Использование барабанно-пленочного испарителя для выпаривания низко- и среднеактивных жидких радиоактивных отходов. Возможные компоновки оборудования

Большинство действующих установок по переработке жидких радиоактивных отходов низкой и средней активности имеют те или иные недостатки [1]. Поэтому продолжаются попытки разработать эффективные и экономичные установки, пригодные для обращения с широким спектром радиоактивных растворов. Анализ конструктивных и технологичных решений [2] существующих наиболее перспективных аппаратов позволил выделить те из них, применение которых позволяет качественно улучшить процесс и результаты переработки:

• •    использование рекомпрессии вторичного пара;

• •    непрерывная очистка греющей поверхности в процессе упаривания;

• •    дополнительные средства очистки от загрязнения пара, возникающего вследствие молекулярного (летучесть, растворимость в паре), капельного (аэрозольного) и пенного уноса, не должны накладывать ограничения на производительность выпарных аппаратов;

• •    получение непосредственно в аппарате солевого раствора массовой концентрацией 700–800 г/л;

• •    применение технологии испарения без кипения;

• •    применение систем охлаждения концентрата и конденсата непосредственно в установке.

Наиболее полно перечисленные решения могут быть реализованы в установках, использующих барабанные пленочные испарители.

Барабанный пленочный испаритель

Аппарат представляет собой горизонтальный вращающийся барабан, частично заполненный выпариваемым раствором. Принцип его действия [3] основан на испарении воды из подогреваемых тонких плёнок жидкости на вращающейся поверхности, образуемых её смачиванием раствором солей (кубовым остатком), находящихся в нижней части барабана (рис. 1).

Процесс пленочного испарения исключает фрагментацию раствора и унос мелких капель (аэрозолей) вместе с паром в устройство конденсации, что обеспечивает высокую степень очистки конденсата вторичного пара от включений радиоактивных солей. Малое гидравлическое сопротивление от поверхности испарения до поверхности конденсации обеспечивает высокую эффективность процесса отделения воды при сохранении температуры раствора меньшей, чем температура его кипения [4].

Это позволяет существенно замедлить коррозионную деградацию материалов конструкции, обусловленную высокой концентрацией солей в растворе, что обеспечивает значительное увеличение эксплуатационного ресурса технологического оборудования [5].

В процессе работы за счет оседания солей на внутренней поверхности барабана испарителя происходит ухудшение теплопередачи между ней и раствором.

Для удаления отложений применяется система пассивной очистки поверхности, представляющая собой шнек. Внутри него организованы ячейки, образуемые перегородками, закрепленными на оси, и дополнительно служащие ребрами жёсткости. Между перегородками размещены металлические шарики, которые имеют одинаковую комплектность внутри ячеек, но разную массу. При движении шарики производят вибрации за счет столкновений и передают их шнеку, тем самым мешают закреплению солей на режущей поверхности. При вращении барабана-испарителя шнек также вращается, срезая оседающие соли за счет режущей кромки спирали, их отводят к месту выгрузки. Перекатывающийся шнек из-за его погружённости

Рис 1. Барабанный пленочный испаритель: 1 – внешний барабан; 2 – внутренний барабан; 3 – патрубок отвода чистого пара; 4 – патрубок отвода упаренного раствора; 5 – патрубок подвода раствора на упаривание; 6 – шнек; 7 – патрубок подвода греющего пара; 8 – привод вращения

Fig. 1. Drum Film Evaporator (DFE): 1 – outer drum; 2 – inner drum; 3 – pure steam outlet pipe; 4 – evaporated solution outlet pipe; 5 – solution inlet pipe for evaporation; 6 – auger; 7 – heating steam inlet pipe; 8 – rotation drive

Рис. 2. Продольный разрез шнека: 1 – ось; 2 – перегородка; 3 – труба; 4 – спираль; 5 – шарик

Fig. 2. Longitudinal section of the auger: 1 – axis; 2 – partition; 3 – pipe; 4 – spiral; 5 – ball в раствор не приводит к образованию пены, что снижает каплеунос. Продольный разрез шнека представлен на рис. 2.

Непрерывная очистка греющей поверхности в процессе упаривания обеспечивает получение непосредственно в аппарате солевого раствора массовой концентрацией 700–800 г/л.

В аппарате применяется технология рекомпрессии пара, при которой генерируемый во внутреннем барабане пар направляется в насос Рутса, в котором производится его механическое сжатие и повышение температуры. Сжатый в насосе Рутса пар используется в качестве греющего пара в паровой рубашке внешнего барабана, а образующийся там конденсат используется для подогрева в рекуператоре и направляется на упаривание раствора.

Описание различных исполнений

Барабанная установка перерабатывающего комплекса для атомных станций . Существующее оборудование выпарной установки системы переработки ЖРО среднего и низкого уровня активности трапных вод или вод спецпрачечных, образующихся на АЭС, предназначено для концентрирования ЖРО до уровня солесодержания 350 г/л. Для проектов, использующих цементирование, применяют дополнительное оборудование (например, УГУ-500), которое позволяет доводить концентрацию солесодержания до 700–800 г/л.

Применение БПИ в составе имеющейся технологии глубокого упаривания вместо используемых аппаратов УГУ-500 за счет особенности механизма тонкопленочного испарения позволит производить солевой плав с практически полным удалением растворителя (воды) из ЖРО.

Генерируемый в барабане пар с помощью насоса Рутса сжимается с 0,07 до 0,5 МПа, его температура повышается с 90 до 152 °C [6]. Для определения термодинамических циклов установки БПИ для АЭС, а также выбора компрессора построили диаграмму взаимосвязи давления и энтальпии (P-H-диаграмма). Для примера на рис. 3 показано, что при КПД компрессора 55 % сжатый пар перегреется до температуры 391 °C.

Снижение возможного числа отказов оборудования достигается резервированием (дублированием, троированием) установок. Увеличение количества барабанов повышает максимальную производительность и приводит к возможности маневрирования [7].

Концентрированный до солесодержания 700 или 800 г/л раствор из нижней части вращающегося барабана периодически отводится в вакуумированную емкость.

Рис. 3. P-H-диаграмма цикла установки для АЭС

Fig. 3. P-H diagram of a nuclear power plant cycle

В связи с задачей применения аппарата для упаривания ЖРО с высоким содержанием поверхностно-активных веществ, собираемых со спецпрачечных, в конструкцию аппарата внесен дополнительный модуль. Вторичный пар проходит через горизонтальный насадочный тепло- и массообменный аппарат [8] и доочищается от аэрозолей, возникающих в результате упаривания пенящихся жидкостей. Массообменный аппарат имеет набор секций кольцевых насадочных конструкций, частично погруженных в жидкость и расположенных смежно вдоль оси вала, разделенных перегородками, которые формируют зигзагообразный радиальноосевой и последовательно-параллельный канал прохода пара через кольцевые насадочные конструкции (рис. 4).

Регулирование степени очистки производится изменением расхода флегмы и частоты вращения насадочных конструкций. При их увеличении происходит интенсификация абсорбции радиоактивных аэрозолей на пленках насадок в секторах со стороны входа пара, что позволяет повышать степень очистки пара на выходе из аппарата.

Конденсат накапливается в ёмкость для сбора конденсата, и если дистиллят соответствует требованиям радиационного контроля, он может быть направлен для повторного использования в технологических системах либо отведен в открытую водную сеть. Пример реализации барабанной установки концентрирования для атомной станции представлен на рис. 5.

Мобильный автоматический перерабатывающий комплекс. Технология предназначена для переработки ЖРО низкой и средней активности и перевода их в безопасную форму хранения автономно в местах, где отсутствуют подразделения по кондиционированию ЖРО.

Мобильность установки позволяет передислоцировать ее на любой объект или участок в короткие сроки и начать переработку ЖРО. На рис. 6 приведен пример реализации мобильного автоматического перерабатывающего комплекса.

Доставка ЖРО осуществляется посредством транспорта или напрямую из источника через трубопроводы.

Рис. 4. Горизонтальный насадочный тепло- и массообменный аппарат: 1 – цилиндрический корпус; 2 – жидкость; 3 – патрубок подводы газовой среды; 4 – патрубок отвода газовой среды; 5 – патрубок подвода жидкости; 6 – патрубок отвода жидкости; 7 – вал; 8 – подшипниковая опора; 9 – привод вращения; 10 – кольцевая насадочная конструкция; 11 – разделительная кольцевая перегородка; 11a – разделительная дисковая перегородка; 12 – внешняя коаксиальная перфорированная обечайка разного диаметра; 13 – внутренняя коаксиальная перфорированная обечайка разного диаметра; 14 – насадка; 15 – узел герметизации; 16 – днище; 17 – днище

Fig. 4. Horizontal packed heat and mass transfer apparatus: 1 – cylindrical body; 2 – liquid; 3 – gas supply pipe; 4 – gas outlet pipe; 5 – liquid supply pipe; 6 – liquid outlet pipe; 7 – shaft; 8 – bearing support; 9 – rotary actuator; 10 – annular attachment structure; 11 – separating annular partition; 11a – dividing disk partition; 12 – external coaxial perforated shell of different diameters; 13 – internal coaxial perforated shell of different diameters; 14 – nozzle; 15 – sealing unit; 16 – bottom; 17 – bottom

Рис. 5. Пример реализации барабанной установки концентрирования для атомной станции: 1 – БПИ;

2 – горизонтальный насадочный тепло- и массообменный аппарат

Fig. 5. Example of a drum-type concentration plant for nuclear power plants: 1 – DFE; 2 – horizontal packed heat and mass transfer apparatus

Рис. 6. Пример реализации мобильного комплекса по переработке ЖРО: 1 – БПИ; 2 – блок приема раствора после упаривания; 3 – блок цементирования; 4 – энергетический модуль

Fig. 6. Example of implementing a mobile LRW management system: 1 – DFE; 2 – solution reception unit after evaporation; 3 – cementation unit; 4 – energy module

В отдельном трейлере расположен энергетический модуль, оснащённый дизель-генераторами, вакуумным насосом и компрессором сжатого воздуха, для обеспечения бесперебойной работы комплекса без применения насосного оборудования.

Отличительной особенностью БПИ мобильного комплекса от технологии, предлагаемой для АЭС, является применение спаренных барабанных пленочных испарителей, схема работы которых представлена на рис. 7.

На вход компрессора из БПИ второй ступени поступает 130 г/с насыщенного пара при давлении 0,07 МПа и температуре 90 ºС. В компрессоре пар сжимается до 0,27 МПа. При КПД компрессора 55 % сжатый пар перегреется до температуры 334 ºС. При попадании в греющую рубашку БПИ первой ступени дополнительно произведется 58 г/с пара, а температура понизится до температуры насыщения 130 ºС. Итого в греющей рубашке БПИ первого уровня будет конденсироваться 188 г/с греющего пара. Пар, передав тепло через теплопередающую стенку и сконденсировавшись, произведет в полости этого БПИ 144 г/с вторичного пара с температурой 110 ºС. Вторичный пар, конденсируясь в паровой рубашке БПИ второй ступени, произведет 130 г/с вторичного пара при давлении 0,07 МПа и температуре 90 ºС, который поступит на вход компрессора. P-H-диаграмма цикла установки для мобильного комплекса представлена на рис. 8. В связи с изменением вязкости, коэффициента теплопроводности раствора при солесодержании выше 300 г/л [9] и малым перепадом температур между стенкой и паром при производительности 2 м3/ч солесодержание раствора должно составлять 350 г/л.

Такая компоновка позволяет получить наибольшую производительность для БПИ, размещенного в прицепе длиной 13,6 м фуры грузоподъёмностью 20 тонн.

90 °C, 0,07 МПа

Рис. 7. Схема работы спаренных барабанов мобильного комплекса по переработке ЖРО

Fig. 7. Diagram of the paired drums of the mobile LRW treatment plant

Рис. 8. P-H-диаграмма цикла мобильной установки

Fig. 8. P-H diagram of the mobile installation cycle

Барабанная установка перерабатывающего комплекса для атомных станций малой мощности. Для обеспечения региональной энергетической безопасности и работы в локальных энергосистемах удаленных и труднодоступных регионов ведутся исследования и опытноконструкторские работы по изучению возможностей применения атомных станций малой мощности (АСММ), а следовательно, и установок по упариванию ЖРО в их составе. Примером возможной реализации может быть следующая установка.

Аппарат имеет единственный горизонтальный вращающийся барабан, частично заполненный выпариваемым раствором. Его конструкция отличается упрощенной системой очистки греющей поверхности [10] по сравнению с установками, использующими шнеки с пассивной системой сбрасывания солей. Это связано с малыми габаритами оборудования и, как следствие, малым диаметром внутренней полости шнека.

Одним из требований к разрабатываемому оборудованию для АСММ является автоматизация процессов для снижения численности персонала. В связи с этим процесс работы аппарата является непрерывным. Это обеспечивается благодаря применению тонкой настройки подачи ЖРО на упаривание с помощью специальных дросселирующих устройств [11].

Для повышения степени очистки конденсата вторичный пар проходит через барабанный скруббер, где обеспечивается доочистка от аэрозолей в случае упаривания пенящихся жидкостей (рис. 9).

Рис. 9. Аппарат для АСММ в разрезе: 1 – внешний барабан; 2 – шнек; 3 – внутренний барабан; 4 – скруббер; 5 – компрессор

Fig. 9. The device for SMR in the section: 1 – outer drum; 2 – auger; 3 – inner drum; 4 – scrubber; 5 – compressor

Сравнительная характеристика представленных аппаратов

Характеристики аппаратов БПИ различных исполнений представлены в табл. 1. Различие параметров по солесодержанию концентрата обусловлено изотопным составом ЖРО, требова-

Таблица 1. Характеристики аппаратов БПИ различных исполнений

Table 1. Characteristics of DFE devices of various designs

Параметры БПИ для АЭС Мобильный комплекс БПИ БПИ для АСММ Производительность по исходному раствору, м3/ч 0,5 2 0,07 Энергопотребление, кВт 65 90 11 Солесодержание исходного продукта, г/л 1–350 1–350 1–350 Солесодержание концентрата, г/л 350–800 350 350–700 Занимаемая площадь, м2 72 144 25 нием рецептуры для получения цементного компаунда, выбором системы очистки греющей поверхности.

Выводы

Технологии с применением барабанных пленочных испарителей демонстрируют высокую степень адаптивности и могут быть успешно интегрированы на ОИАЭ, таких как:

• •    атомные электростанции, где требуется переработка значительных объемов ЖРО, и спецпрачечные, где необходима очистка загрязненных вод, содержащих поверхностноактивные вещества;

• •    атомные станции малой мощности, для которых важна компактность и эффективность оборудования;

• •    для обслуживания водоемов-хранилищ радиоактивных отходов, для которых требуются мобильные автоматизированные комплексы.

Универсальность технологии позволяет:

• •    подбирать оборудование под конкретные условия эксплуатации;

• •    оптимизировать процессы переработки с учетом характеристик исходного ЖРО, за счет возможности работы с высоким исходным солесодержанием;

• •    интегрировать систему в существующие производственные цепочки.

Такой подход позволяет провести модернизацию существующих технологий переработки ЖРО, а также создать новые комплексы для ОИАЭ с учетом их специфических требований и условий эксплуатации.