СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ
METHOD FOR DRYING RADIOACTIVE ION EXCHANGE RESINS AND UNIT FOR DRYING RADIOACTIVE ION EXCHANGE RESINS

Группа изобретений относится к атомной энергетике, к технологии и оборудованию для обезвоживания отработанных радиоактивных ионообменных смол для их иммобилизации в монолитные структуры.
Из области техники известна установка для сушки радиоактивных ионообменных смол, включающая в себя термореактор, в виде цилиндрической емкости и герметично закрывающейся крышки, нагреватель, расположенный на наружной поверхности термореактора, конденсатор паров воды, соединенный магистралью с термореактором, конденсатоприемник, соединенный магистралью с конденсатором паров воды, вакуумный насос, вход которого соединен с конденсатоприемником, а выход - с магистралью для отвода воздуха, при этом термореактор включает в себя также мешалку, установленную на герметично закрывающейся крышке внутри термореактора и снабженную побудителем вращения, цилиндрическая емкость термореактора выполнена съемной, а нагреватель выполнен с возможностью разделения на две части и включает в себя нагревательный контур, заполненный хладагентом, и включает в себя теплообменник, соединенный с источником тепла, компрессор, конденсатор, редукционный клапан и инфракрасные нагреватели, причем конденсатор выполнен таким образом, что в собранном положении нагревателя он охватывает цилиндрическую емкость термореактора (см. патент на изобретение RU №2735858, кл. G21F 9/04, оп. в 2020 г.). Такая установка имеет достаточно сложную конструкцию, обеспечивающую не только нагрев ионообменных смол, но и разрежение в термореакторе. В промышленных условиях при наличии большого количества ИОС, требующих переработки, такая установка будет работать малоэффективно.
Известна установка для сушки отработанных ионообменных смол, содержащая герметичный цилиндрический корпус, в верхней части которого выполнен штуцер сдувки и патрубок для подачи отработанных ионообменных смол внутрь корпуса, а в нижней части выполнен патрубок для извлечения осушенных ионообменных смол, снабженный запорным устройством, внешний подогреватель корпуса, а также установленный соосно в корпусе с возможностью вращения приводной вал, оснащенный ворошителем, при этом ворошитель выполнен в виде жестко закрепленной на приводном валу якорной мешалки, лопасти которой по конфигурации повторяют внутреннюю поверхность нижней и боковой частей корпуса, и расположенных на приводном валу выше и ниже места крепления якорной мешалки верхней и нижней однонаправленных шнековых навивок, при этом нижняя часть приводного вала с нижней шнековой навивкой размещена соосно внутри патрубка для извлечения осушенных ионообменных смол, а патрубок для извлечения осушенных ионообменных смол снабжен приспособлением для слива воды (см. патент РФ №2707569, кл. G21F 9/28, оп. в 2019 г.). Конструкция известной установки предусматривает подачу в нее радиоактивных ионообменных смол в виде пульпы. Причем вначале сливают жидкость и самотеком отводят в спецканализацию, потом создают разрежение в камере сушки, а затем нагревают ИОС не выше 90°С, перемещая ИОС вверх с помощью шнековой навивки, установленной на вертикальном валу. Такой многоэтапный процесс в сушилке приводит к неоправданному увеличению периода сушки и, как следствие, к недостаточному качеству осушки ИОС.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ обработки отработанных ионообменных смол для последующего захоронения включает подачу смеси отработанных ионообменных смол с транспортной водой в загрузочный бак, отделение ионообменных смол от транспортной воды путем отстаивания смеси и слива транспортной воды из загрузочного бака, последующую дозированную подачу отделенных от транспортной воды ионообменных смол в сушильную камеру, вакуумную сушку с одновременным перемешиванием ионообменных смол в сушильной камере при температуре не более 90°С и выгрузку обработанной ионообменной смолы в транспортный контейнер, а также устройство для обработки отработанных ионообменных смол для захоронения, включающее загрузочный бак, соединенный с трубопроводом для подачи смеси отработанных ионообменных смол и транспортной воды и трубопроводом для слива транспортной воды, дозирующее устройство, соединенную с ним сушильную камеру, оснащенную ворошителями, наклонный подающий шнек, расположенный между загрузочным баком и дозирующим устройством, вакуумный насос, соединенный трубопроводом с сушильной камерой, установленный на трубопроводе между сушильной камерой и вакуумным насосом подогреваемый газовый фильтр, и узел стыковки для выгрузки обработанных ионообменных смол, при этом устройство дополнительно снабжено высокотемпературной печью с ворошителями, подающим устройством, расположенным между сушильной камерой и высокотемпературной печью, высокотемпературная печь снабжена системой вакуумной сушки и газоочистки, а узел стыковки для выгрузки ионообменных смол соединен с нижней частью высокотемпературной печи (см. патент РФ №2685697, кл. G21F 9/28, оп. в 2019 году). Известные способ и устройство предусматривает, что ионообменные смолы после завершения вакуумной сушки в сушильной камере подвергают дополнительной термической обработке в высокотемпературной печи при температуре 250-300°С при одновременном перемешивании ИОС.
Техническая проблема: радиоактивные ионообменные смолы нельзя нагревать свыше 90 градусов, т.к. начинается испарение смоломасляного пара и диоксидов. При дальнейшем нагреве до 300-400 гр. радиоактивные ионообменные смолы могут загореться.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности способа обезвоживания радиоактивных ионообменных смол (ИОС) и установки для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол, предназначенных для переработки большого количества радиоактивных отходов, повышения производительности и качества обработки ИОС.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в способе обезвоживания радиоактивных ионообменных смол, включающем подачу ионообменных радиоактивных смол с водой в приемный бак, предварительное обезвоживание ионообменных радиоактивных смол с их последующей сушкой и выгрузку осушенных ионообменных радиоактивных смол, в приемном баке ионообменные радиоактивные смолы с водой подвергают принудительному перемешиванию с помощью придонного бар вотирования до получения однородной пульпы, затем производят предварительное обезвоживание посредством закручивания пульпы радиоактивных ионообменных смол по часовой стрелке в сепараторе и разделения пульпы под действием силы тяжести, вибрации и угла наклона, при этом в процессе сушки при температуре, не превышающей 90°С, предварительно обезвоженные ионообменные радиоактивные смолы активно перемешивают с помощью винтового шнека с разнонаправленными криволинейными лопатками. В процессе предварительного обезвоживания осветленную воду направляют в емкость с придонным барботированием, после которой осветленную воду подвергают фильтрации.
А также тем, что в установке для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол, включающей приемный бак с трубопроводом подачи ионообменных радиоактивных смол и с трубопроводом подачи воды, связанный с камерой термической сушки, оснащенной механическим средством для перемешивания массы и связанной с механизмом иммобилизации осушенных ионообменных радиоактивных смол в контейнеры, приемный бак снабжен барботажным кольцом для формирования пульпы ионообменных радиоактивных смол, расположенным в нижней зоне бака и связанным с системой подачи сжатого воздуха, при этом установка снабжена сепаратором для предварительного обезвоживания пульпы ионообменных радиоактивных смол, связанным трубопроводом с приемным баком и расположенным над камерой термической сушки и снабженным сетчатым фильтром, а также пружинным механизмом, предназначенным для создания сложного колебательного движения сетчатого фильтра, причем механическое средство для перемешивания массы камеры термической сушки выполнено в виде винтового шнека с разнонаправленными криволинейными лопатками, расположенными симметрично относительно центральной вертикальной оси. Установка снабжена емкостью осветленной воды, связанной посредством трубопровода осветленной воды с сепаратором и оснащенной барботажным кольцом, расположенным в нижней зоне емкости и связанным с системой подачи сжатого воздуха. Емкость осветленной воды снабжена расположенным на выходе не менее, чем одним вихревым насосом и установленным перед ним механическим фильтром для исключения уноса остатков зерен ионообменной смолы и защиты вихревых насосов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена гидравлическая схема установки для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол. На фиг. 2 - камера термической сушки и сепаратор-обезвоживатель в сборе. На фиг. 3 - приемный бак, вертикальное сечение. На фиг. 4 - то же, вид сверху. На фиг. 5 - сепаратор-обезвоживатель, вид сверху в изометрии. На фиг. 6 - то же, вид снизу в изометрии. На фиг. 7 - то же, вертикальное сечение. На фиг. 8 изображена камера термической сушки, вертикальное сечение. На фиг. 9 - то же, вид сверху. На фиг. 10 изображена емкость для осветленной воды, вертикальное сечение. На фиг. 11 - то же, вид сверху.
В данное время насущной является проблема утилизации отработавших ионообменных смол (ОИОС) из фильтров систем спецводоочистки, являющихся после использования источником вторичного радиоактивного излучения. Вопрос обращения с ионообменными смолами является одним из наиболее актуальных, но в то же время неэффективно решаемых в атомной энергетике.
Сложность утилизации отработанных ИОС связана со следующими проблемами:
- при содержании воды свыше 50% отработавшие ионообменные смолы не подходят для непосредственной утилизации;
- в состав ИОС входят органические вещества, в связи с чем, возникает необходимость оценки технологии с точки зрения возгораемости, огнестойкости и газообразования, вызванного радиолитическим и химическим воздействиями;
- зачастую ИОС загрязнены маслами, блокирующими их зерно и препятствующими доступу дезактивирующих реагентов к функциональным группам смол, что также затрудняет их переработку.
Хранение отработавших ионообменных смол представляет собой большую проблему для атомных электростанций, поскольку с течением времени вследствие выделения тепла при распаде накопившихся радионуклидов они претерпевают химические изменения, такие, как деградация функциональных групп и матрицы.
Переработка ионообменных смол является наиболее сложной и дорогостоящей операцией по сравнению с другими видами переработки РАО. На сегодняшний день не существует готовых к тиражированию технологических установок для решения этой задачи.
Описанные в данном изобретении способ обезвоживания радиоактивных ионообменных смол и установка для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол направлены на решение вышеописанных задач. Они позволяют доступными средствами быстро и эффективно перерабатывать радиоактивные отходы в промышленных масштабах.
Установка для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол включает основные технологические узлы: приемный бак 1 (см. фиг. 1, 3 и 4), связанный с сепаратором 2 (см. фиг. 1, 2, 5, 6 и 7), предназначенным для обезвоживания ИОС перед сушкой. Сепаратор 2 предназначен для предварительного обезвоживания пульпы радиоактивных ионообменных смол, установлен над камерой 3 термической сушки и связан с нею посредством патрубка 4 для подачи обезвоженных ИОС в камеру 3 (см. фиг. 1. 2, 8 и 9). Камера 3 имеет разгрузочный люк 5 вывода обезвоженных ИОС в утилизационные контейнеры (на рисунке не показано). Сепаратор 2 оснащен патрубком 6 для отвода в емкость 7 осветленной воды. Емкость 7 показана на фиг. 1, 10 и 11.
Приемный бак 1, изображенный на фиг. 3 и 4, имеет барботажное кольцо 8, расположенное в нижней зоне бака 1 и связанное посредством трубопровода 9 и фланца 10 с трубопроводом 11 подачи сжатого воздуха, патрубок 12 и фланцем 13 для подачи отработанных ионообменных смол внутрь приемного бака 1, патрубок 14 с фланцем 15 для подачи химически обессоленной воды, а также патрубок 16 с фланцем 17 для слива отработанных ионообменных смол, расположенный в нижней части бака 1. Приемный бак 1 оснащен поплавковым датчиком 18 уровня и тензометрическим датчиком 19 для определения массы пульпы отработанных ИОС и технологическим люком 20. Установка для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол имеет систему автоматизации и контроля протекания технологических процессов, в том числе - поддержания уровня рабочего раствора в баке 1.
Патрубок 24 предназначен для подачи пульпы радиоактивных ионообменных смол, поступающей из бака 1, во внутреннюю полость сепаратора 2 (см. фиг. 5, 6 и 7), который оснащен сеточным фильтром 25. Фильтр 25 с размером ячеек, не превышающим 300 мкм, установлен подвижно с возможностью вибрации посредством пружинного механизма 26. Причем пружинный механизм 26 предназначен для создания сложного колебательного движения фильтра 25, обеспечивающего закручивание пульпы радиоактивных ионообменных смол по часовой стрелке для ее обезвоживая - отделения осветленной воды от пульпы ИОС в процессе ее тангенциально-спирального движения относительно фильтра 25. При этом под фильтром 25 установлен механизм с шариками 27, предназначенными для ударов по фильтру 25 снизу. Сепаратор 2 оснащен патрубком 6 для отвода в емкость 7 осветленной воды. Причем сепаратор 2 установлен над камерой 3 термической сушки таким образом, что патрубок 4 для подачи обезвоженных ИОС в камеру 3 находится непосредственно над входным патрубком 28 камеры 3.
Камера 3 термической сушки (см. фиг. 8 и 9) имеет металлический цилиндрический корпус 29 с рубашкой и снабжена приводом 30 с валом 31, на котором закреплен винтовой шнек 32 со специальным перемешивающим и транспортирующим устройством - криволинейными лопатками 33, расположенными симметрично относительно центральной вертикальной оси с возможностью транспортирования осушенных ИОС к центру корпуса 29, где размещен разгрузочный люк 5 осушенных ИОС для подачи в утилизационные контейнеры (на рисунке не показано). Криволинейные лопатки 33 на валу 31 установлены с возможностью изменения своего положения, причем привод 30 предназначен для изменения направления работы винтового шнека 32 и режимов его вращения. В зависимости от конструкции винтового шнека 32 выходной патрубок 5 может быть расположен в разных зонах камеры 3, например в торцевой зоне (на рисунке не показано). В нижней зоне рубашки цилиндрического корпуса 29 размещены нагревательные элементы 34. Камера 3 снабжена трубопроводом 35 теплого воздуха, который может быть расположен в полости между рубашкой и корпусом 29 для дополнительного прогрева с помощью нагревательных элементов 34. Камера 3 оснащена датчиками температуры, датчиками влажности и тензодатчиками уровня загрузки ИОС (на рисунке не показано).
Емкость 7 для осветленной воды посредством патрубка 38 с фланцем 39 связана трубопроводом 40 с патрубком 6 сепаратора 2. Емкость 7 оснащена барботажным кольцом 41, расположенным в ее нижней зоне и связанным посредством трубопровода 42 и фланца 43 с трубопроводом 44 подачи сжатого воздуха. В нижней части емкости 7 расположен патрубок 45 с фланцем 46 для слива осветленной воды в бак-отстойник либо в спецканализацию. Технологический люк 47 может быть установлен в боковой зоне емкости 7. Для контроля заполнения емкость 7 снабжена аналоговым датчиком 48 уровня и двумя дискретными датчиками 49 и 50 максимального и минимального уровня заполнения емкости 7. Регулирование уровня осветленной воды в емкости 7 происходит с помощью вихревых насосов 51 и 52 (один рабочий, один резервный), работающих на опорожнение приемной емкости осветленной воды. Перед вихревыми насосами 51 и 52 установлен механический фильтр 53 для исключения уноса остатков зерен ионообменной смолы и защиты вихревых насосов.
Способ обезвоживания радиоактивных ионообменных смол осуществляют следующим образом. Отработавшие радиоактивные ионообменные смолы подают через патрубок 12 и фланец 13 внутрь приемного бака 1. Через трубопровод 9 и фланец 10 с трубопроводом 11 подают сжатый воздух в барботажное кольцо 8, расположенное в нижней зоне бака 1 для придонного барботирования радиоактивных ионообменных смол. Через патрубок 14 с фланцем 15 в приемный бак 1 подают химически обессоленную воду, которая обеспечивает поддержание постоянной плотности в баке 1. Благодаря активному барботированию в баке 1 из смеси отработанных радиоактивных ионообменных смол и обессоленной воды формируется пульпа хорошо перемешанных ИОС, при этом смолы не налипают на стенки бака 1 и на все приборы, которые там находятся. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации бака 1 без очистки от налипших частиц ИОС. При этом подготовленная пульпа содержит частицы смолы (ИОС) в том состоянии и размерах, когда они максимально подходят для последующей фильтрации в сепараторе 2 на фильтре 25.
Приемный бак 1 оборудован системой автоматизации для поддержания уровня рабочего раствора с помощью электроприводной арматуры, установленной на трубопроводах подачи отработавшей ионообменной смолы и химически обессоленной воды. Приемный бак 1 оборудован дублирующим контролем уровня, сигнализацией верхнего, нижнего уровня заполнения и тензометрическими датчиками 19 для определения массы пульпы отработанных ИОС в приемном баке 1. Поэтому все процессы в баке 1 и во всей установке в целом автоматизированы. Из приемного бака 1 пульпу отработавших ИОС подают на сепаратор 2 для предварительного обезвоживания. В сепараторе 2 под действием силы тяжести и вибрации происходит разделение потоков на предварительно осушенные ИОС и осветленную воду. Сетка фильтра 25 сепаратора 2 имеет свойство вибрировать посредством пружинного механизма 26 и закручивать осадок по часовой стрелке, обезвоживая его и, тем самым, уплотняя осадок. Под действием силы тяжести, вибрации и угла наклона чистая вода сливается через установку в самотечном режиме. По сетке фильтра 25 бьют металлическими шариками 27 снизу, отбивая ИОС и не давая им прилипать к сетке, осветленная вода при этом легко отделяется. Таким образом, в короткие сроки происходит разделение пульпы ИОС на осветленную воду и предварительно обезвоженные ИОС. Подготовленные и почти обезвоженные ИОС высыпаются далее в камеру сушки с температурой 90°С, причем процесс окончательной сушки до нужной кондиции происходит довольно быстро. Такие способ и установка обеспечивают высокую производительность и простоту обслуживания при обязательной безопасности эксплуатации. Также в сепараторе 2 постоянно работает система прочистки сеток фильтра 25, предотвращая их засорение.
Осветленная вода из сепаратора 2 самотеком поступает в емкость 7 осветленной воды. Контроль заполнения емкости 7 осветленной воды осуществляют с помощью аналогового датчика 48 уровня и двух дискретных датчиков 49 и 50 максимального и минимального уровня заполнения. Уровень осветленной воды в емкости 7 регулируют с помощью вихревых насосов 51 или 52, предназначенных для опорожнения емкости 7.
Поскольку патрубок 4 сепаратора 2 для подачи обезвоженных ИОС в камеру 3 находится непосредственно над входным патрубком 27 камеры 3, то предварительно обезвоженные ИОС ссыпаются под действием силы тяжести в внутрь корпуса 29. Криволинейными лопатками 33, установленными на валу 31 винтового шнека 32, перемешивают ИОС, не давая им пригореть к стенкам корпуса 29. Скорость продвижения ИОС в камере 3 термической сушки регулируют изменением положения лопаток 33 во встречных направлениях. Для продувки внутреннего объема корпуса 29 камеры 3 и удаления паров во время сушки к камере 3 термической сушки ИОС подводят осушенный воздух с расходом до 100 л/мин. Перед подачей воздуха во внутренний объем корпуса 29 его нагревают, например с помощью трубопровода 35 теплого воздуха, который может быть расположен в полости между рубашкой и корпусом 29 для дополнительного прогрева с помощью нагревательных элементов 34. Систему подготовки осушенного воздуха для камеры 3 предпочтительно устанавливать отдельно в помещении со свободным доступом обслуживающего персонала.
Контроль температуры осуществляют с помощью накладных датчиков температуры внутренней стенки корпуса 29 камеры 3, установленных со стороны теплоизолирующей рубашки, и датчиком температуры воздуха внутри камеры. Контроль влажности ИОС в процессе сушки осуществляют влагомером сыпучих материалов, определяющим содержание свободной влаги в ИОС в процессе сушки. Контроль количества загруженных ИОС, а также вес конечного продукта, осуществляют тензодатчиками.
Поскольку в камере 3 термической сушки температура не превышает 90°С, то в корпусе 29 исключено испарение смоломасляного пара и диоксидов из радиоактивных ионообменных смол. И тем более исключено их возгорание. Процесс обезвоживания ИОС проводят эффективнее и быстрее, чем в вышеописанных аналогах, при этом конструкция камеры 3 термической сушки ИОС обеспечивает:
- возможность дезактивации наружных и внутренних поверхностей дезактивирующими растворами;
- возможность проведения эксплуатационных проверок (осмотра мест закрепления труб, внутреннего осмотра и осмотра поверхностей, контроля сварных швов), технического обслуживания и капитального ремонта с полной разборкой без применения сварки подводящих трубопроводов;
- безопасность обслуживающего персонала при монтаже, подготовке к эксплуатации, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте;
- проведение гидравлических испытаний;
- надежное крепление элементов конструкции, исключающее возможность возникновения повреждений при транспортировке и эксплуатации.
- непрерывный цикл эксплуатации с минимальной затратой времени на ремонт, плановое обслуживание и профилактические работы;
- предотвращение образования избыточного давления во внутренних полостях указанного оборудования с помощью предохранительного клапана-захлопки.
После достижения заданной влажности ИОС открывают шиберную задвижку с электроприводом, установленную на разгрузочном люке 5 и осушенные ИОС самотеком по трубопроводу ссыпаются в утилизационные контейнеры для последующей герметизации и их отправки на хранение.
Установку для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол можно использовать в промышленных масштабах непосредственно на атомных электростанциях и других атомных комплексах, использующих ионообменные смолы. Вышеописанный способ обезвоживания радиоактивных ионообменных смол не требует дополнительных химических препаратов, а также высоких температурных условий для обработки радиоактивных ионообменных смол. Использование при работе установки предварительно механически обезвоженных ИОС и дальнейшего досушивания в камере 3 термической сушки с винтовым шнеком 32 при температуре, не превышающей 90°С, дает возможность простыми средствами достичь высокой эффективности обезвоживания ИОС.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности способа обезвоживания радиоактивных ионообменных смол (ИОС) и установки для обезвоживания радиоактивных ионообменных смол, предназначенных для переработки большого количества радиоактивных отходов, повышении производительности и качества обработки ИОС.