УСТАНОВКА ОЧИСТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области обращения с радиоактивными отходами, а именно, к устройствам для очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Полезная модель может найти применение в пунктах хранения и переработки ЖРО, а также в местах их образования: АЭС, радиохимических предприятиях и при выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергии.
Известны различные типы установок для переработки ЖРО [Б.Е. Рябков, Очистка жидких радиоактивных отходов. - М.: ДеЛи принт, 2008, 391 с], в которых в различной последовательности сочетаются узлы фильтрационной, сорбционной, мембранной и реагентной обработки (Эко-1, -2, 3, ММСУ, Аква - экспресс и др.). Указанные установки дополнительно имеют в своем составе насосное и емкостное оборудование, с помощью которого обеспечивается забор исходных ЖРО и их передача между отдельными узлами. В ряде случаев установки (ЭКО-ЗМ, ММСУ) имеют также узел обращения со вторичными отходами - узел цементирования, в котором отверждаются жидкие солевые концентраты и сорбенты, образующиеся при очистке ЖРО от радионуклидов [Yu. V. Karlin, V. Yu. Chuikov Reprocessing of liquid radioactive wastes using mobile modular systems, Atomic Energy, Vol. 90, No. 1, 2001]. Современные установки включают, как правило, в качестве основного узла устройство двойного обратного осмоса. В указанном устройстве предварительно очищенный от механических примесей раствор перерабатывается с получением очищенной воды и солевого концентрата, содержащего основное количество радионуклидов и других токсичных примесей [О.М. Слюнчев, П.А. Бобров, П.В. Козлов, и др., Результаты ресурсных испытаний очистки жидких низкоактивных отходов Теченского каскада водоемов. Тезисы докладов 6 Российской конференции по радиохимии, Радиохимия-2009, Москва, РИЦ ВРБ ФГУП «ПО «Маяк», 2009, с. 276]. Дополнительная очистка осуществляется за счет применения узлов селективной сорбции или ионного обмена. Очищенная в таких установках вода имеет солесодержание на уровне 1 мг/л, остаточное содержание радионуклидов ниже уровня вмешательства (УВ) и может быть сброшена без ограничений в открытую гидросеть.
Недостатками указанных установок является незначительная степень сокращения объема отходов (отношение объема исходных ЖРО и объема вторичных РАО), связанная с получением в узле двойного обратного осмоса в качестве вторичных РАО значительных количеств жидких солевых концентратов. Как правило, это отношение принципиально не может превышать 5-6, что связано с возможностями обратно-осмотического концентрирования [Ю.И. Дыгаерский, Обратный осмос и ультрафильтрация. - М: «Химия», 1978. 352 с].
Для сокращения объема вторичных РАО, образующихся при переработке ЖРО, предложена установка очистки жидких радиоактивных отходов, в составе которой, для дополнительного концентрирования солевых концентратов с узла обратного осмоса используется узел упаривания [B&W Nuclear Environmental Services Inc., документ №B&W-10294 редакция 01, - Владивосток: B&W, 1999 - 12 с]. На чертеже изображена установка (фиг. 1), которая в своем составе имеет четыре последовательно соединенных между собой функциональных узла. Узел 1 содержит устройство для отделения углеводородных примесей, включающее емкость отстоя и фазовый сепаратор. Узел 2 представляет собой устройство для удаления из ЖРО механических примесей и включает в себя емкость отстоя, сепаратор грубых твердых включений и фильтры тонкой очистки. Узел 3 является устройством для предварительного концентрирования очищенного раствора ЖРО методом двойного обратного осмоса. Пермеат по магистрали м1 подается для доочистки в блок сорбционных фильтров. Узел 4 представляет собой выпарной аппарат для получения очищенного дистиллята и пастообразного концентрата, который по магистрали м2 подается на цементирование. Очищенный раствор из узла 3 и 4 собирается в емкости контроля и сбора очищенной технической воды.
Эта установка по конструкции является наиболее близкой к заявляемой и выбрана нами в качестве прототипа. Недостатками данной конструкции являются:
1. большие объемы оборудования, связанные с наличием в составе установки емкостей - отстойников. Это определяет ее громоздкость и приводит к накоплению большого количества радиоактивных веществ в оборудовании;
2. низкая производительность, поскольку сепарация в узлах 1, 2 проводится методом отстаивания;
3. высокое энергопотребление, определяемое затратами на выпаривание.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в устранении указанных недостатков.
Техническим результатом данного решения является снижение габаритов установки, повышение ее производительности и снижение удельных энергетических затрат на переработку.
Технический результат достигается тем, что в известной установке очистки жидких радиоактивных отходов, содержащей последовательно соединенные узел для фазовой сепарации, узел очистки от механических примесей, включающий сепаратор грубых твердых включений и фильтры тонкой очистки, узел двойного обратного осмоса, соединенный магистралью для передачи пермеата в блок сорбционных фильтров, узел упаривания, выполненный в виде аппарата для получения очищенного дистиллята и пастообразного концентрата, соединенный магистралью для подачи концентрата в устройство для цементирования, и емкость для сбора и контроля очищенного раствора. С целью снижения габаритов установки, повышения ее производительности и снижения удельных энергетических затрат на переработку узел фазовой сепарации и узел очистки от механических примесей объединены в единое устройство, осуществляющее указанные операции методом тангенциальной ультрафильтрации, узел упаривания выполнен в виде выпарного аппарата с рекуперацией тепла, и установка содержит дополнительно магистраль для передачи на цементирование углеводородных и механических примесей с узла ультрафильтрации, магистраль для передачи дистиллята в блок сорбционных фильтров и магистраль для дозирования коагулянта в емкость исходного раствора ЖРО.
На чертеже фиг. 2 представлена схема на заявленную установку очистки жидких радиоактивных отходов, где:
- узлы 1 (очистка от углеродных примесей) и 2 (очистка от механических примесей) совмещены в единое устройство, осуществляющее указанные операции методом тангенциальной ультрафильтрации;
- узел 3 - система обратного осмоса;
- узел 4 - выпарной аппарат - выполнен в виде выпарного аппарата с рекуперацией тепла;
- установка оборудована дополнительными магистралями:
м3 - для передачи на цементирование углеводородных и механических примесей;
м4 - для передачи дистиллята в блок сорбционных фильтров;
м5 - для дозирования коагулянта в емкость исходного раствора ЖРО.
Установка работает следующим образом: поток исходных ЖРО поступает на узел 1-2 - для удаления углеводородных и механических примесей. Узел 1-2 содержит устройство тангенциального ультрафильтрования, на вход которого по магистрали м5 поступает раствор с коагулянтом. Осветленный раствор из узла 1-2 поступает на узел 3, а концентрат углеводородных и механических примесей по магистрали м4 направляется на цементацию. Узел 3 перерабатывает осветленный раствор в обратно - осмотическом устройстве с получением обессоленной очищенной воды (пермеат) и солевого концентрата, содержащего всю сумму солей и радиоактивных примесей. Пермеат по магистрали м1 направляется для доочистки на блок сорбционных фильтров, состоящий из фильтров с селективными сорбентами и фильтров с активированным углем. Концентрат поступает на узел 4. Узел 4 представляет собой упариватель, выполненный в виде выпарного аппарата с рекуперацией тепла для получения очищенного дистиллята и пастообразного концентрата, который по магистрали м2 подается на цементирование, где также собирается концентрат примесей с узла 1-2. Дистиллят с узла 4 по магистрали м3 подается на блок сорбционных фильтров и емкость для сбора и контроля очищенной воды.
Техническое решение иллюстрируется следующим примером. Установка (фиг. 2) смонтирована в 40-футовом контейнере, с габаритными размерами 12192×2438×2591 мм, и имеет в своем составе следующее оборудование:
3
Узел 1-2 - система тангенциального фильтрования представляет собой металлический корпус диаметром 150 мм, внутри которого расположено 7 ультрафильтрационных мембран. Мембраны - полые керамические стержни диаметром 55 мм и длиной 1035 мм с размером пор 0,1-0,05 мкм. Исходные ЖРО поступают в зазор между корпусом и внешней поверхностью фильтрующих мембран. Циркуляционный насос обеспечивает циркуляцию раствора со скоростью - 7 м/с при давлении - 3,5 МПа вдоль поверхности мембран. В результате происходит разделение водного потока. Часть воды, проходя радиально через мембрану, освобождается от углеводородных и механических примесей и поступает в узел обратного осмоса. Другая часть потока, проходя вдоль поверхности мембраны, смывает с нее накопившийся осадок и периодически сбрасывается в емкость для цементирования. Производительность узла - 2 м/час. Потребляемая мощность узла 4,85 кВт. Узел 1-2 на входе имеет магистраль для подачи исходного потока ЖРО и магистраль м5 дозирования коагулянта, на выходе имеет магистраль для передачи осветленного раствора на узел 3 и магистраль м4 для сброса концентрата на цементирование. По магистрали м5 во входящий поток ЖРО с помощью дозирующего насоса подается раствор коагулянта - водного хлорида железа с концентрацией 250 мг/л в количестве 40 л/час.
3
Узел 3 - система обратного осмоса (изготовитель - поставщик - ООО «Акватория») представляет собой три последовательно включенные обратноосмотические ступени, работающие соответственно при давлении 15, 25 и 10 бар. Каждая из ступеней имеет в своем составе напорный корпус с обратно осмотическими мембранами (тип - CPA5-LD-4040) и циркуляционный насос высокого давления. Габаритные размеры узла 3 - 3032×1874×500 мм. Осветленный раствор с узла 1-2, с помощью насоса высокого давления направляется на первую ступень обратноосмотеческих мембран. В результате диффузии молекул воды через мембрану происходит разделение потока на фильтрат (обессоленная вода, прошедшая сквозь мембрану) и концентрат (вода с повышенным содержанием солей). Концентрат с 1 ступени служит исходной водой для 2 ступени обратного осмоса. Далее, соответственно, концентрат, полученный при обессоливании воды на 2 ступени, поступает на ступень 3. Первая ступень работает по исходной воде с соотношением фильтрат/концентрат - 6/4. Вторая ступень работает по концентрату с соотношением фильтрат/концентрат - 6/4. Третья ступень работает по концентрату второй ступени с соотношением фильтрат/концентрат - 1/1. Тем самым достигается суммарное соотношение фильтрат (пермеат)/концентрат ~10-11 при производительность узла по исходному раствору до 2 м/час. Потребляемая мощность 6,0 кВт.
Концентрат с узла 3 поступает в узел 4, а обессоленная вода (пермеат) передается по магистрали м1 в блок сорбционных фильтров.
Узел 4 - система упаривания - имеет на входе магистраль для подачи солевого концентрата после обратноосмотической установки, на выходе -магистрали для отвода дистиллята в блок сорбционных фильтров и пастообразного концентрата в блок цементации. Узел 4 выполнен в виде выпарного аппарата (типа LOFT LE70) с габаритными размерами 1900×1800 и мощностью 7,5 кВт, работающего под вакуумом при рабочем давлении 0,2-0,25 бар с принудительной циркуляцией упариваемого раствора. Рекуперация тепла по схеме теплового насоса достигается за счет теплообмена паров воды, циркуляция которых обеспечивается компрессором, и подаваемого для упаривания раствора в вертикальном трубчатом теплообменнике. Производительность установки 70 л/час, энергозатраты на проведение процесса составляют не более 130 Вт-час/л исходного концентрата. При переработке в узле 4 получают дистиллят и упаренный солевой концентрат (до 400 г/л). Дистиллят по магистрали м3 поступает в блок сорбционных фильтров, а упаренный солевой концентрат сбрасывается по магистрали м2 в устройство для цементирования.
Устройство для цементирования с габаритными размерами 900×1800×500 мм включает электроприводную лопастную мешалку из чернового металла (мощность 2кВт), систему ручного дозирования цемента, систему подачи концентрата углеводородных и механических примесей с узла 1-2 и солевого концентрата с узла 4, весовой стол для установки сменных 200 л бочек для приготовления цементного компаунда. Накопленные отходы с узлов 1-2 и 4 с помощью системы подачи на основе погружных насосов (марки Grundfos) перекачиваются в бочку для цементирования. В процессе заполнения бочки дозируется цемент и работает мешалка. Соотношение солевой раствор/цемент = 3:7. Цементный компаунд соответствует ГОСТ Ρ 51883-2002.
Блок сорбционных фильтров (размером 550×550×170 мм) состоит из трех колонок (диаметр корпуса 150 мм, высота 550 мм), две из которых загружены сорбентом ФС-10 для доизвлечения радионуклидов, а одна - активированным углем для улавливания следов органических веществ.
Емкость для сбора и контроля очищенной воды имеет объем 1000 л.
Водные магистрали установки выполнены из трубки ПВХ, оборудование соединяется между собой посредством фланцев и резьбовых штуцеров, в качестве уплотнения использован фторопласт-4, в качестве регулирующей (запорной) арматуры использованы вентили DN 20 ΡΝ 16 бар и DN 20 ΡΝ 25 бар, циркуляция и подача жидкости осуществляется насосами марки Grundfos.
3
3
3
3
3
Для примера, на установке в течение 8 часов непрерывной работы переработано 16 м ЖРО с солесодержанием до 1500 мг/дм и содержанием радионуклидов: Sr-90 до 1400 Бк/л, Cs-137 до 3500 Бк/л, Ри-239 до 150 Бк/л, Ат-241 до 25 Бк/л, урана -1 мг/л. Производительность установки составила 2 м/час по исходной воде. В результате обработки получено ~15,7 м очищенной воды и 0,4 м цементного компаунда.
Степень сокращения объема РАО (исходные ЖРО/цементный компаунд) -40. Очищенная вода имела следующий состав:
Солесодержание - 5 мг/л;
Сумма β-излучающих нуклидов - не более 1 Бк/л;
Сумма α-излучающих нуклидов - не более 0,25 Бк/л;
Содержание урана - не более 0,005 мг/л.
Вода данного состава по содержанию химических примесей соответствует требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного значения по содержанию радионуклидов - ниже уровня вмешательства (УВ) согласно НРБ-99/2009. Удельное потребление электроэнергии составило около 3,1 кВт·час/л.