Оптимизация технологии обезвреживания ЖРО
Дата: 31/07/2019
Тема: Обращение с РАО и ОЯТ


Виталий Узиков, ведущий инженер-технолог АО «ГНЦ НИИАР».

«Ахилесовой пятой» ядерной отрасли является проблема радиоактивных отходов (РАО). Их многообразие и степень опасности для населения не подразумевает простых решений, однако при обращении с ними следует придерживаться подходов, известных как принцип ALARA, (сокр. As Low As Reasonably Achievable).  Этот принцип, сформулированный еще в 1954 году Международной Комиссией по Радиологической защите с целью минимизации вредного воздействия ионизирующей радиации, широко используется на АЭС и других радиационно-опасных объектах как принцип оптимизации доз. Он включен в российские нормы радиационной безопасности и предусматривает поддержание на возможно низком и достижимом уровне, как индивидуальных доз, так и коллективных доз облучения (ниже пределов, установленных действующими нормами), с учётом социальных и экономических факторов.


Смысл этого критерия близок к поговорке «по одежке протягивай ножки». Прежде, чем приступать к планированию работ по обезвреживанию накопленных РАО, чтобы не перекладывать уже накопившиеся и продолжающие накапливаться проблемы на плечи будущих поколений, необходимо использовать этот принцип оптимизации доз и выбирать наиболее эффективные, экономически обоснованные и безопасные технологии. Но прежде нужно критически подойти к оценке применяемых в настоящее время технологий обращения с РАО, и в частности, к переработке и обезвреживанию огромных объемов жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

Ключевыми подходами к оптимизации технологии является универсальность ее применения к широкому спектру ЖРО различных параметров активности и химического состава, а также унифицированность:

· применяемого выпарного оборудования;

· размеров формируемых блоков цементного компаунда;

· оборудования для изготовления блоков цементного компаунда;

· транспортно-упаковочных комплектов для хранения и транспортирования блоков;

· пунктов окончательной изоляции.

1. Современное состояние дел с переработкой ЖРО

На сегодняшний день накоплено и продолжает накапливаться огромное количество ЖРО средней и низкой активности (уже только в России более 500 млн. кубометров активностью ~1020 Бк). В идеале, в процессе переработки ЖРО радиоактивные и другие химические вещества должны выделяться из отходов, а очищенная вода должна быть пригодной для возвращения в технологический процесс или сброс в открытые водоемы. Для переработки ЖРО обычно используют термический, сорбционный и мембранный методы.

Термический метод (дистилляция или упаривание) – наиболее распространенный и удобный способ переработки ЖРО. Этот способ осуществляется в специальных испарительных аппаратах с естественной циркуляцией и подведением тепла от водяного пара. Эти аппараты очень дороги, имеют большие габаритные размеры и рассчитаны на определенную (только проектную) производительность, поэтому их применение, как правило, ограничено лишь АЭС. Получаемый в результате упаривания на этих аппаратах кубовый остаток с солесодержанием 250…400 г/л направляются на хранение в баках. По мере заполнения этих баков требуется их периодическое освобождение от кубового остатка, который направляется на установки глубокого упаривания УГУ-500, в которых должна удаляться несвязанная вода, а полученный концентрат («солевой плав») сливаться в металлические бочки. Это крайне спорная с точки зрения радиационной безопасности технология имеет много недостатков, что привело к проблемам с обращением этого некондиционного продукта на АЭС.

Сорбционный метод предусматривает удаление радионуклидов из жидких отходов в виде твердой фазы в результате адсорбции, ионного обмена, адгезии и т.д. однако из-за селективности к отдельным радионуклидам метод сорбции нельзя рассматривать как основной метод очистки от радионуклидов.

Мембранные методы – это методы, при помощи которых удаление радиоактивных веществ из отходов осуществляется на молекулярном уровне. Среди них наиболее эффективным является обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация.

Из-за разнообразия радиоактивных и нерадиоактивных загрязнителей, в том числе из-за наличия аммиака, масел, ни один из упомянутых методов очистки отдельно не обеспечивает очистки ЖРО до необходимой степени, поэтому система очистки ЖРО – сложная цепочка операций, на выходе из которой получают высокоактивный концентрат, поступающий на отверждение и захоронение. Концентраты, полученные в результате очистки ЖРО, представляет собой шламы после фильтрации и химической обработки, отработавшие ионообменные смолы, кубовые остатки после упаривания. Эти концентраты обычно отверждают методами битумирования, цементирования, полимеризации и др.

Отверждение концентратов ЖРО происходит посредством включения их в связующие материалы, которые можно поделить на три основные группы: термопластические (битум и др.); термореактивные (смолы полиэфирные, карбамидные и т.д.); неорганические (цемент, гипс, стекло и др.). Недостатком бетумирования является высокая пожароопасность и биологическая деградация, термоактивные материалы слишком дороги для широкого применения, поэтому наиболее приемлемыми для отверждения являются неорганические материалы – стекло для ВАО и цемент для САО и НАО.

Включение в цементную матрицу является одним из наиболее распространенных и экономически обоснованных методов отверждения и иммобилизации радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. Во многом из-за доступности, низкой стоимости технологического оборудования и материалов матрицы, негорючести конечных продуктов и относительной простоте технологических процессов цементирование широко используется при иммобилизации радиоактивных отходов. Способность цемента связывать воду особенно важна при кондиционировании жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Однако очевидно, что при простоте процесса цементирования сложный химический состав неоднозначно влияет на качество конечного отвержденного продукта. Кроме того, тепло, выделяемое в процессе отверждения за счет экзотермической реакции гидратации, обуславливает разогрев цементного массива, особенно в первые сутки. Этот разогрев, при затвердевании больших объемов цементного компаунда, может негативно влиять на его качество. Цементирование РАО в 200-литровые металлические бочки не создает особых проблем, однако ресурс металлических бочек очень ограничен, что создает проблемы при долговременном хранении, особенно для САО. Для резкого увеличения срока гарантированной изоляции цементного компаунда от окружающей среды (до 300 лет) можно использовать невозвратные защитные контейнеры НЗК- 150-1,5 (с толщиной стенки 150мм и полезным объемом 1,5м3). Однако, даже уже при таком объеме необходимо осторожно относиться к составу цементной смеси, так как тепловые расчеты показывают, что при использовании чистого портландцемента (содержание C3S 62%) в заполненном НЗК через 18 часов твердения температура в центре достигает 180°С, что недопустимо с точки зрения сохранения требуемых свойств цементного камня (рис.1).

Рисунок 1 – Динамика тепловыделения в твердеющем цементе [1] и максимальный разогрев в НЗК через 18 час после начала цементирования

Даже с учетом добавок в рецептуру цементной смеси, снижающих динамику гидратации, существует риск перегрева компаунда и выпаривания свободной воды, что может привести к снижению прочности, появлению трещин и повышению выщелачиваемости цементного камня.

Еще более проблематичным и опасным разогрев компаунда при гидратации становится при заливе цементного раствора в большие емкости, такие, как в комплексе по цементированию среднеактивных отходов на ФГУП «ПО «Маяк», который должен был начать функционировать ещё 2013 году и в котором предусмотрено 100 отсеков по 280 м3 (рис.2). И вряд ли возможно решение этой проблемы за счет предлагаемых добавок нитрата натрия в концентрации 450 г/л, а также снижения доли портландцемента в составе сухой смеси до 40% за счет введения 50 % низкокальциевой золы ТЭЦ и 10 % бентонита [2]. При этом на строительство этого комплекса уже затрачены многие миллиарды рублей, но он так и не заработал, а эффективность иммобилизации остается под вопросом.

Рисунок 2 – Проект комплекса по цементированию среднеактивных отходов
на ФГУП «ПО «Маяк»

При всех достоинствах цементирования ЖРО на сегодняшний день эта технология применяется недостаточно широко. Основными причинами этого являются:

· Увеличение объема РАО после цементирования;

· Высокая стоимость обращения с полученным радиоактивным компаундом;

· Сложность получения оптимальной концентрации солевого раствора 700-800 г/л [3], при которой цементирование становится экономически оправданным.

По этой причине, там, где нет полигонов глубинного захоронения ЖРО, чаще всего идут по наиболее простому пути – упаривают растворы последовательно в выпарных аппаратах и УГУ-500, получая при этом концентрат, близкий к солевому плаву. Проблема этой технологии заключается в том, что в прямоточных испарителях УГУ-500 теплообменные трубки быстро зарастают солевыми отложениями, снижая при этом степень упаривания раствора и увеличивая количество несвязанной воды в так называемом «солевом плаве», загруженном в стальные бочки. Из-за высокого содержания несвязанной воды (до 30%) многие бочки прокорродировали и перестали обеспечивать изоляцию РАО от окружающей среды.

Это привело к появлению спорной схемы обращения с РАО, при которой в НЗК загружаются 4 бочки с «солевым плавом», полученным после упаривания кубовых остатков в установках УГУ-500. Так как приемлемой (экономически оправданной) технологии обращения с этими бочками пока не найдено, единственным решением стала их упаковка в НЗК (рис. 3), и отправка на длительное хранение, хотя это и противоречит нормативным документам о кондиционировании.

Рисунок 3 – Затаривание бочек с солевым радиоактивным сплавом в контейнеры НЗК-150-1,5

Оценим, во сколько обходится это ненормативное, и, возможно, временное «решение» проблемы (рис. 3). В НЗК-150-1,5 (габаритный объём 3,7 м3, полезный – 1,5 м3) размещаются 4 бочки, стоимость самого НЗК составляет не менее 120 тыс.руб, а стоимость передачи НЗК с отвержденными РАО класса 3 (твердые САО и долгоживущие НАО) национальному оператору (при тарифах на 2019 год) – 700 тыс.руб, т.е. суммарная стоимость контейнеризации 4-х бочек и их долговременное хранение в НЗК составит свыше 820 тыс.руб, из которых 537 тыс. рублей (65%) – это сомнительные траты на долговременное хранение самого контейнера (!), что вряд ли соответствует принципу ALARA.

Именно на устранение этого несоответствия и направлена предлагаемая технология обращения с РАО. Согласно ей повергаться окончательному захоронению должны только отвержденные кондиционированные ЖРО в виде унифицированных цементных блоков, а схема их размещения в пунктах окончательной изоляции должна обеспечивать высокую степень изоляции РАО от окружающей среды в течение очень длительного времени.

2. Отличие предлагаемой технологии обращения с ЖРО

Следование принципу ALARA при сложившихся в России экономических условиях заставляет искать более оптимальные пути обращения с РАО, не перекладывая накопившиеся проблемы на плечи будущих поколений. Для этого все предлагаемые новые технологии должны анализироваться по степени их эффективности изоляции РАО и по их экономической эффективности. Возможными направлениями оптимизации могут стать:

- Уменьшение этапов обращения с РАО;

- Отказ от дорогостоящих глубинных хранилищ для окончательной изоляции;

- Отказ от использования НЗК в пунктах окончательной изоляции;

- Применение энергоэффективной технологии упаривания солевых растворов с использованием механического сжатия пара Mechanical Vapor Recompression (MVR);

- Упаривание раствора до оптимальной для цементирования концентрации 700-800г/л [3];

- Изготовление унифицированных цементных блоков (УЦБ) компаунда, удобных для транспортировки и для плотной укладки в пунктах окончательной изоляции;

- Пропитка УЦБ жидким стеклом для придания поверхности гидрофобности и гидроизоляции, заполнения пор, повышения прочности и т.д.;

- Укладка УЦБ в пунктах окончательной изоляции производится с прослойками из гидроизолирующего пластичного материала, например, из бентонитовой глины или подобных по свойствам материалов;

- Капитальными должны быть только подземные строительные конструкции пунктов окончательной изоляции, а наземные конструкции желательно делать мобильными;

- Укладка УЦБ прослойками из бентонитовой глины в пунктах окончательной изоляции должна производиться по принципу вложенности – блоки САО в центре массива, их окружают блоки НАО, далее ОНАО, а весь массив окружен чистым бетоном с гидроизолирующими слоями и герметичной оболочкой из листов нержавеющей стали;

- Технология должна предусматривать возможность обращения с унифицированными цементными блоками САО и НАО на этапах их изготовления, загрузки в защитный контейнер, выгрузки из защитного контейнера и укладку в пунктах окончательной изоляции без непосредственного участия человека (с использованием промышленных роботов).

Основой предлагаемой технологии является процесс кондиционирования РАО, когда концентрированные ЖРО или ТРО переводятся в форму, удобную для хранения, транспортирования и захоронения. Особенностью технологии является то, что полученный в результате кондиционирования продукт (цементный компаунд) имеет унифицированную геометрическую форму параллелепипедов, под которую разрабатываются контейнеры для временного хранения и транспортирования, а также технология укладки УЦБ в пунктах окончательной изоляции. Наиболее приемлемым вариантом для этого процесса является цементирование, при котором обеспечиваются низкие затраты, негорючесть и относительная простота технологического процесса, но при этом имеется большой недостаток – высокая степень выщелачиваемости радионуклидов из цементной матрицы в процессе длительного хранения. Этот недостаток можно нейтрализовать созданием практически непроницаемых для радионуклидов прослоек из фильтрующих материалов, например, бентонитовой глины. Роль этого пластичного материала не ограничивается фильтрацией радионуклидов и гидроизоляцией боков. Она также снимает напряжения в УЦБ при температурных изменениях и сохраняет свои изолирующие свойства при землетрясениях.

Из общего количества накопленных ЖРО 92,7 % общего объёма – это низкоактивные и очень низкоактивные (НАО и ОНАО), 6,8% – среднеактивные (САО) и 0,5 % – высокоактивные (ВАО) отходы (рис. 4) [5].

Рисунок 4 – Распределение накопленных ЖРО:
а) по объёму, б) по активности

Если не рассматривать проблему обращения с ВАО, технология остекловывания которых неплохо отработана, практически нерешенными остаются вопросы обращения с САО, НАО и ОНАО, причем, чем ниже активность ЖРО, тем более запущенной выглядит технология переработки и обезвреживания. Комплексное решение САО, НАО и ОНАО подсказывает распределение их объемов и активности. Как было отмечено в перечисленных направлениях оптимизации создание пунктов окончательной изоляции должно проводиться по принципу «матрешки» или по принципу физзащиты «кощеевой иглы» - «на море на океане есть остров, на том острове дуб стоит, под дубом сундук зарыт, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо» в яйце игла». Этот принцип означает, что физической и радиационной защитой зацементированных РАО более высокой активности становятся зацементированные РАО более низкой активности [4]. Кроме того, исходя из экономических возможностей, необходимо применять максимально простые и надежные инженерные решения, а не такие сложные и дорогостоящие, как в комплексе по цементированию среднеактивных отходов на ФГУП «ПО «Маяк» (осознание проблем цементирования в этом комплексе пришло лишь на этапе строительства: тепло гидратации, и, соответственно, состав цементной смеси, формирование монолита при сбросе порций бетона с большой высоты и т.д.). А если учесть, что это инженерное сооружение придется обслуживать сотни лет, то ситуация становится еще печальней. Инженерные сооружения приповерхностного хранения или захоронения контейнеров НЗК с загруженными УЦБ более просты, но экономически могут быть оправданы лишь для изоляции САО, и совершенно неприемлемы для НАО, и тем более, для ОНАО.

Очевидно, что сооружение дорогостоящих глубинных могильников в подходящих геологических формациях хотя и обеспечивает максимальную степень изоляции РАО, но упирается в проблему огромных финансовых затрат. Долговременное хранение кондиционированных РАО в невозвратных защитных контейнерах (НЗК) не решает вопрос об окончательной изоляции РАО, так как гарантийный срок у них всего 300 лет. При этом большая часть объема хранения занимает не кондиционированные РАО в контейнере, а сам контейнер. И это при колоссальной стоимости передачи национальному оператору каждого кубометра объема ТРО на хранение, которая, без сомнения, будет только увеличиваться. Неудивительно, что пока проблема для больших объемов НАО и ОНАО зависла без решения.

В качестве альтернативы существующим решениям предлагается переводить ЖРО средней и низкой активности (включая ОНАО) сначала в высокосолевой раствор с содержанием солей 700-900 г/л, а затем использовать его для получения унифицированных цементных блоков, пригодных для плотной укладки в пунктах окончательной изоляции. При таком подходе основным конструкционным материалом таких инженерных сооружений являются сами УЦБ на основе высокосолевых концентратов ЖРО, причем формирование радиоактивного массива должно проводится так, чтобы на его периферии был относительно низкоактивные блоки, а к центральной части массива активность блоков постепенно возрастала (рис.5). При облицовке этой радиоактивной «матрешки» листами нержавеющей стали, железобетонными конструкциями с надежной гидроизоляцией обеспечивается не только максимальная изоляция радиоактивных веществ от окружающей среды при минимальных затратах, но и исключается несанкционированный доступ к радиоактивным материалам, что соответствует принципу ALARA.

Для возведения таких инженерных приповерхностных сооружений и формирования массивов из комактрированных РАО требуется минимальные затраты на строительство и оборудование. Применение эффективной технологии концентрирования ЖРО до оптимального (для цементирования) солесодержания 700-800 г/л [3] и технологии цементирования, обеспечивает максимальную концентрацию РАО для всех видов РАО (САО, НАО и ОНАО) в пунктах окончательной изоляции при выполнении норм радиационной безопасности и минимальных финансовых затратах. Очень важно, что при этой технологии могут кондиционироваться ТРО и радиоактивные фильтрующие материалы, особенно это касается отработанных ионообменных смол, по которым нужно соблюдать процентное ограничение из загрузки в цементную матрицу (не более 5%).

Основу оборудования составляет мостовой кран, состоящий из подкрановых путей с рельсами, балки или моста и технологической платформы, которая перемещается в вертикальном направлении. Платформа снабжается механизмом укладки УЦБ, а также механизмом нанесения гидроизолирующих слоев, например, бентонитовой глины. Все работы по укладке слоев из УЦБ и глины производятся автоматически и дистанционно (промышленный робот) с визуальным (видеонаблюдение) и иным контролем (приборы измерения и контроля укладываемых слоев) (рис.6).

 

Рисунок 5 – Структура пункта окончательной изоляции в процессе заполнения

Рисунок 6 – Технологическая платформа для укладки слоев УЦБ и бентонитовой глины в пункте окончательной изоляции

В качестве верхнего защитного слоя применяются листы нержавеющей стали и бетонный массив с гидроизоляцией, защищающие от проникновения влаги в массив цементного компаунда, что служит также физзащитой от несанкционированного доступа к радиоактивным веществам и который должен обеспечить окончательную изоляцию РАО в течение тысячелетий. Для обеспечения этого условия верхние бетонные слои должны находиться под уровнем грунта или теплоизоляции, обеспечивающих защиту от промерзания в зимний период, а нижние бетонные слои должны быть всегда выше уровня грунтовых вод. Поэтому выбор участка для размещения пунктов окончательной изоляции должен проводиться после тщательных гидрологических исследований местности.

3. Технология изготовления транспортируемых унифицированных цементных блоков (УЦБ)

Изготовление в процессе кондиционирования САО и НАО унифицированных цементных блоков включает в себя следующие этапы:

- Концентрирование ЖРО до оптимального солесодержания 700-800 г/л, которое обеспечивает максимальное включение радиоактивных солей в цементную матрицу (рис.7, 1…5);

- Разработка рецептурных композиций цемента и добавок для конкретных солевых растворов;

- Приготовление цементного раствора;

- Дозированная заливка цементного раствора в форму установки цементирования (рис.7, 6);

- Извлечение сформированного УЦБ из формы, выдержка блока до окончательного затвердевания и пропитка поверхности жидким стеклом.

После затвердевания УЦБ и пропитки поверхности жидким стеклом он загружается промышленным роботом (рис.7, 7) в контейнер (рис.7, 8), в котором выдерживается около года во временном хранилище (рис.6, 9), пока тепловыделение при гидратации не снизится до значений меньше 1..2 Вт/м3, что практически не скажется впоследствии на разогреве цементного массива в пункте окончательной изоляции.

После практически полного завершения процесса гидратации в УЦБ, контейнеры с блоками готовы к транспортировке к пункту окончательной изоляции автомобильным или железнодорожным транспортом (рис.7, 10).

Концентрирование и дистилляция радиоактивных растворов производятся в барабанных пленочных испарителях [5, 6]. Этапы концентрирования показаны на рис. 6. Из емкости исходного раствора (рис.7, 1) жидкость подается в выпарной барабан (рис.7, 2), в котором производится пленочное выпаривание воды до заданной концентрации. Для повышения экономичности процесс проводится по технологии с использованием механического сжатия пара Mechanical Vapor Recompression (MVR), при которой пар, полученный при упаривании жидкой пленки на внутренней поверхности барабана (вторичный пар) после механического сжатия в компрессоре (рис.7, 3) повышает свою температуру и становится греющим паром для выпарного барабана. Поступающий на выпаривание раствор подогревается в теплообменнике-рекуператоре (рис.7, 4) горячим конденсатом, образующимся после конденсации греющего пара на внешней поверхности барабана, и направлявшимся в емкость очищенной воды. В процессе выпаривания концентрация раствора постоянно увеличивается и после достижения требуемых значений 700-800 г/л [3] порция концентрата ЖРО периодически откачивается в вакумируемую емкость установки цементирования (рис.7, 6).

 

Рисунок 7 – Схема этапов изготовления унифицированных цементных блоков (УЦБ)

Подробное описание технологии концентрирования радиоактивных растворов в барабанных пленочных испарителях (БПИ) приведено ниже.

4. Почему для концентрирования ЖРО нужен особый выпарной аппарат

Термоочистка или упаривание (дистилляция) в настоящее время являются основным методом переработки жидких радиоактивных отходов поскольку:

• обеспечивается переработка отходов любой засоленности;

• позволяет очищать раствор от радионуклидов, находящихся в любой форме (ионной, молекулярной, коллоидной);

• предъявляет низкие требования к качеству перерабатываемых отходов и позволяет исключить применение предварительных специальных осадительных операций;

• обеспечивает высокий коэффициент очистки, что позволяет дистилляции при необходимости самостоятельно и полностью решать проблему очистки жидких отходов до установленных норм.

Как уже было отмечено выше, для концентрирования ЖРО на практике, как правило, используется два типа выпарных аппаратов:

• Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой производительностью 6000 кг/ч, производящий кубовый остаток с солесодержанием от 250 до 400 г/л;

• Установка глубокого упаривания УГУ-500, доупаривающая кубовый остаток до «солевого плава», который должен содержать количество несвязанной воды не более 15% (на практике в «солевом плаве» содержится до 30% несвязанной воды).

Общей проблемой для этих выпарных аппаратов является интенсивное солеотложение на греющих поверхностях теплообменных трубок, снижающее эффективность теплопередачи, что приводит к остановке для отмывки теплообменника. Химические добавки для снижения солеотложения и пенообразования в выпарном аппарате с вынесенной греющей камерой приводят к увеличению количества радиоактивных солей в концентрате, что увеличивает объемы кондиционированных РАО, подлежащих долговременному хранению и захоронению. Еще большие проблемы с вторичными ЖРО возникают при использовании УГУ-500, так как солеотложение на теплообменных трубках там идет наиболее эффективно, поэтому установку приходится постоянно останавливать для промывки раствором азотной кислоты, который после использования должен быть нейтрализован, что также приводит к существенному увеличению объемов радиоактивных солей, подлежащих переработке.

Для минимизации объемов концентрата, направляемого на цементирование, должны использоваться выпарные установки, в которых отсутствует проблема солеотложения на греющих поверхностях при выпаривании растворов и в которых для экономии энергозатрат используется рекомпрессия пара (MVR). Этим требованиям в полной мере отвечает технология упаривания в барабанных пленочных испарителях, рассмотренная ниже.

5. Цели и задачи безреагентной технологии упаривания жидких радиоактивных отходов

Основной целью создания безреагентной технологии упаривания ЖРО является проведение процессов отделения чистых паров растворителя от радиоактивного раствора в режиме пленочного испарения при использовании непрерывной механической очистки греющей поверхности от солевых отложений. Механическая очистка греющей поверхности позволяет избежать необходимости применения химических реагентов, что является важным положительным фактором для многих процессов выпаривания, в частности, применительно к переработке ЖРО, так как отсутствие химреагентов для промывки теплообменных поверхностей существенно снижает объемы при кондиционировании. Кроме того, технология позволяет обеспечить экономически оправданное кондиционирование высокосолевых растворов в цементном компаунде. Для реализации технологии решаются следующие задачи:

- Создание технологии безреагентного упаривания до требуемой концентрации солей (например, до 700-800 г/л);

- Исключение химических отмывок выпарного оборудования для восстановления теплопередающей способности греющих поверхностей;

- Применение энергосберегающих технологий с механической рекомпрессией вторичного пара (Mechanical Vapor Recompression);

- Разработка «всеядных» по химическому составу выпарных аппаратов с широким диапазоном степени концентрирования;

- Высокая степень очистки пара;

- Обеспечение длительного межпромывочного цикла работы;

- Автоматизация управления технологическими параметрами;

- Малая численность персонала и низкие дозовые нагрузки;

- Компактность выпарного оборудования и его встраиваемость в технологическую цепочку, например, для получения цементного компаунда.

Непрерывность очистки греющей поверхности установки от отложений в процессе упаривания позволяет обеспечивать безостановочную работу по переработке ЖРО в течение нескольких месяцев, что выгодно отличает данную установку от существующих выпарных аппаратов. К особенностям предлагаемой технологии можно так же отнести:

- безреагентность процесса упаривания;

- низкие энергозатраты при переработке ЖРО средней и низкой активности;

- отсутствие охлаждающего контура;

- нетребовательность к составу и солесодержанию перерабатываемых ЖРО;

- широкий диапазон солесодержания получаемого концентрата;

- очистка греющей поверхности от отложений в процессе упаривания;

- минимальное количество вторичных ЖРО;

- возможность создания транспортируемых модулей;

- встраиваемость технологии в комплекс по переводу ЖРО в цементный компаунд;

- удобство автоматизации процессов;

- существенное снижение стоимости переработки ЖРО;

- быстрая окупаемость оборудования.

6. Технология упаривания в барабанных пленочных испарителях (БПИ)

Проблемы накипеобразования на теплообменных поверхностях при проведении упаривания и дистилляции существуют в различных отраслях промышленности (атомная, химическая, гидрометаллургическая, фармацевтическая, пищевая и т.д.). Предлагаемая технология направлена на решение этой проблемы и создание оборудования для безреагентного концентрирования и дистилляции растворов, в частности при переработке ЖРО. В сочетании с применением нагрева теплообменных поверхностей за счет рекомпрессии вторичного пара предлагаемая технология обеспечивает энергосберегающий режим работы и низкие эксплуатационные расходы. Реализация принципа непрерывной очистки греющих поверхностей в процессе выпаривания позволяет неограниченно увеличивать межпромывочный цикл выпарного оборудования

Принцип упаривания предлагаемой технологии по физике процесса более всего близок к роторным испарителям, однако движение материальных потоков идет в непрерывном режиме, без необходимости периодического заполнения выпарного сосуда и полного слива концентрата. Кроме того, имеется механическая система очистки греющей стенки от отложений под уровнем упариваемого раствора, что стало возможным при переходе от формы колбы к форме полого цилиндра (рис.8).

Как и в роторных испарителях, принцип действия БПИ основан на испарении растворителя (например, воды) с поверхности пленки жидкости, растекающейся по внутренней подогреваемой поверхности вращающегося барабана. Непринципиальным отличием можно считать способ нагрева испарительного сосуда. Если в роторных испарителях нагрев колбы осуществляется ее частичным погружением в чашу с подогреваемой водой или маслом (так называемую «баню»), то для БПИ нагрев испарительного барабана на внешней поверхности осуществляется предпочтительно конденсирующимся паром либо инфракрасным излучением.

Еще одним из прототипов БПИ являются барабанные кристаллизаторы, в которых проблема инкрустации поверхностей решается размещением внутри тяжелой цепи, перекатывающейся при вращении барабана. В предлагаемой конструкции вместо цепи предлагается использовать шнековую конструкцию, которая при перекатывании не только очищает стенки, но и перемещает образующиеся кристаллы к точке выгрузки.

Процесс пленочного испарения либо исключает, либо многократно снижает фрагментацию раствора в результате разрыва пленок паровых пузырьков и уноса мелких капель (аэрозолей) вместе с паром в устройство конденсации, что обеспечивает высокую степень очистки конденсата вторичного пара от аэрозолей. Особенности механизма тонкопленочного испарения позволяют упаривать некоторые растворы до очень высоких концентраций, вплоть до «солевого плава».

 

Рисунок 8 – Реализация в БПИ принципов роторных испарителей, барабанных кристаллизаторов и механической рекомпрессии пара


6.1 Преимущества применения технологии безреагентного упаривания

Применение барабанных пленочных выпарных аппаратов для переработки накипеобразующих растворов, позволят потребителям:

- Решить проблему накипеобразования на теплообменных поверхностях при проведении упаривания и дистилляции растворов;

- Обеспечить высокую степень очистки вторичного пара от аэрозолей;

- Отказаться от необходимости использования химических реагентов для борьбы с накипью;

- Обеспечить энергосберегающий режим работы и низкие эксплуатационные затраты;

- Полностью или частично возвращать растворитель в технологический цикл;

- Достигать заданного уровня концентрации раствора.

Можно выделить следующие преимущества применения технологии безреагентного упаривания:

- Вакуумная дистилляция в БПИ: простой принцип – эффективный результат;

- Рециркуляция тепловой энергии обеспечивает высокую эффективность процесса и отпадает необходимость в греющем паре и в контуре охлаждения;

- Барабанный пленочный испаритель с системой самоочистки обеспечивает непрерывный цикл работы без ухудшения параметров теплопередачи;

- Автоматический режим работы при простой и надежной системе контроля и управления;

- Возможность применения дополнительной системы доочистки вторичного пара;

- Многофункциональность комплекса: дистилляция, экстракция, концентрирование;

- Низкие требования к квалификации персонала;

- При применении в ядерной энергетике резко снижаются дозовые нагрузки на персонал из-за отсутствия необходимости в шомполении теплообменных трубок;

- Высокая ремонтопригодность.

6.2 Модульное построение выпарного аппарата

Предлагается модульное построение выпарного аппарата. Это снизит затраты на изготовление, кроме того универсальный модуль имеет ряд других преимуществ:

- легкая масштабируемость производительности выпарной установки;

- простая технология изготовления, сборки и транспортировки модулей;

- изготовление модулей большими партиями;

- быстрая перенастройка выпарных установок на другую производительность и т.д.

Выпарной модуль состоит из горизонтального вращающегося барабана, размещенного в герметичном корпусе. С одной стороны, к модулю подводятся и отводятся рабочие среды, а с другой стороны расположен герметичный привод вращения (магнитная муфта), что позволяет решить проблемы с герметичностью выпарного модуля и установки в целом (рис.9).

Габаритные размеры выпарных модулей удобны для транспортировки обычным автомобильным, морским и железнодорожным транспортом. Транспортировка конструкций каркаса установки, теплообменников, приводов вращения барабанов и других более мелких элементов конструкции так же не вызывает трудностей при доставке заказчику. При использовании технологии MVR в качестве компрессоров целесообразно использовать насосы Рутса, так как они обладают хорошими технико-экономическими показателями и удобны для транспортировки.

Рисунок 9 – Отдельный модуль барабанного пленочного испарителя

Очистка греющей поверхности от солевых отложений производится механически, под уровнем раствора, например, перекатывающимся спиральным безосевым шнеком.

Рассматриваемый процесс пленочного испарения во вращающемся барабане либо исключает, либо многократно снижает фрагментацию раствора в результате разрыва пленок паровых пузырьков и уноса мелких капель (аэрозолей) вместе с паром в конденсатор, что обеспечивает высокую степень очистки конденсата вторичного пара от включений радиоактивных солей.

Эффективность технологии барабанного пленочного испарения обусловлена высокими коэффициентами теплоотдачи при конденсации (внешняя стенка барабана) и при испарении (внутренняя стенка барабана).

Использование технологии MVR дает возможность использовать вторичный пар, получаемый внутри барабана, в качестве греющего пара для паровой рубашки этого же барабана, что позволяет кратно снизить энергозатраты при повышении производительности.

6.3 Пример модульной установки БПИ производительностью 15 т/ч

В качестве примера рассматривается модульная установка производительностью 15т/ч по выпаренной жидкости. Для обеспечения такой производительности установка включает 59 выпарных модулей, соединенных по параллельной схеме и имеет габаритные размеры Д×Ш×В – 7,0×6,0×4,0м. (рис.10). Длина греющей части барабана 5,0 м, корпус выполнен из трубы диаметром 540×3мм, а барабан из трубы диаметром 508×6мм.

Рисунок 10 – Модульная выпарная установка на базе БПИ производительностью 15 т/ч

После того, как установка собрана, монтируется теплоизолирующий кожух, обеспечивающий нормальные условия работы персонала в помещении и снижающий потери тепловой энергии. При этом зона приводов вращения остается открытой для обеспечения оптимального температурного режима.

Паровые коллекторы, подводящие и отводящие пар к компрессорам типа Рутса, из-за низкой плотности пара имеют достаточно большой диаметр проходного сечения - 350 мм, и для обеспечения требуемой производительности по выпаренному продукту (15 т/ч) необходимы четыре компрессора HDSR...З50WN (рис.11). Характеристики этого компрессора приведены в таблице ниже. Подсоединение компрессора к выпарной установке на рисунках не приведено.

Упариваемый раствор через рекуператор с горячим конденсатом подается во вращающийся испарительный барабан, где происходит его испарение с нагреваемой пленки. Полученный пар сжимается и подогревается в насосе Рутса, после чего подается на внешнюю стенку барабана, на которой происходит его конденсация и отвод горячего конденсата на рекуператор. Периодически кратковременно открывается электромагнитный клапан и упаренный до нужной концентрации раствор передавливается в вакуумируемую емкость, которая может также выполнять функцию мерной емкости при приготовлении цементного компаунда. Под действием большого перепада давления скорость выгрузки в трубопроводе велика, причем наличие частиц кристаллов при высокой скорости очищает стенку и не дает образовываться отложениям в трубопроводе выгрузки концентрата (в самом барабане отложения не образуются благодаря перекатывающемуся шнеку).

Для обеспечения нормальной работы установки необходимо наличие системы сжатого воздуха и системы вакуумирования. Из-за механического способа поддержания греющей поверхности в состоянии свободном от накипи, отсутствуют ограничения по степени упаривания солевых растворов. Кристаллизация и выпадение части солей в твердый осадок не представляет проблемы, так как при перекатывании шнека пульпа перемещается к точке выгрузки, а не скапливается на дне вращающегося барабана.

Рисунок 11 – Параметры насосов Рутса для применения в выпарных аппаратах

6.4 Конкурентные преимущества модульных выпарных аппаратов

Модульные выпарные установке на базе БПИ имеют существенные преимущества по сравнению с другими выпарными аппаратами:

- Технологичный наукоемкий подход удешевляет производство унифицированных выпарных модулей и обеспечивает их высокое качество;

- Практически отсутствуют ограничения по производительности выпарной установки, так как количество задействованных унифицированных выпарных модулей не ограничено;

- Монтаж выпарных модулей в выпарной установке можно проводить с учетом существующей геометрии отведенных площадок с применением простого подъемно-транспортного оборудования;

- Удобство транспортировки, загрузки, выгрузки, монтажа и демонтажа унифицированных модулей;

- Технология модульного построения позволяет максимально сократить сроки реализации проекта, причём это в равной степени касается как времени изготовления унифицированных модулей, так и времени монтажа выпарных установок;

- Универсальность (однотипные модули могут применяться в установках разной производительности);

- При применении рекомпрессии пара рециркуляция тепловой энергии обеспечивает высокую эффективность процесса и отпадает необходимость в греющем паре и в контуре охлаждения;

- Барабанный пленочный испаритель с системой самоочистки обеспечивает непрерывный цикл работы без ухудшения параметров теплопередачи;

- Автоматический режим работы при простой системе контроля и управления;

- Высокая степень очистки раствора;

- Возможность применения дополнительной системы доочистки вторичного пара;

- Многофункциональность комплекса: дистилляция, экстракция, концентрирование;

- Низкие требования к квалификации персонала;

- В ядерной энергетике резко снижаются дозовые нагрузки на персонал из-за отсутствия необходимости в механической очистке теплообменных трубок;

- Высокая ремонтопригодность;

- Относительно низкая стоимость аппаратов и их монтажа;

- Низкие эксплуатационные затраты;

- Встраиваемость в непрерывный технологический цикл.

Рыночная привлекательность технологии заключается в востребованности оборудования с неограниченным межпромывочным циклом, низкими эксплуатационными и энергетическими расходами.

Предполагаемыми конкурентами являются производители роторно-пленочных испарителей. Преимуществом перед ними можно считать высокую степень очистки раствора, более простое техническое обслуживание, малые высотные габариты.

Референтность технологии подтверждается в реально работающих физических процессах: пленочного испарения во вращающихся колбах роторных испарителей, в процессах конденсации греющего пара и испарения в вальцовых сушилках, в использовании во многих современных выпарных установках механической рекомпрессии пара (MVR). В предлагаемой технологии каждый из применяемых физических процессов хорошо изучен и опробован в работающих аппаратах.

6.5 Экономические и технологические аспекты применения новой технологии

Наиболее наглядно преимущества новой технологии можно проиллюстрировать на примере ее возможного применения в атомной промышленности - при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО)

Обеспечение эффективной переработки накопленных ЖРО является одной из важнейших задач обращения с радиоактивными отходами. Непрерывность механической очистки греющей поверхности установки от отложений в процессе упаривания позволяет обеспечивать безостановочную работу по переработке ЖРО с течение нескольких месяцев, что выгодно отличает данную установку от существующих выпарных аппаратов. Из приведенной ниже Таблицы 1 видно, что при переработке ЖРО кроме технологических преимуществ барабанные установки имеют хорошие стоимостные характеристики и обеспечивают низкие эксплуатационные затраты при высокой производительности.

Сравнительные стоимостные параметры переработки ЖРО различными методами, включая выпаривание в модульных выпарных установках приведены на рис.12.

Рисунок 12 – Сравнение стоимости переработки ЖРО различными методами, тыс.руб/м3 [8]

Сравнение стоимости обращения и захоронения ТРО различными методами, включая технологию с применением отвержения концентрированных растворов цементированием в унифицированные цементные блоки и их захоронение, приведены на рис.13.

Рисунок 13 – Сравнение стоимости обращения и захоронения ТРО различными методами, тыс.руб/м3 [8]

Заключение

· Для оптимизации технологии переработки больших объемов ЖРО среднего и низкого уровня активности на этапах концентрирования, кондиционирования, хранения, транспортирования и захоронения (окончательной изоляции) предложено проводить операции в следующей последовательности:

1. Концентрирование радиоактивных растворов в барабанных пленочных испарителях до концентрации 700-800 г/л;

2. Цементирование концентрированных растворов с получением унифицированных цементных блоков (УЦБ) одинаковых геометрических размеров, удобных для временного хранения и перевозки в контейнерах, а также для плотной кладки в пунктах окончательной изоляции;

3. Пропитка поверхности УЦБ жидким стеклом, и паспортизация блоков по параметрам радиоактивности;

4. Загрузка УЦБ после затвердевания в контейнер для временного хранения;

5. Выдержка не менее 1 года УЦБ в контейнере для окончания процесса гидратации цементного компаунда;

6. Транспортировка автомобильным или железнодорожным транспортом контейнеров с УЦБ к пунктам окончательной изоляции;

7. Укладка УЦБ промышленным роботом в пункте окончательного захоронения в соответствии с принципом вложенности – в центре цементного массива укладывают наиболее активные блоки, а далее по мере убывания активности. Наименее активные УЦБ укладывают на периферии таким образом, что менее активные блоки выполняют роль радиационной защиты для более активных УЦБ, причем между всеми блоками находятся гидроизолирующие и фильтрующие слои бентонитовой глины;

8. После заполнения пункта окончательной изоляции УЦБ сверху укладываются листы нержавеющей стали, бетон, гидроизолирующие слои для возможности формирования «зеленой лужайки».

· Для решения проблем концентрирования ЖРО среднего и низкого уровня активности до оптимальной концентрации предлагается использовать модульные выпарные установки на базе БПИ;

· Для снижения стоимости строительства пунктов окончательной изоляции предлагается капитальное строительство проводить только на уровне земли и ниже, а стены, перекрытие, мостовой кран с платформой для укладки УЦБ и бентонитовой глины предлагается делать мобильными, перемещающимися на новое место после того, как будет подготовлено новое место для укладки УЦБ.

· Чем большее внешних слоев в пункте окончательной изоляции занимают очень низкоактивные (практически нерадиоактивные) унифицированные цементные блоки, тем лучшую защиту от выхода опасных радионуклидов в окружающую среду от УЦБ САО и НАО они обеспечивают в долговременной перспективе и тем проще и дешевле подземная часть капитальных строительных конструкций пунктов окончательной изоляции. Этим одновременно решается вопрос об экономически оправданной утилизации ОНАО, объемы которых наиболее велики.

Список источников

1. Невилль А.М., Свойства бетона, Издательство литературы по строительству, М., 1972, Стр.31

2. Козлов П.В., Разработка технологии иммобилизации жидких солесодержащих САО в цементную матрицу с последующим хранением компаунда в отсеках большого объема, диссертация, Санкт-Петербург, 2009

3. Маслов М. В., Гупало B.C., Чистяков В.Н. Исследование схем обращения с накопленными радиоактивными отходами в целях их подготовки для окончательной изоляции// Горный информационно аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - М.: 2012. - №1, - С. 160-164;

4. И. В. Узикова, В. А. Узиков, И. Г. Меринов //Применение принципа вложенности при захоронении РАО/ Applying the principle of nesting in the disposal of radioactive wastes / Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - N 2 (82). - С. 77-85

5. Муратов О.Э., Тихонов М.Н., Радиоэкологические аспекты обращения с РАО и ОЯТ в условиях инновационного развития ядерной энергетики / http://nuclear-submarine-decommissioning.ru/node/755;

6. Узиков В.А., Кочнов Я.К, Осипова Н.Е., Узикова И.В., Патент РФ № 2488421 «Способ концентрирования жидких растворов»;

7. Узиков В.А., Кочнов Я.К, Осипова Н.Е., Узикова И.В., Патент РФ № 2619768 «Выпарная установка для концентрирования жидких растворов»;

8. РАО в Приволжье разложили по схеме. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://atomicexpert-old.com/content/rao-v-privolzhe-razlozhili-po-sheme. (Дата обращения: 17.07.2019).







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8711