Газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления (варианты)

Группа изобретений относится к радиохимическим производствам атомной промышленности и может быть использована в составе установки для улавливания летучих продуктов деления, таких как радиоактивные аэрозоли и соединения радиоактивного йода, из отходящих газов в процессах пирохимической переработки облученного ядерного топлива. Газоочистной аппарат содержит закрепленный на раме сменный картридж. Картридж содержит комплект блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащий более 90% α-AlO_3. На каркас нанесен сорбционно-активный слой γ-оксида алюминия в количестве 15% масс или нитрата серебра в количестве 20% масс. Группа изобретений позволяет расширить компоновочные возможности малогабаритного газоочистного аппарата с повышенной сорбционной емкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к радиохимическим производствам атомной промышленности и может быть использована в составе установки для улавливания летучих продуктов деления, таких как радиоактивные аэрозоли и соединения радиоактивного йода, из отходящих газов в процессах пирохимической переработки облученного ядерного топлива.

Для локализации радиоактивных аэрозолей и радиоактивного йода в различных формах на различных переделах переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) применяются газоочистные аппараты, основным элементом которых являются сорбенты на основе активированных углей, углеродных и керамических волокон, стекловолокна, металлической ваты, а также гранулированные керамические контактные элементы на основе цеолитов, силикагелей или алюмогелей, импрегнированных химическими адсорбентами, среди которых наиболее эффективными являются соединения серебра.

Так, в российских промышленных фильтрах-адсорберах типа АУИ-1500, выпускаемых АО "Прогресс-Экология", для улавливания радиоактивных аэрозолей и радиойода в условиях АЭС, заменяемые йодные модули заполнены углеродными сорбентами на основе активированных углей СКТ-3, импрегнированных йодидами металлов (Ягодкин И.В., Мартынов П.Н., Мельников В.П., Посаженников А. М., Паповянц А.К., Осипов В.П., Гришин А.Г. Состояние разработок современного фильтрационного оборудования для новых проектов АЭС с ВВЭР // Тяжелое машиностроение. 2010. №2. С.5-9).

Фильтр комбинированного типа ФАИ-3000 оснащен многослойным волокнистым материалом "Филосорб-2", который содержит высокодисперсный активированный уголь ОУ-А, импрегнированный иодидами бария (калия) или аминоспиртами, а также 1-2 слоя углеволокнистого материала (Корниенко В.Н. Создание йодных фильтров-адсорберов для атомных электростанций и радиохимических производств: автореф. дис. канд. хим. наук. СПб., 2005. 16 с.). Недостатком угольных сорбентов является потеря эффективности при повышении температуры выше 100°С и пожароопасность в аварийных ситуациях.

Известно устройство для фильтрации газового потока, содержащего радиоактивные аэрозоли и/или газообразный радиоактивный йод (патент RU 2606751, МПК G21F 9/00, опубл. 10.01.2017, Заявитель, ЮИТ Джермани ГмбХ (DE). Устройство содержит герметичный корпус, по меньшей мере с одним входом для неочищенного газа, одним выходом для очищенного газа и одним фильтрующим элементом, через который проходит газовый поток.

Как следует из описания к данному патенту, специально для преобладающих при авариях, подобной Чернобыльской, с оплавлением активной зоны экстремальных условий в защитной оболочке, а именно температурах газа до 160°С и давлениях до 9 бар, в центре ядерных исследований в Карлсруэ разработана фильтровальная система, основанная на методе сухой фильтрации, с помощью которой может быть уменьшено на несколько порядков загрязнение окружения радиоактивными аэрозолями и радиоактивным газообразным йодом. Метод сухой фильтрации является полностью пассивной системой, обычно состоящей из фильтров из металлической ваты для задерживания переносимых воздухом радиоактивных аэрозолей, а также специально легированных, образующих молекулярное сито цеолитов для хемосорбции газообразного радиоактивного йода и его органических соединений.

Известен комбинированный фильтр для очистки радиоактивной парогазовой смеси (патент RU №184350, МПК G21C 13/10, опубл. 23.10.2018), предназначенный для локализации летучих форм радиоактивного йода и радиоактивных аэрозолей в системах вентиляции, как при нормальной работе АЭС, так и при аварийной разгерметизации ТВЭЛов, с целью предотвращения радиоактивного заражения окружающей среды. Комбинированный фильтр состоит из одинаковых цилиндрических секций, при этом первая и замыкающая по ходу очищаемого потока газа секции заполнены сорбентом из неорганического материала SiO₂-Cu⁰, или силикагелем марки КСКГ или их смесью, а в качестве наполнителя каждая из промежуточных секций для улавливания летучих форм радиоактивного йода заполнена гранулированным сорбентом на основе активированного угля марки СКТ-3И или неорганическим гранулированным сорбентом «Физхимин» на основе силикагеля, на гранулы которого нанесен сорбционно-активный слой. Для нанесения этого слоя использован метод пропитки раствором азотнокислых солей серебра и никеля в аммиаке или смесью водных растворов солей серебра и никеля с аммиаком с концентрацией серебра в готовом сорбенте 1.0-2.0 мас. % и мольным отношением Ni²⁺:Ag⁺ от 2:1 до 4:1.

Секции комбинированного фильтра расположены таким образом, чтобы размер пор гранулированного сорбента уменьшался в направлении от первой секции к замыкающей по ходу очищаемого газового потока. Общим недостатком фильтров с насыпным сорбционным слоем и многослойным волокнистым материалом является невысокая механическая прочность, общая пористость, внешняя удельная поверхность и высокое газодинамическое сопротивление. Склонность к механическому разрушению и истиранию под воздействием вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации приводит к засорению продуктов реакции, частичному спеканию при высоких температурах в аварийных режимах работы, вызывает повышение газодинамического сопротивления газоочистного аппарата и сокращение его эффективного ресурса. Также общим для всех насыпных фильтров недостатком является образование неравномерных каналов с градиентом скоростей и температур по сечению аппарата, резко снижающих эффективность очистки, что приводит к необходимости значительно увеличивать толщину фильтрующего слоя и соответственно габариты установки для улавливания летучих продуктов деления, таких как радиоактивные аэрозоли и соединения радиоактивного йода из отходящих газов в процессах пирохимической переработки облученного ядерного топлива.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка малогабаритного газоочистного аппарата для улавливания аэрозолей и соединений радиоактивного йода с повышенной сорбционной емкостью и сроком службы.

Для решения поставленной задачи предложена группа изобретений, состоящая из двух вариантов.

По первому варианту, предназначенному для улавливания радиоактивных аэрозолей, предложен газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, содержащий закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-Аl₂О₃, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем γ-оксида алюминия в количестве 15% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов радиоактивными аэрозолями.

По второму варианту, предназначенному для локализации соединений радиоактивного йода, предложен газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, содержащий закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-Аl₂О₃, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем нитрата серебра в количестве 20% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов соединениями радиоактивного йода.

Использование предлагаемых керамических блочно-ячеистых контактных элементов, обладающих высокой доступной внешней удельной поверхности (до 2700 м²/м³), обеспечивает необходимую степень очистки по молекулярному йоду и метилйодиду >10³ при значительно более высокой по сравнению с гранулированными сорбентами сорбционной емкостью по аэрозолям и соединениям йода, что позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики аппаратов газоочистки и продлить срок их эксплуатации. Минимальное газодинамическое сопротивление контактных элементов ячеистой структуры снижает затраты на подачу очищаемого газа.

В отличие от известного комбинированного фильтра для локализации, как летучих форм радиоактивного йода, так и радиоактивных аэрозолей, скомпонованного, как набор заполненных гранулированным сорбентом секций, расположенных от первой до замыкающей, с уменьшением размера пор сорбента по ходу очищаемого газового потока, заявляемый газоочистной аппарат содержит сменные картриджи, заполненные комплектом жестких блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода.

Высокая механическая прочность используемого материала позволяет устанавливать в сменный картридж контактные элементы последовательно в виде отдельных блоков-секций заданных размеров с увеличением плотности пор по ходу очищаемого газа без разделения дополнительными перегородками. Из отдельных аппаратов с разными картриджами можно компоновать установку для улавливания летучих продуктов деления в зависимости от состава очищаемого газового потока.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении компоновочных возможностей малогабаритного газоочистного аппарата с повышенной сорбционной емкостью и сроком службы, а также улучшении его экономических и экологических характеристик, снижении металло- и энергоемкости.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображен газоочистной аппарат; на фиг. 2 - сменный картридж с комплектом блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода.

Газоочистной аппарат состоит из сменного картриджа 1, верхней 2 и нижней 3 крышки, механического плунжерного прижимного устройства 4, закрепленных на раме 5. Для измерения температуры газового потока на входе и выходе из аппарата установлены термопары 6, а для контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов аэрозолями или соединениями йода - дифманометр 7.

Сменный картридж состоит из верхнего 8 и нижнего 9 прижимных фланцев и корпуса 10 в который установлены 5 керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода, расположенных с увеличением плотности пор по ходу очищаемого газа: один блок 11 с плотностью пор 10 ppi, один блок 12 с плотностью пор 20 ppi, два блока 13 с плотностью пор 30 ppi и один блок 14 с плотностью пор 45 ppi - при максимальной эффективности очистки в последнем блоке, причем первый блок равномерно распределяет газовый поток по сечению.

Для получения керамической основы контактных элементов исходный ретикулированный пенополиуретан с размером ячейки 0,5-1,2 мм (соответствует плотности пор 45-10 ppi) пропитывают керамическим шликером, содержащим в основном α-оксид алюминия, сушат при температуре 110…120°С и прокаливают при температуре 1470…1510°С. В результате такой обработки органическая основа выгорает полностью и получают жесткий каркас из керамического высокопористого ячеистого материала с общей открытой пористостью 85-90%.

По первому варианту изобретения на полученный керамический каркас методом многократной пропитки водным раствором алюмозоля и последовательной термообработки при температуре 500-550°С наносят активный сорбционный слой γ-оксида алюминия в количестве 15% масс.

По второму варианту изобретения на полученный керамический каркас методом многократной пропитки водным раствором нитрата серебра и последовательной термообработки при температуре 120-150°С наносят активный сорбционный слой нитрата серебра в количестве 20% масс В зависимости от состава очищаемого газового потока (аэрозоли и/или соединения радиоактивного йода) могут использоваться оба заявляемых варианта газоочистного аппарата с картриджами, заполненными контактными элементами обоих описанных типов. Возможно также последовательное соединение двух аппаратов с картриджем для предварительной фильтрации аэрозолей в первом по ходу газа аппарате и картриджем для локализации соединений радиоактивного йода во втором. Аппарат работает при температуре окружающей среды, температура газа на входе может находиться в интервале 25-1000°С. Материал корпусных деталей аппарата и сменного картриджа - нержавеющая сталь 20Х23Н18. Размеры контактных элементов, сменных картриджей и габариты аппаратов могут быть масштабированы в зависимости от необходимой производительности по очищаемому газу (ограничение линейной скорости газового потока, проходящего через картридж - не более 0,5 м/с) и концентрации улавливаемых веществ при заданной сорбционной емкости в интервале 0,05-0,1 г/г контактного элемента. Смена картриджей производится после накопления расчетного количества аэрозолей или соединений йода в соответствии с допустимым для последующей утилизации уровнем радиоактивности или по заданной максимальной величине газодинамического сопротивления картриджа.

Рекомендованное применение предлагаемых картриджных газоочистных аппаратов - предварительная очистка отходящих газов от радиоактивных аэрозолей и локализация летучих соединений радиоактивного йода на пирохимическом переделе переработки ОЯТ в головном процессе высокотемпературной обработки, а также в процессе электролиза при выделении из расплава токсичных аэрозолей LiCl.

1. Газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, отличающийся тем, что аппарат содержит закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-Аl₂О₃, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем γ-оксида алюминия в количестве 15% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов радиоактивными аэрозолями.

2. Газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, отличающийся тем, что аппарат содержит закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-Аl₂О₃, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем нитрата серебра в количестве 20% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов соединениями радиоактивного йода.