждающей жидкости (полипропилен, полиэстер, вискоза), имеющей размеры ячейки от 10 до 50 мк. Фильтр крепится на стальном диске стягиванием продетого в него шнура. Диск скреплен со штуцером фильтра и опорным фланцем с помощью гайки, которая обеспечивает крепление съёмника.
Съёмник представляет собой две гильзы, в одной из которых расположены 4 шарика, а вторая имеет пазы. При повороте наружной гильзы осуществляется закрепление или сброс фильтра. Ручки, на полых штангах, к которым приварены гильзы, устанавливаются с возможностью осуществления процесса крепления и сброса фильтра. Возврат гильз производится пружиной, при сдёргивании фиксатора с одной из ручек. Гильзы помещены в стальную толстостенную трубу, являющуюся биологической защитой от радиации. Труба имеет снизу поворотный шибер, закрывающий её снизу при помещённом в нее фильтре. При загрузке съёмника и сбросе фильтра шибер открывается вручную.
Мешалка 17 содержит трубчатый вал, с которым скреплены первый 20 и второй 21 ярусы горизонтальных лопастей, нижний 20 из которых размещен с зазором 2-5 см над дном, а концы его лопастей составляют 1,5-3 см с вертикальными стенками емкости 14, кроме того, лопасти верхнего яруса 21 выполнены меньше на величину зазора, чем расстояние от вала мешалки до корпуса мешочного фильтра 19.
Трубчатый вал мешалки 17 с возможностью вращения надет на отводящую трубу 18, его верхняя часть снабжена зубчатым колесом 22, находящимся в зацеплении с зубчатым колесом 23, закрепленным на герметично пропущенном через верхнюю стенку 16 емкости 4 валу 24 двигателя 25, жестко и съемно зафиксированного на ней.
Верхняя стенка 16 емкости снабжена патрубками для подвода ЖРО 26, воды возвратной 27, воды промывочной 28 и ферроцианида никеля 29, отвода сдувок радиоактивных 30 загрузочным люком 31.
При этом вертикальный трубчатый корпус съемного мешочного фильтра 19 узла предочистки ЖРО сообщен с накопительной емкостью 2 для отбора надосадочной жидкости, которая запорными 10 и регулирующим 9 клапанами сообщена со входом узла сорбционной доочистки фильтрата.
Цилиндрическая герметичная емкость 14 снабжена переливным патрубком 32, размещенным у ее верхней кромки, сообщенным с емкостью перелива 7, и сливным патрубком 33, размещенным у ее дна. Загрузочный люк 31 выполнен в виде цилиндрической обечайки, съемно и герметично скрепленной с верхней стенкой 16 цилиндрической герметичной емкости 14, при этом обечайка снабжена съемной герметичной крышкой 34 и подвижным дном 35, выполненным в виде обращенного вверх конуса, с возможностью регулирования зазора между дном 35 и крышкой 34, обеспечивающего проход реагента.
Фильтры 6 сорбционной доочистки размещены в контейнерах, предпочтительно 200-литровых металлических бочках, при этом размер корпуса фильтра сорбционной доочистки 6 определяется толщиной слоя биологической защиты, выполняемой вокруг корпуса фильтра.
Защитный контейнер для хранения твердых радиоактивных отходов, узла утилизации отработанных сорбентов 13 выполнен с возможностью вертикального размещения в нем мешочных фильтров.
Сорбентом, используемым в заявленной установке, является ферроцианид никеля на алюмосиликатной основе, представляющий собой гранулы величиной от 50 мк до 2 мм, на поверхность которых нанесен ферроцианид никеля. Сорбент является комплексным соединением, и при нагреве или жёстком механическом воздействии может распадаться и преобразовываться в цианид, а в контакте с водой может образовываться синильная кислота. Данные соединения являются ядом. Поэтому отбор необходимого количества сорбента из его упаковки необходимо производить без образования пыли, при этом персонал должен быть одет в средства индивидуальной защиты (перчатки, респиратор, прорезиненная или импрегнированная одежда, резиновая обувь). После работы с сорбентом необходимо провести влажную уборку помещения и санитарную обработку лица и рук.
Работа установки включает семь последовательных фаз, каждая изображена схематично на фиг.2-7, где направление потоков показано стрелками, а положение клапанов обозначено буквами О - открыт, З - закрыт.
1 фаза работы установки – ее заполнение ЖРО. Заполнение производят насосом, входящим в комплект установки. После заполнения (по уровнемеру) определяют истинное количество залитых ЖРО, откуда определяют необходимое количество сорбента, количество дополнительных веществ, необходимых для поддержания рН и коагуляции раствора. Необходимые жидкие вещества подаются с помощью дозатора АМ05 (дозирующая станция типа DST 60), производительностью до 12 л/час и объёмом ёмкости 60 л. Сорбент в необходимом количестве взвешивается на весах. После взвешивания сорбент засыпается через загрузочный люк 31 с регулированием зазора между дном 35 и крышкой 34, обеспечивающего проход реагента с необходимой скоростью загрузки.
2 фаза работы установки - перемешивание. Перемешивание происходит при работающей мешалке 17 (вращение может происходить в любую сторону) в течение не менее 4 часов. Одновременно с работой мешалки, производится циркуляция ЖРО с помощью насоса дозирующего 1, включенного на максимальную производительность. В процессе перемешивания раствор ЖРО с сорбентом отсасывается из отводящей трубы 18 ёмкости 14 и подаётся в концентричную ей трубу, являющуюся осью для мешалки 17.
3 фаза работы установки - отстаивание. Выключается подача раствора насосом 1 и вращением мешалки 17. Отстаивание производится в течение 20-24 часов, чтобы осели самые мелкие частицы сорбента.
4 фаза работы установки – отбор надосадочной жидкости. После отстаивания, когда раствор разделится по высоте на чистую жидкость (фильтрат) и пульпу, содержащую загрязнённый сорбент, производится отбор фильтрата. Во избежание попадания в фильтрат частиц сорбента, отбор производится засасыванием фильтрата через мешочный фильтр 19. При этом частицы сорбента остаются снаружи фильтра.
5 фаза работы установки – отбор пульпы сорбента.
3
3
В этой фазе отсос пульпы производится через отводящую трубу 18, насосом 1, при вращающейся мешалке 17, пульпа возвращается в установку через мешочный фильтр 19, изнутри. При этом твёрдые частицы сорбента остаются внутри фильтра, а частицы, которые были снаружи при отборе надосадочной жидкости, возвращаются в установку. Заполнение мешочного фильтра 19 определяется опытным путем. При полном заполнении мешочного фильтра установка останавливается. Со штуцера мешочного фильтра снимается шланг (на чертежах не показаны). Снимаются три прижимных планки, прижимающие фильтр (на чертежах не показаны) к верхней стенке 16 установки. На фильтр с помощью перегрузочного устройства устанавливается специальный съёмник с биологической защитой (на чертежах не показаны). Фильтр поворотом ручки закрепляется на съёмнике (ручку необходимо зафиксировать) и совместно со съёмником извлекается из установки. Для предотвращения «прострела» радиации через нижнее отверстие защиты, последнее закрывается шибером. Далее фильтр переносится в отделение, где расположен защитный контейнер, конструктивно подобный защитному контейнеру узла утилизации отработанных сорбентов 13, для дальнейшего хранения и изучения (выполнен в виде 200-литровой бочки, залитой бетоном плотностью не менее 2300кг/м концентрично стенкам бочки). Толщина бетонной защиты не менее 150 мм. Фильтр помещается в контейнер. После полного заполнения контейнера фильтрами он заливается цементным раствором плотностью не менее 2300кг/мполностью до верхнего края контейнера (бочки). На контейнер надевается съёмная крышка, закрепляется и пломбируется. Наносятся необходимые надписи, и контейнер отправляется на хранение согласно установленному на предприятии порядку. В установку тем временем помещается и крепится новый фильтр 19.
6 фаза работы установки - осушение цилиндрической герметичной емкости 14 узла предочистки ЖРО 4. Отбор остатков ЖРО производят через трубу, концентричную отводящей трубе 18. Пульпа прокачивается насосом через узел сорбционной доочистки фильтрата (через его каскад фильтров сорбционных 6) в емкость 3 до полного осушения герметичной емкости 14 (контроль производится с помощью уровнемера).
7 фаза работы установки - продувка фильтра с сорбционной засыпкой. При этом закрываются все клапана установки, и сжатый воздух подается только в каскад фильтров сорбционных 6, при этом оставшаяся в них жидкость выливается в емкость 3.
После удаления пульпы установка подвергается промывке и осушению. С помощью насоса чистая возвратная вода прокачивается через установку. Вода после промывки установки направляется через стационарные фильтры в емкости АМ-11.
Далее описанный цикл работы повторяется.