СПОСОБ И СИСТЕМА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ИНЕРТНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ ИЗ ГАЗОАЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГОБЛОКОВ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Изобретение относится к криогенной технике и предназначено для концентрирования и утилизации инертных радиоактивных газов (ИРГ), выбрасываемых в окружающую среду при осуществлении режимов постоянной вентиляции (ПВ) и вентиляции при проведении плановых предупредительных ремонтов (ППР) атомных электростанций (АЭС).

В условиях обычной штатной работы на АЭС и других объектах использования атомной энергии (ОИАЭ) на АЭС величина выброса радиоактивных продуктов незначительна и ею можно пренебречь. Однако в период планового предупредительного ремонта (ППР) выброс может достигать значительной величины, составляя от 80 до 90% годового. Наиболее значительную величину выбросов в атмосферу составляют ИРГ, при этом долгоживущий радионуклид ⁸⁵Kr обладает опасными радиационными характеристиками.

Известен способ извлечения криптона и ксенона из технологических сбросных газов [1], позволяющий выделять конечные продукты - криптон и ксенон - с высокой степенью чистоты в непрерывном режиме. Технологически сбросные газы, содержащие криптон и ксенон, предварительно пропускают через аппарат газлифтного типа. В этот аппарат подают подходящий абсорбент и поддерживают температуру ниже температуры кипения более высококипящего извлекаемого компонента, но выше температуры кипения воздуха и другого компонента. Далее следует стадия ультразвуковой обработки от воздуха и другого компонента, причем температуру поддерживают выше температуры кипения другого компонента и воздуха, но ниже температуры кипения извлекаемого компонента. Затем абсорбент, обогащенный извлекаемым компонентом, направляют на другую ультразвуковую обработку, которую проводят при температуре выше температуры кипения извлекаемого компонента, но ниже температуры кипения абсорбента. Извлекаемый компонент отбирают в газовой фазе, а абсорбент возвращают в цикл.

Недостатком данного способа является то, что технология извлечения каждого из указанных компонентов проводится в несколько этапов, на каждом из которых осуществляется последовательное извлечение одного из компонентов воздуха, что существенно усложняет технологию извлечения ИРГ из воздуха, если ее применять для целей настоящей заявки. Кроме того, в указанном способе в качестве абсорбента применяются фторуглероды, использование которых в промышленности ограничивается «Киотским протоколом».

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков известного способа и расширение функциональных возможностей при концентрировании и утилизации ИРГ.

Решение поставленной задачи достигается методом низкотемпературной адсорбции ИРГ из воздуха, дальнейшим ожижением и долговременной их выдержкой при температуре жидкого азота до момента, когда вследствие радиоактивного распада объемная активность не будет представлять угрозы для населения, с последующим выбросом в атмосферу.

В качестве адсорбента используют активированный уголь, который обеспечивает адсорбцию Kr и Xe из воздуха со степенью очистки выше 99%. Адсорбатом является 0,1% смесь Kr и Xe в воздухе.

Заявленный способ предусматривает повторную адсорбцию смеси, что обеспечивает конечную концентрацию Kr и Xe в извлекаемой смеси до 1%.

Получаемая газовая смесь ИРГ с кислородом через газгольдеры поступает в хранилище, охлаждаемое до температуры жидкого азота.

Очищенный от ИРГ теплый воздух после многопоточных теплообменников выбрасывается в атмосферу.

Способ реализуется с помощью заявляемой системы.

Известно устройство для производства кислорода и инертных газов [2] посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну, которое содержит средство для направления части очищенного и охлажденного потока воздуха в средство для разделения на азотную и кислородную, содержащую ИРГ, фракции, средство для отвода, по меньшей мере, первого обогащенного азотом потока, средство для направления потока, более богатого кислородом и ИРГ, чем поток из колонны среднего давления, в нижнюю часть вспомогательной колонны, средство для отвода богатого кислородом потока жидкости из нижней части колонны низкого давления в виде продукта, средство для отвода третьего обогащенного кислородом потока, который обогащен криптоном и ксеноном по отношению ко второму потоку.

Недостатком известного устройства является то, что он не позволяет добиться полного извлечения ИРГ из выбрасываемого воздуха АЭС с последующей их утилизацией (хранением) и не обеспечивает защиту персонала от воздействия радиоактивного излучения ИРГ в процессе их выделения.

Решение поставленной задачи достигается методом низкотемпературной адсорбции ИРГ из воздуха, дальнейшим ожижением и временным захоронением их до момента безопасного состояния с последующим выбросом в атмосферу.

На фиг.1 показана принципиальная схема криогенной системы (КС) концентрации и утилизации ИРГ,

где для КС ПВ:

1. подводящий трубопровод из атмосферы,

2. подводящий трубопровод из реактора,

3. первый компрессор низкого давления,

4. первый блок предварительного охлаждения воздуха с ИРГ,

5. первый блок комплексной очистки (БКО) воздуха от СО₂ органики и воды,

6. первый многопоточный теплообменник,

7. блок переключающихся адсорберов первой ступени,

8. первый вакуумный насос,

9. первый газгольдер,

10. второй компрессор низкого давления,

11. теплообменник-охладитель потока воздуха с ИРГ,

12. блок адсорбера второй ступени,

13. второй вакуумный насос,

14. второй газгольдер,

15. третий компрессор низкого давления,

16. хранилище выделенных ИРГ,

17. криогенный сосуд-хранилище жидкого азота,

18. испаритель атмосферный,

19. система охлаждения рефрижераторного (замкнутого) типа,

20. компрессор системы охлаждения,

21. блок предварительного охлаждения воздуха системы охлаждения,

22. первый турбодетандер,

23. блок ректификации,

24. колонна ректификационная,

для КС ППР:

25. компрессор среднего давления,

26. второй блок предварительного охлаждения воздуха с ИРГ,

27. второй блок комплексной очистки (БКО) воздуха

28. второй многопоточный теплообменник,

29. блок адсорбера КС ППР,

30. второй турбодетандер,

31. третий вакуумный насос,

32. третий газгольдер,

33. четвертый компрессор низкого давления,

34. третий теплообменник,

35. трубопровод выброса очищенного от ИРГ воздуха в атмосферу.

Поз.1, 2, 16, 17, 18, 35 используются как в КС ПВ, так и в КС ППР.

Предлагаемая система концентрирования и утилизации инертных радиоактивных газов (ИРГ) энергоблока атомных электростанций (АЭС) содержит первый компрессор низкого давления 3, который предназначен для обеспечения транспортирования воздуха с ИРГ по магистралям и аппаратам КС ПВ, к входу которого 3.1 присоединены подводящие трубопроводы 1 для выхода системы на режим и плавного перехода на подачу воздуха с ИРГ 2 по трубопроводам ПВ, выход первого компрессора низкого давления 3.2 соединен с входом блока предварительного охлаждения воздуха с ИРГ 4.1, выход которого 4.2 соединен с входом 5.1 блока комплексной очистки и осушки воздуха с ИРГ, выход которого 5.2 соединен с первым (теплым) входом много (шести) поточного первого теплообменника 6.1, второй (теплый) выход которого 6.2 соединен с входом в компрессор 20.1 системы охлаждения КС ПВ 19, третий (теплый) вход которого соединен с выходом из второго теплообменника 11.2 после второго компрессора низкого давления 10 и первого газгольдера 9, четвертый 6.4 и пятый 6.5 (теплые) выходы первого теплообменника соединены с трубопроводом выброса очищенного от ИРГ воздуха в атмосферу 35 и входом 20.1 компрессора системы охлаждения, шестой (теплый) вход первого теплообменника 6.6 соединен с выходом из блока предварительного охлаждения воздуха системы охлаждения 21.2 системы охлаждения КС ПВ 19, первый холодный выход из первого теплообменника 6.7 соединен с входом в блок переключающихся адсорберов первой ступени 7.1, второй холодный вход в первый теплообменник 6.8 соединен с выходом из турбодетандера 22.2 системы охлаждения КС ПВ 19, третий холодный выход из первого теплообменника 6.9 соединен с входом в блок адсорбера второй ступени 12.1, четвертый холодный вход в первый теплообменник 6.10 соединен с выходами из блока адсорберов первой ступени 7.2 и блока адсорбера второй ступени 12.2, пятый холодный вход в первый теплообменник 6.11 соединен с выходом холодного газа из блока ректификации 23.2, шестой холодный выход из первого теплообменника 6.12 соединен с входом в турбодетандер 22.1 системы охлаждения КС ПВ 19, седьмой холодный выход из первого теплообменника 6.13 соединен с входом воздуха в блок ректификации 23.1. Вход в первый блок адсорберов 7.1 соединен с входом в первый вакуумный насос 8.1, выход из которого 8.2 соединен с первым газгольдером 9 и далее с входом во второй компрессор низкого давления 10.1, выход из которого 10.2 соединен с входом в теплообменник-охладитель потока воздуха с ИРГ 11.1. Вход во второй блок адсорбера 12.1 соединен со вторым вакуумным насосом 13.1, выход из которого 13.2 соединен с вторым газгольдером 14 и далее с входом третьего компрессора низкого давления 15.1, соединенным на выходе 15.2 с входом в хранилище выделенных ИРГ 16.1, на выходе из которого 16.2 установлен атмосферный испаритель 18. В хранилище выделенных ИРГ находится охранная зона с жидким азотом, соединенная на входе 16.3 с криогенным сосудом-хранилищем жидкого азота 17 и на выходе 16.4 с атмосферой. Сосуд-хранилище жидкого азота 17 соединен также с выходом жидкого азота из блока ректификации 20.3, в котором выделяется жидкий азот из части воздуха, циркулирующего в системе охлаждения КС ПВ 19, выход из компрессора которой 20.2 соединен с входом в блок предварительного охлаждения воздуха 21.1, выход из которого 21.2 соединен через многопоточный теплообменник 6 с входом в первый турбодетандер 22.1, выход из которого 22.2 через многопоточный теплообменник 6 соединен с атмосферой.

К входу компрессора среднего давления 25.1, предназначенного для холодообразования и обеспечения транспортирования воздуха с ИРГ по магистралям и аппаратам КС ППР, присоединены подводящие трубопровод 1 для выхода системы на режим и трубопровод 2 для плавного перехода на подачу воздуха с ИРГ по трубопроводам ППР, а выход из компрессора среднего давления 25.2 соединен с входом блока предварительного охлаждения воздуха с ИРГ 26.1, выход которого 26.2 соединен с входом 27.1 в блок комплексной очистки и осушки воздуха с ИРГ, выход из которого 27.2 соединен с первым теплым входом много (четырех) поточного второго теплообменника 28.1, второй 28.2 и третий 28.3 теплые выходы которого соединены с трубопроводом выброса очищенного от ИРГ воздуха и азота в атмосферу 35, четвертый теплый выход второго многопоточного теплообменника 28.4 соединен с входом во второй турбодетандер 30.1, первый холодный выход второго многопоточного теплообменника 28.5 соединен с входом в блок адсорбера КС ППР 29.1, второй холодный вход второго теплообменника 28.6 соединен с выходом из второго турбодетандера 30.2, третий холодный выход из второго теплообменника 28.7 соединен с криогенным сосудом-хранилищем жидкого азота 17, четвертый холодный выход из второго теплообменника 28.8 соединен с выходом из блока адсорбера КС ППР 29.2. Вход в блок адсорбера КС ППР 29.1 соединен также с входом в третий вакуумный насос 31.1, выход из которого 31.2 соединен с третьим газгольдером 32 и входом в четвертый компрессор низкого давления 33.1, выход из которого 33.2 соединен с входом в третий теплообменник 34.1, выход из которого 34.2 соединен с входом в хранилище выделенных ИРГ 16.1.

В качестве компрессоров низкого давления могут быть использованы газодувки с давлением на выходе 1-2 бар.

В качестве компрессора системы охлаждения КС ПВ рефрижераторного (замкнутого) типа и компрессора среднего давления КС ППР могут быть использованы турбокомпрессоры с приводом от электродвигателя и паровым приводом. Давление нагнетания компрессоров среднего давления составляет 20-30 бар.

Охлаждение воздуха, сжатого в компрессорах, осуществляют умягченной холодной водой с использованием холодильной машины. Температура охлаждения воздуха +5÷10°С. Зимой возможно использование воды, охлаждаемой в градирне.

В качестве многопоточных теплообменников используют устройства пластинчато-ребристой конструкции.

В состав блоков комплексной очистки и осушки воздуха с ИРГ входят переключающиеся адсорберы с цеолитом в качестве адсорбента и оборудование для их регенерации.

Конструкция адсорберов может быть выбрана из следующего ряда: адсорбер радиального типа (только для адсорберов первой ступени); вертикальный адсорбер; адсорбер с внутренним подогревом; адсорбер с внешним подогревом.

В качестве газгольдеров могут быть использованы мокрый газгольдер изменяемого объема и сухой (мягкий) газгольдер изменяемого объема.

Сжижение и временное захоронение ИРГ осуществляется в хранилище ИРГ, представляющее собой криогенный сосуд с многослойной экранно-вакуумной или порошково-вакуумной теплоизоляцией и охранной зоной с жидким азотом, обеспечивающей охлаждение смеси Kr и Хе с воздухом, поступающей из газгольдера, ожижение ее и поддержание постоянной температуры. Кроме того, газовое пространство внутреннего сосуда хранилища для хранения ИРГ заполнено неконденсируемым газообразным гелием под небольшим избыточным давлением, обеспечивающим герметизацию продукта.

Адсорберы и емкости хранилища имеют радиационную защиту (не показана) в виде стальных обечаек или бетонных стенок, которая предохраняет обслуживающий персонал от гамма-излучения ⁸⁵Kr и других нуклидов ИРГ.

Заявленная система работает следующим образом.

Очищенный и осушенный воздух с ИРГ поступает в многопоточный теплообменник КС ПВ, где охлаждается в противоточном теплообмене воздухом после адсорберов первой и второй ступеней и рефрижераторного контура охлаждения до необходимой температуры (-170°C). Кроме того, используется холод отбросного газа из верхней части воздухоразделительной колонны.

Очищенный и осушенный воздух с ИРГ поступает в многопоточный теплообменник КС ППР, где охлаждается в противоточном теплообмене воздухом после турбодетандера и жидким азотом из хранилища.

Блок переключающихся адсорберов первой ступени КС ПВ и блок адсорберов КС ППР обеспечивают адсорбцию Kr и Xe из воздуха с ИРГ со степенью очистки выше 99%, при этом доля адсорбированного ИРГ составляет 0,1% от объема адсорбата (смеси воздуха с ИРГ). Блок адсорбера второй ступени периодического действия обеспечивает дальнейшее с повышение концентрации ИРГ в адсорбате до 1%. В блоках имеется оборудование для регенерации адсорберов при минус 50°C. Адсорбентом в адсорберах является активированный уголь.

Первый газгольдер служит для приема десорбированной после адсорберов первой ступени смеси Kr и Xe с воздухом. В смеси примерно 0,1 (Kr+Xe). Второй газгольдер служит для приема десорбированной после адсорбера второй ступени смеси Kr и Xe с воздухом. В смеси 1% (Kr+Хе).

Третий газгольдер служит для приема десорбированной после адсорбера КС ППР смеси Kr и Хе с воздухом. В смеси 0,1% (Kr+Xe).

Заполнение газгольдеров десорбированным газом осуществляется вакуумными насосами, в качестве которых могут применяться водокольцевые или механические насосы.

После первого газгольдера установлен второй компрессор низкого давления, предназначенный для дальнейшего транспортирования смеси Kr и Xe с воздухом. После компрессора установлен теплообменник-охладитель потока кислорода с ИРГ. Смесь Kr и Xe с воздухом поступает в первый многопоточный теплообменник, где охлаждается до необходимой температуры (-170°C). Далее смесь поступает в блок адсорбера второй ступени. Включение в работу адсорбера второй ступени осуществляется периодически по мере заполнения первого газгольдера.

Третий компрессор низкого давления предназначен для подачи смеси Kr и Xe с воздухом из второго газгольдера в хранилище ИРГ для утилизации (выдержки в течение необходимого времени).

На выходе из внутреннего сосуда хранилища установлен атмосферный испаритель смеси Kr и Xe с воздухом, через который производится выброс смеси в атмосферу после выдержки.

Четвертый компрессор низкого давления КС ППР подает смесь Kr и Xe с воздухом из третьего газгольдера в хранилище ИРГ для утилизации (выдержки в течение необходимого времени). Перед входом в хранилище ИРГ поток газа после сжатия в четвертом компрессоре низкого давления охлаждается в третьем теплообменнике-охладителе.

Очищенный от ИРГ теплый воздух после многопоточных теплообменников КС ПВ и КС ППР выбрасывается в атмосферу и контролируется системой (не показана) из радиометрических и спектрометрических приборов.

Система охлаждения КС ПВ рефрижераторного (замкнутого) типа не содержит ИРГ и не требует специальных мер радиационной защиты. Подпитка рефрижераторной системы осуществляется очищенным от ИРГ и прочих примесей воздухом. Сжатый в компрессоре воздух охлаждается в блоке предварительного охлаждения воздуха, частично охлаждается в многопоточном теплообменнике КС ПВ и подается в турбодетандер системы охлаждения. Холодный воздух после расширения в турбодетандере поступает в многопоточный теплообменник КС ПВ для охлаждения потоков воздуха и воздуха с ИРГ.

Часть потока холодного воздуха после турбодетандера поступает в ректификационную колонну блока ректификации для получения жидкого азота. Жидкий азот из блока ректификации подается в криогенный сосуд - хранилище жидкого азота, используемого в технологических целях КС ПВ и КС ППР. Возможна выдача жидкого азота для использования в прочих целях.

Кроме отделения ИРГ от воздуха в адсорберах происходит осаждение радиоактивных аэрозолей.

С целью защиты от облучения блоки адсорберов и емкости для хранения ИРГ снабжены экранами из стальных обечаек или бетонными стенками, а воздух, сбрасываемый в атмосферу, контролируется системой радиометрических и спектрометрических приборов.

Предлагаемое решение выгодно отличается от известных, поскольку позволяет обеспечить очистку выбросов АЭС от ИРГ и радиоактивных аэрозолей как в режиме постоянной вентиляции энергоблоков, так и в режиме плановых предупредительных ремонтов.

Предлагаемое изобретение может быть использовано и для других типов АЭС, для предприятий топливного цикла и других объектов использования атомной энергии.

Источники информации

1. Патент РФ №2150758, кл. G21F 9/02. Способ извлечения криптона и ксенона из технологических сбросных газов.

2. Патент РФ №2319084, кл. F25J 3/04. Способ и установка для производства инертных газов и кислорода посредством криогенной перегонки воздуха.