способ очистки жидких радиоактивных отходов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки жидких радиоактивных отходов, включающий предварительный нагрев отходов, их испарение с образованием пара и рассола при поддержании в испарительной камере давления ниже атмосферного, рециркуляцию рассола, сжатие пара, его конденсацию, отвод конденсата и концентрированного рассола, отличающийся тем, что конденсацию сжатого пара осуществляют путем его пропускания через сверхзвуковой эжектор с одновременной подачей в камеру смешения эжектора части полученного в процессе конденсата, в испарительной камере давление, ниже атмосферного, поддерживают за счет циркуляции упомянутого конденсата по замкнутому контуру, включающему сверхзвуковой эжектор, магистраль отвода конденсата и теплообменное устройство, обеспечивающее косвенный теплообмен между отводимым конденсатом и рециркулирующим рассолом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически из диффузора сверхзвукового эжектора удаляют газы, выделившиеся на стадии конденсации сжатого пара.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рециркулирующий в процессе рассол подвергают дополнительной очистке от механических примесей.

4. Установка для осуществления способа, охарактеризованного по п.1, включающая емкость для рассола, выполненную в виде циклона и снабженную внутри трубчатым теплообменником, магистраль подачи рассола на испарение, снабженную циркуляционным насосом, испарительную камеру, соединенную магистралью отвода рассола с емкостью для рассола, а паропроводом - с компрессором, соединенным далее со сверхзвуковым эжектором, состоящим из соплового блока, камеры смешения и диффузора, магистраль отвода конденсата, оборудованную емкостью для конденсата и циркуляционным насосом, при этом емкость для конденсата связана с упомянутым трубчатым теплообменником, размещенным внутри емкости для рассола, а трубчатый теплообменник с другой стороны соединен с камерой смешения эжектора с образованием замкнутого контура для циркуляции конденсата.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что замкнутый контур для рециркуляции рассола образован последовательно соединенными емкостью для рассола, насосом, магистралью подачи рассола, испарительной камерой и магистралью отвода рассола.

6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что емкость для рассола снабжена входным патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов.

7. Установка по п.4, отличающаяся тем, что магистраль подачи рассола на испарение снабжена патрубком отвода концентрированного рассола.

8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что магистраль отвода конденсата снабжена патрубком вывода конденсата.

9. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит механический фильтр, установленный на магистрали подачи рассола на испарение перед насосом.

10. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в верхней части диффузора сверхзвукового эжектора установлен вакуумный насос.

11. Установка по п.4, отличающаяся тем, что испарительная камера оборудована дефлегматором.

12. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она оборудована соединительными трубопроводами, запорно-регулировочной арматурой и контрольно-измерительной аппаратурой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и очистки растворов с высоким солесодержанием, с использованием испарения и конденсации. В частности, оно может быть использовано для комплексной очистки загрязненных и солевых жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на различных объектах атомной промышленности.

В атомной промышленности и, в частности, на всех современных АЭС большое распространение получили методы очистки ЖРО, основанные на методе дистилляции (Б.Е.Рябчиков. «Очистка жидких радиоактивных отходов», М., ДеЛи принт, 2008, с.134-148). Самым распространенным методом выпарки на АЭС до настоящего времени является выпарка с использованием в качестве теплоносителя высоконапорного пара, подаваемого в верхнюю часть выносной греющей камеры, где он нагревает исходные ЖРО, идущие в противотоке снизу вверх. Затем ЖРО, нагретые до высоких (около 200°C) температур, из верхней части греющей камеры поступают в среднюю часть сепаратора, где происходит их мгновенное объемное вскипание. Образующийся вторичный пар через каплеотбойник поступает в конденсатор, а затем в систему доочистки конденсата, где его подвергают доочистке, в основном от радионуклидов цезия, которые попадают в конденсат за счет капельного уноса. Полученный концентрат ЖРО (кубовый остаток) с содержанием солей 150-350 г/л обычно направляют на цементирование.

Недостатком данного метода является большой расход энергии. Кроме того, используемые в способе выпарные установки отличаются большими габаритами, металлоемкостью и высокими эксплуатационными затратами. При наличии в ЖРО солей жесткости проведение процесса выпарки еще более осложняется из-за образования нерастворимых осадков на стенках аппарата.

Поэтому актуальным является разработка новых выпарных систем, обладающих большей компактностью и простотой.

Наиболее близким к предложенной группе изобретений являются способ и установка для переработки жидких радиоактивных отходов (см. Проспект фирмы NUKEM, «Evaporation of radioactive liquids», RWE NUKEM GmbH, Januar, 2002).

Известный способ включает предварительный нагрев ЖРО, их подачу на испарение с образованием пара и рассола при поддержании в испарительной камере давления, ниже атмосферного, рециркуляцию полученного рассола, сжатие пара, его конденсацию, вывод конденсата и сконцентрированного рассола.

В способе реализуется процесс «флеш»-испарения. Предварительно очищенные от механических примесей и нефтепродуктов ЖРО подают в выпарной аппарат, снабженный электронагревателем. Подогретые с помощью электронагревателя исходные ЖРО подают в трубчатый теплообменник, где они подогреваются за счет проходящего с другой стороны в противотоке тепла горячего конденсата. После этого по трубам подогретые ЖРО подают в верхнюю часть выпарного аппарата, в котором создают пониженное давление, обеспечивающее испарение воды при 78-91°C. Часть воды из ЖРО испаряется, а остальная в виде рассола сбрасывается самотеком обратно в бак, представляющий собой циклон-сепаратор. Пар подают через систему очистки пара от воды (каплеотбойник, дефлегматор) по трубам в компрессор, чтобы повысить его давление до величины, превосходящей величину давления на линии насыщения воды. Такой прием позволяет осуществлять конденсацию пара с возвратом тепла конденсации рециркулирующему рассолу и тем самым отказаться от использования внешнего источника охлаждения пара. Сжатый пар, имеющий температуру около 105-110°C, подают на внешнюю сторону вертикально установленных теплообменных труб, где его теплота передается холодному рассолу, проходящему по внутренней полости этих труб, за счет чего пар конденсируется. Горячий конденсат повторно пропускают через теплообменник, где он отдает тепло в поступающие исходные ЖРО. После этого конденсат, представляющий собой по существу дистиллированную воду, направляют на сброс или доочистку.

Известна установка для очистки ЖРО описанным выше способом. Она содержит бак рассола, снабженный магистралями подачи исходных ЖРО и слива рассола, циркуляционную магистраль рассола, снабженную насосом, испарительную камеру, паропровод, компрессор, вертикальный трубчатый теплообменник-конденсатор, рекуперационный теплообменник, работающий в системе жидкость-жидкость, бак для конденсата с патрубком вывода, запорно-регулировочную арматуру и контрольно-измерительную аппаратуру. На входе в испарительную камеру установлен деаэратор как обязательное устройство в данной установке. Бак для рассола выполнен в виде циклона-сепаратора, снабженного многоступенчатой системой очистки пара.

Таким образом, в известном техническом решении конденсация пара проходит в теплообменнике в системе пар-жидкость, при этом для подогрева исходных ЖРО используют еще один теплообменник, работающий в системе жидкость-жидкость.

Недостатки известного технического решения, принятого за прототип, сводятся к следующему. Способ характеризуется высокими энергозатратами. Осуществление конденсации пара в вертикально-трубчатом теплообменнике требует сложной системы управления, прецизионного исполнения трубок и их установки. Количество трубок в выпарном аппарате достигает нескольких сотен. Несоосность трубок не должна превышать по высоте десятых долей миллиметра, что осложняет изготовление установки. Кроме того, установка имеет повышенную чувствительность к изменению параметров процесса.

Задачей изобретения является создание надежного и экономичного способа переработки жидких радиоактивных отходов.

Поставленная задача решается описываемым способом очистки жидких радиоактивных отходов, который включает предварительный нагрев отходов, их испарение с образованием пара и рассола при поддержании в испарительной камере давления ниже атмосферного, рециркуляцию рассола, сжатие пара, его конденсацию, отвод конденсата и концентрированного рассола, при этом конденсацию сжатого пара осуществляют путем его пропускания через сверхзвуковой эжектор с одновременной подачей в камеру смешения эжектора части полученного в процессе конденсата, в испарительной камере давление ниже атмосферного поддерживают за счет циркуляции упомянутого конденсата по замкнутому контуру, включающему сверхзвуковой эжектор, магистраль отвода конденсата и теплообменное устройство, обеспечивающее косвенный теплообмен между отводимым конденсатом и рециркулирующим рассолом.

Согласно способу периодически из диффузора сверхзвукового эжектора удаляют газы, выделившиеся на стадии конденсации сжатого пара.

При необходимости рециркулирующий в процессе рассол можно подвергнуть дополнительной очистке от механических примесей.

Поставленная задача решается также заявленной установкой для осуществления способа. Заявленная установка включает емкость для рассола, выполненную в виде циклона и снабженную внутри трубчатым теплообменником, магистраль подачи рассола на испарение, снабженную циркуляционным насосом, испарительную камеру, соединенную магистралью отвода рассола с емкостью для рассола, а паропроводом - с компрессором, соединенным далее со сверхзвуковым эжектором, состоящим из соплового блока, камеры смешения и диффузора, магистраль отвода конденсата, оборудованную емкостью для конденсата и циркуляционным насосом, при этом емкость для конденсата связана с упомянутым трубчатым теплообменником, размещенным внутри емкости для рассола, а трубчатый теплообменник с другой стороны соединен с камерой смешения эжектора с образованием замкнутого контура для циркуляции конденсата.

Замкнутый контур для рециркуляции рассола, преимущественно, образован последовательно соединенными емкостью для рассола, насосом, магистралью подачи рассола, испарительной камерой и магистралью отвода рассола.

Емкость для рассола, предпочтительно, снабжена входным патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов.

Магистраль подачи рассола на испарение, предпочтительно, снабжена патрубком отвода концентрированного рассола.

Магистраль отвода конденсата, предпочтительно, снабжена патрубком вывода конденсата.

Заявленная установка может быть дополнительно снабжена механическим фильтром, установленным на магистрали подачи рассола на испарение перед насосом,

Предпочтительно, в верхней части диффузора сверхзвукового эжектора установлен вакуумный насос.

Предпочтительно, испарительная камера оборудована дефлегматором.

Заявленная установка оборудована соединительными трубопроводами, запорно-регулировочной арматурой и контрольно-измерительной аппаратурой.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1, где схематически изображена установка, содержащая следующие узлы и детали:

1 - насос для рассола;

2 - емкость для рассола;

3 - патрубок слива рассола;

4 - магистраль подачи рассола;

5 - магистраль отвода рассола;

6 - камера испарения;

7 - дефлегматор;

8 - компрессор;

9 - сужающийся паропровод;

10 - сопловой блок эжектора;

11 - камера смешения эжектора;

12 - диффузор эжектора;

13 - вакуумный насос;

14 - магистраль отвода конденсата;

15 - емкость для конденсата (опресненной воды);

16 - патрубок отвода конденсата (опресненной воды);

17 - циркуляционный насос для конденсата (опресненной воды);

18 - теплообменник;

19 - патрубок подвода жидких радиоактивных отходов.

20 - механический фильтр (при необходимости)

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Первоначально нагретый рассол (ЖРО) из емкости для рассола - 2 насосом - 1 по магистрали подачи рассола - 4 подают в камеру испарения - 6, где поддерживается давление ниже атмосферного и обеспечивается объемное вскипание рассола при пониженной температуре (78-92°C). Образовавшийся при вскипании пар через дефлегматор - 7 поступает в компрессор - 8, а оставшийся рассол по магистрали отвода рассола - 5 рециркулирует в емкость для рассола - 2. Таким образом, в камере испарения установки реализован циркуляционный принцип, поэтому при работе насоса - 1 постоянно через магистрали 4 и 5 происходит рециркуляция рассола. В компрессоре - 8 осуществляют сжатие пара, после чего его подают через паропровод - 9 в камеру смешения эжектора - 11. В месте подачи пара установлен сопловой блок эжектора - 10, из которого в камеру смешения эжектора - 11 из емкости с конденсатом (опресненной водой) - 15 насосом - 17 впрыскивается заранее приготовленная опресненная вода при пуске установки или полученный конденсат в процессе работы установки. В результате смешения сжатого пара с потоком пресной воды в камере смешения эжектора происходит практически полная конденсация пара, и полученная при этом газопарожидкостная смесь, состоящая из воды, остатков пара и выделившихся из рассола растворенных газов, поступает в диффузор эжектора - 12, в котором происходит торможение сверхзвукового газопарожидкостного потока. Из диффузора - 12 выходит конденсат с повышенной температурой за счет происшедшей в камере смешения эжектора - 11 конденсации с передачей воде избыточной теплоты парообразования. Выделившиеся из рассола газы оказываются в верхней части диффузора - 12, откуда их периодически удаляют с помощью вакуумного насоса - 13. Давление впрыскиваемой в эжектор воды обеспечивают насосом - 17, а температуру воды теплообменником - 18, в котором происходит теплообмен между конденсатом (опресненной водой), выходящей из диффузора - 12, и рассолом в емкости - 2. В процессе работы установки по магистрали отвода конденсата - 14 с помощью насоса - 17 конденсат циркулирует между емкостью - 15 и теплообменником - 18, по пути проходя по замкнутому контуру, содержащему сверхзвуковой эжектор, снабженный сопловым блоком, камерой смешения и диффузором. Излишнее количество конденсата отводят через патрубок отвода - 16. Компенсацию убыли рассола из-за испарения осуществляют через патрубок подвода исходных ЖРО - 19. Контроль за солесодержанием рассола и слив излишек концентрированного рассола осуществляют через патрубок слива рассола - 3. Этот слив ведут при достижении солесодержания в рассоле на уровне 300-600 г/дм³. Если установка снабжена дополнительно механическим фильтром - 20, то в нем осуществляют фильтрацию выпавших при концентрировании ЖРО солей.

Ниже приведены примеры осуществления способа, так как он описан выше, содержащие конкретные параметры процесса очистки.

Пример 1.

Использована установка с производительностью 0,16 кг/с (примерно 580 л/час) конденсата. Способ осуществляют в следующих условиях: температура исходных ЖРО (испаряемого рассола), подаваемого насосом - 1 по магистрали подачи рассола - 4 в камеру испарения - 6, составляет t=91°C; температура рассола, отводимого после испарения расчетного количества пара по магистрали отвода рассола - 5 в емкость - 2 составляет t=81°C; температура опресненной воды (конденсата), подаваемой в сопловой блок - 10 для осуществления конденсации сжатого пара составляет - t=81°C.

Для получения заданной производительности по конденсату обеспечивают непрерывную подачу 8,78 кг/с рассола в камеру испарения - 6. Это количество рассола, охлаждаясь при испарении от t=91°C до t=81°C, будет ежесекундно отдавать образующимся 0,16 кг пара 87,84 ккал.

Полученный первичный пар низкого давления подвергают сжатию в компрессоре в 1,3 раза, при этом его давление от начальных 0,05 МПа возрастает до давления в 0,065 МПа. За счет сжатия пара его температура на выходе из компрессора составляет = 110,14°C или 383,14 К. При этом скорость пара на выходе из сужающегося паропровода - 9 достигает величины 300 м/с. Адиабатическая работа по сжатию пара при таком расходе и перепаде давлений составляет 4,4 кДж. Расход энергии на сжатие пара в компрессоре составляет 10,2 кВт·час/м³ .

Для конденсации полученного количества пара в сопловой блок эжектора подают опресненную воду с температурой t=81°C под давлением 0,1 МПа и в количестве 8 кг/с. В результате на выходе из диффузора эжектора образуется водяной поток с температурой t=91,2°C = 364,2 К и давлением 0,075 МПа.

Для нагрева исходных ЖРО до t=91°C с учетом рекуперационного тепла требуется примерно 20 кВт·час/м³. Суммарный расход энергии на привод обоих насосов составляет 1 кВт·час/м ³. С учетом расхода энергии на вакуумный насос - 13, откачивающий содержащиеся в исходных ЖРО газы (не более 1,3 кВт·час /м ³), суммарный расход энергии в данном конкретном примере составляет 20+10,2+1+1,3=32,5 кВт·час/м³. Коэффициент очистки ЖРО от радионуклидов (определенный по содержанию в конденсате радионуклидов цезия) составил 4×10⁵.

Пример 2.

Использована установка по примеру 1. Способ осуществляют в следующих условиях: температура исходных ЖРО (испаряемого рассола), подаваемого насосом - 1 по магистрали подачи рассола - 4 в камеру испарения - 6, составляет t=78°C; температура рассола, отводимого после испарения расчетного количества пара по магистрали отвода рассола - 5 в емкость - 2 составляет t=70°C; температура опресненной воды (конденсата), подаваемой в сопловой блок - 10 для осуществления конденсации сжатого пара, составляет - t=70°C.

Для получения заданной производительности по конденсату обеспечивают непрерывную подачу 8,78 кг/с рассола в камеру испарения - 6.

Полученный первичный пар низкого давления подвергают сжатию в компрессоре в 1,32 раза, при этом его давление от начальных 0,04 МПа возрастает до давления в 0,053 МПа. За счет сжатия пара его температура на выходе из компрессора составляет около 105°C. При этом скорость пара на выходе из паропровода - 9 достигает величины 280 м/с. Расход энергии на сжатие пара в компрессоре составляет 11,2 кВт·час/м³.

Для конденсации полученного количества пара в сопловой блок эжектора подают опресненную воду с температурой t=70°C под давлением 0,12 МПа и в количестве 7.8 кг/с. В результате на выходе из диффузора эжектора образуется водяной поток с температурой t=78°C и давлением 0,062 МПа.

Для нагрева исходных ЖРО до t=78°C с учетом рекуперационного тепла требуется примерно 15 кВт·час/м ³. Суммарный расход энергии на привод обоих насосов составляет 1,2 кВт·час/м³. С учетом расхода энергии на вакуумный насос - 13, откачивающий содержащиеся в исходных ЖРО газы (не более 1,3 кВт·час/м³), суммарный расход энергии в данном конкретном примере составляет 15+11,2+1,2+1,3=28,7 кВт·час/м ³. Коэффициент очистки ЖРО от радионуклидов (определенный по содержанию в конденсате радионуклидов цезия) составил 8×10 ⁵.

В способе-прототипе при работе на установке, описанной в прототипе, при аналогичной заданной производительности по конденсату требуется израсходовать порядка 70 кВт*час/м ³.

Как видно из описания, техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение простоты технологии, заключающейся в отсутствии строгих требований к элементам установки и отсутствию сложной автоматики. Предложенная технология переработки ЖРО не имеет строгих требований к качеству очищаемой среды (ЖРО) и содержанию в ней попутных газов. Способ может быть реализован при содержании в ЖРО нефтепродуктов и других органических веществ, обычно мешающих осуществлению способа, основанного на известной выпарной технологии.