Очистка газовых выбросов от РБГ

 

К числу РБГ, наиболее часто встречающихся в атомной энергетике, относят Kr, Xe, Ar. Они являются β и γ-излучателями. Основные радионуклиды и периоды их полураспада представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Периоды полураспада радионуклидов Kr, Xe, Ar

Радионуклид	Период полураспада	Радионуклид	Период полураспада
41Ar	1,82 часа	88Kr	2,77 часа
77Kr	1,1 часа	131m Xe	очень мал
85m Kr	4,36 часа	133Xe	5,27 сут
85Kr	10,6 года	135Xe	часа
87Kr	1,3 часа

 

РБГ образуются в реакторе в результате деления ядер урана. Так, при работе реактора выделяется 11 изотопов Xe.

Основной путь проникновения РБГ в организм – через органы дыхания.

РБГ требуют сложных очистных устройств для удаления, так как при нормальных условиях не вступают в химические реакции и очень плохо адсорбируются. В то же время, основная особенность большей части указанных в таблице 1 – короткий период полураспада, поэтому для освобождения газовых выбросов от короткоживущих РБГ используют адсорбционные колонны и газгольдеры.

Газгольдеры бывают двух типов: емкостного и лабиринтового. Их используют при: 1) небольших расходах газовой фазы; 2) когда можно ограничиться невысокой степенью улавливания (80÷90%).

Адсорбционные методы работают при сверхнизких температурах (до -185ºС), в качестве адсорбента чаще всего используют активированный уголь, при этом достигаются высокие коэффициенты адсорбции РБГ (см. таблицу 2).

 

Таблица 2 – Коэффициенты адсорбции РБГ на активированном угле марки СКТ-М, м³/м³, при различной температуре

Температура, ºС	Коэффициент адсорбции, м3/м3	Температура, ºС	Коэффициент адсорбции, м3/м3
Kr	Xe	Kr	Xe
+20		4,9·102	-75	1,86·102	8,9·103
	43,2	8,09·102	-110	3,0·102	1,9·104
-25	93,1	2,45·103	-130	5,5·102	6,1·104
-35	1,2·102	4,3·103	-140	9,1·102	1,4·105

 

Коэффициент адсорбции показывает, какой объем газа, приведенный к н.у., адсорбируется в единичном объеме адсорбента. Он зависит от физико-химических свойств адсорбента и температуры процесса.

Адсорбционные методы позволяют достичь высокой степени улавливания (более 99%). Для короткоживущих нуклидов РБГ адсорбционные колонны используют обычно по принципу «вечных колонн», которые работают в непрерывном режиме и длительное время не требуют регенерации.

В колонне одновременно происходят два процесса: 1) улавливание РБГ; 2) распад уловленного РБГ. Если скорость второго процесса равна или превосходит скорость первого, то срок службы «вечных колонн» определяется износом сорбента и загрязнением его посторонними веществами и продуктами распада РБГ.

Схема очистки газовых выбросов от РБГ представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 - Схема очистки газовых выбросов от РБГ

1 – теплообменник; 2 – сепаратор влаги; 3 – цеолитовые колонны (доулавливание водяных паров); 4 – угольный адсорбер; 5 – электрокалорифер (подогрев воздуха); 6 – фильтр грубой очистки; 7 – фильтр тонкой очистки.

 

Удаление изотопов иода

Изотопы иода, как и РБГ, образуются в результате реакций деления урана и плутония.

Стабильный изотоп – ¹²⁷I, образующиеся в реакциях деления - ^{129,131,132,133}I.

Иод характеризуется высокой миграционной способностью. Токсическое действие ¹³¹I – нарушение функции щитовидной железы, снижение функциональной активности, образование опухолей. Периоды полураспада: ¹²⁹I – 1,5·10⁷ лет, ¹³¹I – 8,05 суток.

Выход изотопов ¹³¹I и ¹²⁹I в реакторах: для ¹³¹I – 130 ГБк/ГВт·сут (ВВЭР), 360 ГБк/ГВт·сут (РБМК); для ¹²⁹I – в тысячи раз меньше.

Виды соединений иода в газовых выбросах:

1) Молекулярный иод – I₂. Он адсорбируется на аэрозолях.

2) Иодорганические соединения – например, CH₃I. Наиболее трудноудаляемые соединения.

Удаление молекулярного иода из газовых выбросов осуществляется двумя способами: барботированием газа через раствор щелочи (окислительно-восстановительная реакция) и пропусканием через колонны с адсорбентом, насыщенным AgI или AgNO₃ (реакция изотопного обмена либо просто обменная реакция с образованием менее растворимого соединения).

Удаление иодорганических соединений осуществляется за счет адсорбции их активированными углями.

Принципиальная схема очистки газов от иода на участке растворения ОЯТ представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема очистки газов от иода на установке растворения ОЯТ

1 – аппарат-реактор;

2 – дефлегматор (обратный холодильник) – представляет собой теплообменник (холодильник), при его прохождении пары конденсируются и возвращаются в аппарат-растворитель;

3 – щелочные барботеры (с охлаждением);

4 – кислый барботер (HNO₃, 3÷5 моль/л) – служит для удаления капель щелочи;

5 – аэрозольный фильтр;

6 – «серебряные» фильтры (колонны адсорбционные, в которых насадка – алюмогель – насыщена AgI или AgNO₃). Поток газа идет таким образом: либо 6₁ – 6₃, либо 6₂ – 6₃, при этом в отсеченной колонне ¹³¹I распадается (в течение ~3 месяцев), так называемая «вечная колонна», после чего они меняются. Рабочая температура 210÷300ºС. Срок службы сорбента определяется износом сорбента и загрязнением его посторонними веществами, после чего сорбент перерабатывают и локализуют.

7 – угольные колонны – активные угли СКТ и АГ-3. Рабочая температура 50÷60ºС. Колонны пожароопасны, работают попеременно. Нагреваются до рабочей температуры газом, который нагревают предварительно в теплообменнике. После угольных колонн воздух сбрасывается в вентиляционную систему.

Иногда при высоком содержании примесей на участке 1-2 газ омывают поглощающими реагентами.

Удаление трития

Удаление трития основано на поглощении его малым объемом воды (по реакции изотопного обмена) с дальнейшей адсорбцией этой воды поглотителем (силикагелем) и локализацией.

Лекция №3 Обращение с ЖРО

Существует три подхода к обращению с ЖРО:

- разбавление и сброс в окружающую среду;

- долговременное контролируемое хранение (САО, ВАО);

- переработка.

Первые два подхода были широко распространены на заре атомной отрасли и в ряде случаев привели к существенному загрязнению ОС. Однако в силу ряда нетехнологических причин (экономическая затратность) данные подходы распространены до сих пор.

Первый подход реализуется тремя путями:

- сброс в водоемы при условии, что в нем происходит необходимое разбавление, а также реализуются естественные процессы связывания загрязнителей, предотвращающие их накопление в воде и живых организмах выше допустимых норм (Англия, Селлафильд, Франция, мыс Аг – в Атлантический океан);

- создание гидротехнических сооружений, полностью или частично изолирующих водоем, в который ведется сброс ЖРО, от открытой гидросистемы, что позволяет регулировать поступление и миграцию радионуклидов в ОС (Россия, ПО «Маяк» - в оз.Карачай, ТКВ);

- применение гидрогеологических методов, в частности, закачивание таких вод в глубокие подземные пласты, надежно изолированные водонепронецаемыми пластами от водоносных слоев. Закачивание ЖРО в глубокие подземные пласты связано с предварительной подготовкой их для предотвращения кольматации водопоглощающих пород (Россия, Красноярский ГХК).

Долговременное контролируемое хранение ЖРО (ВАО и САО) осуществляется в герметичных емкостях (бетонных, облицованных нержавейкой) с охлаждением либо без, в зависимости от уровня активности отходов. Данный подход является временным.

Третий подход (переработка ЖРО) направлен на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов и концентрирования последних в минимальном объеме. Для этого используют следующие методы:

1) Механические – основаны на действии гравитационного и/или инерционного поля на примеси, - приводят к механическому разделению примеси и воды. Примеси не изменяют свою структуру и химический состав. К ним относят: процеживание, отстаивание, фильтрование на медленных и безнапорных фильтрах, центрифугирование, сепарацию в гидроциклонах.

2) Физико-химические и физические – основаны на действии внешних физико-химических и физических сил на СВ (Р, tº, акустическое, электромагнитное, электростатичес-кое, тепловое поле) или внутренних сил (поверхностных, межмолекулярных). К ним относят: коагуляцию и флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, мембранные методы, электродиализ, электро- и гальванокоагуляцию, термические методы (дистилляцию и вымораживание), отгонку и отдувку летучих компонентов, магнитную сепарацию, УФ- и γ-облучение.

3) Химические – основаны на действии сил ионного или ионно-молекулярного уровня, вызывающие структурно-химические изменения примесей. Подразделяются на методы:

- нейтрализации;

- окисления и восстановления;

- осаждения;

- комплексообразования.

Основными являются три группы методов: термические, сорбционные+осадительные+экстракционные, мембранные. Остальные методы являются применяются в технологических схемах очистки ЖРО в качестве дополнительных.

Усреднение

Усреднители применяются для регулирования состава и расхода ЖРО, поступающих на очистку. Поддержание постоянного расхода и усредненной концентрации загрязнений повышает эффективность и надежность работы устройств механической и физико-химической очистки.

Усреднители представляют собой прямоугольные резервуары из железобетона. Перемешивание СВ осуществляется двумя способами: 1) дифференцированием потока; 2) принудительно (мешалками, насосами, барботажом сжатого воздуха).

Схема усреднителя с дифференцированием потока представлена на рисунке 1.

Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций СВ к сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.

Кроме того, применяют радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения производственной СВ по концентрации загрязнений.

Механические методы очистки ЖРО

Механическая очистка – обязательная стадия очистки в начале схемы, возможно также применение в конечной части схемы (например, после осадительной стадии). Служит для выделения нерастворимых органических и минеральных примесей.

В зависимости от требований к качеству очищенной СВ применяют следующие методы очистки:

- процеживание через решетки и сетки (фракция > 16 мм);

- отстаивание в песколовках (фракция > 200 мкм) и отстойниках;

- фильтрация через фильтры с различной загрузкой (зернистой, плавающей, сетчатые фильтры, микрофильтры);

- гидроциклоны;

- центрифуги.

Для надежной работы схема должна иметь не менее двух параллельно работающих аппарата на каждой стадии.

Процеживание через решетки – осуществляется путем пропускания СВ через решетки или сита для извлечения крупных примесей, которые могут засорить трубы. Решетки представляют собой металлические стержни, параллельно установленные на расстоянии 16 мм друг от друга вертикально либо под углом 60-70 градусов. Очистка решеток от загрязнений производится механически. Снятые загрязнения измельчаются и либо сбрасываются в поток СВ за решеткой, либо утилизируются. В последнее время используют совмещенные решетки-дробилки, позволяющие не извлекать крупные примеси из СВ. Обычно чем меньше скорость потока СВ, тем больше загрязнений задерживается при процеживании.

Отстаивание в песколовках и отстойниках – основано на особенностях процесса осаждения твердых частиц в жидкости. При этом может иметь место:

1 – свободное осаждение не слипающихся частиц, которые сохраняют свою форму и размеры;

2 – осаждение частиц, склонных к коагулированию, изменяющих при этом свою форму и размеры.

Процесс осаждения можно проводить периодически и непрерывно. В ходе периодического осаждения распределение концентрации твердых частиц в объеме изменяется во времени. В случае же организации непрерывного процесса данная картина остается неизменной во времени.

Коэффициент осаждения (Р) определяется по формуле:

Р = (С_исх – С_осв)/ С_исх, (1)

где С_исх и С_осв – концентрация взвешенных частиц в исходном и осветленном растворах, соответственно.

Скорость стесненного осаждения (W_ос, м/с), определяемого не только замедлением частиц жидкой фазой, но и взаимодействием с другими частицами, зависит от диаметра частиц (d, мм), коэффициента свободного падения (g, 9,8 м/с²), плотности жидкой среды (ρ_ж, кг/м³) и частиц (ρ_ч, кг/м³) и в ламинарной области, согласно уравнению Стокса, определяется как:

W_ос = d²·g·(ρ_ч - ρ_ж)·ε/18·μ_c, (2)

где μ_c – динамическая вязкость СВ, ε – объемная доля жидкой фазы, определяется как:

ε = V_ж/(V_ж + V_ч). (3)

 

Песколовки используют для отделения от СВ минеральных частиц крупностью более 200 мкм при пропускной способности станции очистки СВ более 100 м³/сут. Основные типы песколовок следующие: горизонтальные песколовки с круговым и прямолинейным движением СВ, аэрируемые песколовки, тангенциальные песколовки со шнековым пескопромывателем.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический резервуар с коническим дном. СВ подводят по центральной трубе. В емкости СВ движется снизу вверх, при этом происходит осаждение примесей.

Горизонтальные отстойники – это прямоугольные резервуары, в которых СВ движется от одного конца к другому. Глубина Н = 1,5-4 м, длина (8-12)Н, ширина коридора 3-6 м, эффективность отстаивания ~ 60 %.

Для повышения эффективности отстаивание следует проводить в тонком слое жидкости, что позволяет сократить время процесса и, следовательно, уменьшить размеры отстойников. Этот принцип реализуется в трубчатых и пластинчатых отстойниках.

В трубчатых аппаратах рабочие элементы (трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м) устанавливают либо под малым (до 5º), либо под большим (45-60º) наклоном. В первом случае аппарат работает периодически, т.к. необходима промывка трубок от осадка. Во втором случае осадок сам постоянно сползает в шламонакопитель, и процесс идет непрерывно. Эффективность отстаивания достигает ~ 85 %.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельных наклонных пластин. Применяются для осветления высококонцентрированных СВ.

Для интенсификации процессов осаждения применяют различные коагулянты и флокулянты.

Для создания центробежного поля при очистке жидкости используются аппараты двух типов: неподвижные, в которых вращается поток жидкости, и вращающиеся, в которых жидкость движется вместе с ротором аппарата. Аппараты первого типа носят название гидроциклонов, а второго – центрифуг.

Гидроциклоны – их действие основано на выделении твердых частиц из вращающегося потока воды в неподвижном корпусе цилиндрической, цилиндро-конической или конической формы под действием центробежной силы. Существуют открытые и напорные гидроциклоны.

Открытые гидроциклоны используют для выделения всплывающих и оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью более 0,2 мм/с и скоагулированных взвешенных веществ.

Типы открытых гидроциклонов:

- без внутренних устройств для выделения;

- с конической диафрагмой и с внутренним цилиндром для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ;

- многоярусные.

Также гидроциклоны подразделяют по схеме движения жидкости на прямоточные, в которых поток жидкости сохраняет первоначальное направление, и противоточные, в которых направление потока изменяется на 180º. Первые отличаются меньшим гидравлическим сопротивлением и меньшей степенью очистки.

В зависимости от способа подвода жидкости и конструкции устройства, закручивающего поток, можно разделить гидроциклоны на аппараты с боковыми патрубками (тангенциальными и спиральными) и аксиальные (с лопаточными завихрителями в виде винта или розетки). В противоточном гидроциклоне скорость вращения жидкости по мере достижения нижней части конуса возрастает и в нижней его точке спиральный поток поворачивает в противоположную сторону и вверх. При этом происходит выделение взвесей из потока в нижнюю часть гидроциклона. Недостатками противоточных гидроциклонов являются снижение эффективности сепарации при увеличении диаметра и значительное гидравлическое сопротивление. Основной причиной больших гидравлических потерь в противоточном гидроциклоне является изменение направления потока жидкости на 180º.

Достоинствами гидроциклонов являются компактность, простота обслуживания, отсутствие вращающихся частей. Однако скорость движения частиц в них гораздо меньше, чем в центрифугах, поэтому при очень малых размерах частиц эффективность очистки невысока.

Для повышения эффективности очистки используются многоярусные гидроциклоны, в конструкции которых совмещены принципы работы открытого гидроциклона и тонкослойного отстойника.

Напорные гидроциклоны используют для очистки СВ от грубодисперсных примесей (в основном, минерального состава). Конструкция напорного гидроциклона представлена на рисунке 5.

Указанные устройства могут быть единичными и батарейными (мультициклоны). Диаметр цилиндрической части гидроциклонов достигает 500 мм. Эффективность очистки достигает 70-80 %. Размер удаляемых частиц более 0,1-0,15 мм.

При равном расходе жидкости с уменьшением диаметра гидроциклона скорость движения жидкости увеличивается, при этом возрастает сила инерции, а следовательно, и степень очистки. Однако растет и гидравлическое сопротивление системы.

Центрифуги – используются для удаления мелкодисперсных осадков из СВ, а также для обезвоживания осадков. Центрифуга представляет собой в простейшем виде цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор укрепляется на валу, который приводится во вращение электродвигателем, и помещается в соосный цилиндрический неподвижный кожух. На внутренней поверхности ротора с перфорированными стенками закреплена фильтровальная ткань или тонкая металлическая сетка. Осадок после отделения от жидкости остается на роторе, а жидкая фаза (фугат) удаляется из него.

В отстойных центрифугах стенка сплошная, разделение по принципу отстаивания; в фильтрующих – стенки проницаемые, разделение по принципу фильтрования. Вместо разницы давлений – центробежная сила.

Для повышения тонкости очистки применяются тонкослойные центрифуги, в которых ротор при помощи различного рода вставок (цилиндрических, конических, спиральных и т.д.) разделен на несколько камер, высота которых, а следовательно и путь частиц значительно меньше, чем при толстослойном центрифугировании. Повышение эффективности очистки в таких конструкциях обусловлено также уменьшением проскальзывания ротора, наблюдаемого в толстослойных центрифугах.

Центрифуги позволяют достигнуть довольно высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении и постоянной пропускной способности, которые не изменяются в процессе работы, что является их преимуществом по сравнению с фильтрами. Однако по конструкции центрифуги значительно сложнее фильтров, больше по габаритам и массе, трудоемки в изготовлении, сложнее в эксплуатации, нуждаются в постороннем источнике энергии, а наличие вращающихся частей требует создания специальных сооружений (фундаментов и т.п.) и является источником повышенной опасности для обслуживающего персонала. Существенным недостатком центрифуг является их сравнительно малая пропускная способность, поэтому при очистке больших количеств жидкости их не используют.

Фильтрование

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий и эмульсий с использованием пористых и сетчатых перегородок или зернистых слоев, которые задерживают диспергированную фазу и пропускают жидкость. В практике очистки СВ используют следующие процессы фильтрования: фильтрование через фильтрующие перегородки, зернистые слои, микрофильтрация, фильтрование эмульгированных веществ.