УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Устройство для остекловывания жидких радиоактивных отходов
Заявляемая полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для обезвреживания жидких радиоактивных отходов (ЖРО) путем их фиксации в стеклоподобные матрицы.
Известны устройства, в которых осуществляют процессы остекловывания ЖРО в одну или в две стадии.
В одностадийном процессе все операции обработки ЖРО осуществляют в одном аппарате - плавителе что весьма существенно при обращении с радиоактивными продуктами. В данном аппарате - плавителе ЖРО последовательно обезвоживаются, соли разлагаются до оксидов, которые расплавляются и входят в состав стекломассы. (Фосфатные стекла с радиоактивными отходами. Под ред. А.А. Вашмана и А.С. Полякова, М.,ЦНИИатоминформ, 1997, стр.10).
При одностадийной обработке ЖРО необходимо иметь развитую поверхность стекломассы, чтобы испарить большое количество воды из ЖРО. Недостатком аналога является то, что промышленные плавители данного типа имеют большие габариты при том, что проблема утилизации отработавших плавителей в настоящее время в России не разрешена.
Известна установка для остекловывания ЖРО, в которой операции первой стадии осуществляют в сушилке, а на второй стадии остекловывание полученных продуктов осуществляют в отдельном аппарате - плавителе (заявка Японии № 60-24440, кл.С21Р 9/16, 1985). Первую стадию процесса предложено осуществлять либо в распылительной сушилке, либо в трубчатой вращающейся печи.
Недостатком распылительной сушилки являются ее большие габариты при промышленной производительности. Вращающаяся трубчатая печь со свободным стержнем внутри рабочего пространства, как и всякие движущиеся механизмы, мало пригодна для использования в зоне высокого уровня радиоактивности из-за ограниченного ресурса, сложности обслуживания, демонтажа и утилизации.
Предложенное в патенте РФ №2115182, кл.021Р 9/16, 1997 устройство для остекловывания РАО содержит аппарат обезвоживания - вертикальный роторный концентратор (ВРК).
Недостатками ВРК являются малый ресурс в условиях высоких полей радиации, невысокая степень обезвоживания ЖРО.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для остекловывания ЖРО, описанное в докладе (А.В. Демин и др., Использование метода индукционного нагрева в холодном тигле для отверждения высокоаюивных отходов. Труды международной конференции MRS-2000, Сидней). В данном устройстве испаритель и сепаратор концентрированной и парогазовой фаз объединены в одном корпусе. Цилиндрический сепаратор расположен внутри основного корпуса испарителя, что делает аппарат весьма компактным. В кольцевом пространстве аппарата
между наружным корпусом и сепаратором расположен спиральный трубчатый змеевик, в который непрерывно подают ЖРО, а в кольцевое пространство подают теплоноситель - водяной пар под давлением. Один конец змеевика сообщен с емкостью исходных ЖРО, а другой конец змеевика выведен в нижнюю часть сепаратора. Сепаратор нижней частью сообщен с плавителем, а верхней частью - с конденсатором паров воды и азотной кислоты. В сепараторе происходит отделение концентрата ЖРО от паров. Концентрат, являющийся текучим плавом солей с влажностью порядка 20%, стекает в плавитель, где происходит окончательное обезвоживание, разложение солей, плавление и образование стекломассы. Парогазовая фаза проходит в сепараторе снизу вверх, отделяясь при этом от капелек плава, и через паропровод поступает в конденсатор.
Достоинством данного устройства является его компактность, высокая удельная производительность по испаряемой влаге, отсутствие движущихся механизмов, возможность дистанционного демонтажа и удаления на утилизацию в стандартном защитном контейнере.
Недостатком прототипа является необходимость периодической очистки поверхности сепаратора от осевших на ней и высохших капель плава ЖРО. В течение нескольких часов непрерывной работы на стенках сепаратора образуется слой твердого осадка, который уменьшает площадь поперечного сечения сепаратора. В результате скорость парогазового потока в сепараторе увеличивается и как следствие увеличивается количество уносимого парогазовым потоком в конденсатор продукта, что нежелательно. Приходится периодически останавливать основной процесс для очистки сепаратора.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства для остекловывания РАО, которое позволит обеспечить непрерывную работу, увеличить общую производительность, повысить безопасность работы.
Эта задача решается тем, что устройство для остекловывания ЖРО включает узел подготовки ЖРО, прямоточный концентратор ЖРО, плавитель стекломассы, приемник стекломассы, узел газоочистки, систему трубопроводов, дистанционных разъемов и арматуры, причем прямоточный концентратор состоит из дистанционно разделенных прямоточного испарителя и сепаратора концентрированной и парогазовой фаз, испаритель выполнен из последовательно соединенных секций «труба в трубе, вход первой секции соединен с емкостью ЖРО, а выход последней секции по касательной введен в сепаратор, который представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с полусферической крышкой и наружной рубашкой водяного охлаждения, внутри корпуса сепаратора расположен кольцеобразный карман с патрубком для сбора конденсата. Сепаратор расположен над плавителем и соединен парогазоподводом с узлом газоочистки.
Внутри сепаратора дополнительно размещены трубчатый спиральный конденсатор паров и разделительный конус, в который по касательной введен патрубок испарителя.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого усгройсгва, на фиг. 2 изображена схема устройства с конденсатором паров, где: 1 - прямоточный испаритель; 2 - сепаратор; 3 - змеевик; 4 - плавитель; 5 - рубашка охлаждения; 6 - трубопровод подачи ЖРО; 7 - трубопровод подачи греющего пара; 8ч-9 - трубопроводы входа и выхода охлаждающей воды; 10 - трубопровод для концентрированной фазы;
11 - трубопровод выхода парогазовой фазы; 12 - трубопровод выхода конденсата ЖРО; 13 - дистанционный разъем; 14 - кольцеобразный карман; 15 - разделительный конус; 16 -трубопровод выхода парового конденсата.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. ЖРО через трубопровод (6) нагнетают во внутреннюю трубу прямоточного испарителя (1). Во внешнюю трубу испарителя через трубу (7) подают водяной пар при температуре 110-160 °С, а паровой конденсат выходит через трубу (16). ЖРО последовательно проходят по секциям испарителя, превращаясь в смесь концентрата (плава) и парогазовую фазу, которая через дистанционный разъем (13) поступает из испарителя в сепаратор (2). В сепараторе происходит разделение концентрата и пара. Концентрат (10) стекает в плавитель (4), а парогазовая фаза поднимается вверх по испарителю и через трубу (11) поступает в систему газоочистки.
На внутренней стенке сепаратора, температуру которой поддерживают 80-90 °С подачей в рубашку (5) через трубу (8) охлаждающей воды, происходит частичная (1-5 %) конденсация водяного пара и азотной кислоты. Конденсат стекает по внутренней поверхности сепаратора и смывает осевшие на ней частицы плава в кольцевой карман (14) и далее через трубу (12) в сборник конденсата. Нагретая вода выходит из рубашки через трубу (9). Основная часть парогазовой фазы поступает из сепаратора в систему газоочистки (11).
В устройстве (см. фиг 2) разделение концентрата и паров происходит в разделительном конусе (15), а основная часть паров конденсируется на змеевике (3). Конденсат растворяет частицы плава, осевшие на змеевике, стекает в кольцевой карман и далее поступает в сборник конденсата. Оставшаяся часть паров вместе с неконденсирующимися газами выходит из
сепаратора через паропровод в узел газоочистки. Применение внутри сепаратора разделительного конуса и охлаждаемого змеевика обеспечивает лучшие условия разделения концентрированной и парогазовой фаз, однако, устройство по данному варианту сложнее по конструкции. Сравнительная опытная проверка предлагаемого устройства и прототипа проводилась при остекловывании имитаторов ЖРО на стенде 2-х стадийного остекловывания. Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Испытания показали преимущества предлагаемого устройства. По сравнению с прототипом снижается унос радиоактивных продуктов в систему газоочистки в начале процесса в 1,6 раза и через 8 часов в 10 раз.
Унос радиоактивности в устройстве-прототипе в процессе испытаний возрастал вследствие зарастания сепаратора высохшими солями отходов. По мере зарастания сепаратора возрастала скорость движения парогазовой фазы
в сепараторе с 1,0 до 2,1 м/с, что обусловило повышенный унос продукта. Через 8 часов унос достигал недопустимой величины 5 %, и требовалась остановка процесса для очистки сепаратора от возгонов.
В предлагаемом устройстве зарастания сепаратора не происходит вследствие того, что возгоны непрерывно смываются со стенок сепаратора конденсирующейся влагой. В результате снижается унос радиоактивности в систему газоочистки и не требуется периодическая остановка процесса для очистки сепаратора, повышается безопасность работы. В результате общая производительность установки увеличивается на 10-20 %.