автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка рациональных способов безотходного использования шлама и солесодержащих стоков электростанций

На правах рукописи

ПАЛАМАРЧУК АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ БЕЗОТХОДНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШЛАМА И СОЛЕСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Специальность:05.14.14-«Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2004

Работа выполнена на кафедре тепловых электрических станций Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Доктор технических наук, профессор, действительный член МИА.РИА.ИАА, лауреат премии Совета Министров СССР, заслуженный изобретатель РФ Мадоян А.А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ и Государственной премии республики Мордовии Седлов А.С.

Кандидат технических наук Федорченко Г. С.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ВНИИАМ

Защита состоится « 14 » мая 2004 г. в 11-00часов в аудитории 107гл. корп, на заседании диссертационного совета ДР 212.304.17 ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) по адресу:

г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, д. 132.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу:

346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл. ГСП 1, ул. Просвещения, д. 132, ЮРГТУ (НПИ), ЭнИ, каф. ТЭС, диссертационный совет ДР 212.304.17

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ)

Автореферат разослан « 8 » апреля 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Ефимов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

На пороге XXI века развитие электроэнергетики претерпело ряд серьезных изменений и в первую очередь из-за экономических кризисов, охвативших практически все регионы планеты. При этом все возрастающее моральное и физическое старение основного парка энергооборудования привело к необходимости использования нетрадиционных технологий и совершенствования, находящихся в эксплуатации технологических схем, в том числе водоподготовки. Практика эксплуатации показала, что существующие технологические схемы водоподготовки для паровых котлов ТЭС и парогенераторов АЭС, реализующие в основном одноцелевой принцип, приводят к обострению противоречий в области экологии и экономики.

Известно, что энерготехнологии, реализующие одноцелевой принцип производства, приводят к существенным экологическим и экономическим потерям так как, например, при использовании (сжигании) только горючей массы твердого топлива, в золошлакоотвалы выбрасывается минеральная часть, представляющая собою высокопродуктивное вторичное сырье. А при обессоливании или умягчении исходной воды сотни тысяч тонн, так называемых, шламовых отходов направляются в шламонакопители или золошла-коотвалы.

В сложившейся ситуации приоритетной задачей энергетики становится необходимость, развития многоцелевых энергетических технологий, обеспечивающих максимально полное использование первичных ресурсов с одновременной переработкой и утилизацией так называемых отходов, являющихся ценным вторичным сырьем для сопутствующих производств.

К настоящему времени вопросы о минимизации и нейтрализации сточных вод водоподготовительных установок (ВПУ) ТЭС и АЭС проработаны достаточно полно, однако существующие технологические схемы, как в отечественной, так и зарубежной энергетике не реализуют на практике принцип полной утилизации отходов ВПУ.

Традиционно шламы ВПУ сбрасываются в шламонакопители, которые требуют все увеличивающихся площадей, усиливая экологическую нагрузку на прилегающие территории электростанций. Остро эта проблема стоит для электростанций, расположенных, как правило, вблизи больших водоемов.

Таким образом, разработка эффективных технологических схем водо-подготовки на ТЭС и АЭС с рациональными методами утилизации отходов ВПУ, представляет собой особо важную и актуальную задачу для энергетической отрасли. Проблема создания многоцелевых, малоотходных, экологически чистых систем водопользования на ТЭС и АЭС имеет важное значение для многих энергосистем России и

Предмет исследования

Технологические схемы ВПУ с учетом разработки многоцелевых энерготехнологий, обеспечивающих максимальное использование вторичного сырья, которым являются шламы шламосодержащих вод.

Объектом исследования являются ВПУ и шламы шламосодержащих вод, образующихся на стадии предварительной подготовки добавочной воды.

Целью настоящей работы является создание научно-методических и практических основ усовершенствования технологической схемы подготовки добавочной воды с обеспечением экологической безопасности выбросов ХВО электростанций за счет разработки рациональных способов утилизации шлама ВПУ на примере Волгодонской АЭС (ВоАЭС).

Для реализации поставленной цели автором решены следующие конкретные задачи исследования:

1. Сравнительный анализ современных технологических схем водо-подготовки и существующих методов утилизации загрязненных вод и шламовых отходов ВПУ ТЭС и АЭС.

2. Определение физико-химических и радиологических характеристик шлама ВПУ ТЭС и ВоАЭС с целью использования его в составе изделий, обеспечивающих защиту от ионизирующих излучений.

3. Проведение исследований технологических характеристик шлама ВПУ электростанций, как сырьевой добавки при производстве строительных материалов и гашеной извести.

4. Экспериментальное исследование наведенной активности (степени активации) шлама ВПУ в зонах с различной интенсивностью ионизирующих излучений непосредственно на действующем оборудовании ВоАЭС.

5. Расчетно-теоретические исследования степени активации компонентов шлама при облучении их тепловыми нейтронами.

6. Разработка технологической схемы рационального водопользования на ВоАЭС с утилизацией шлама ХВО.

Научная новизна диссертационной работы;

1. Разработан метод систематической утилизации шламовых отходов процесса предочистки воды как органического этапа замкнутого цикла водопользования на ТЭС и особенно на АЭС.

2. Разработана и использована математическая модель в виде системы уравнений регрессии, позволяющая определить концентрации шести основных компонентов шлама электростанций в зависимости от качества исходной воды.

3. Впервые получены экспериментальные и расчетные данные о степени активации шлама ХВО ВоАЭС при облучении его гамма-квантами и тепловыми нейтронами.

4. Непосредственно на действующем оборудовании получены результаты исследований активационных свойств (наведенной активности)

шлама ВПУ ВоАЭС в зонах с различной интенсивностью ионизирующих излучений.

5. Выполнены расчетно-теоретические исследования степени активации компонентов шлама при облучении их тепловыми нейтронами.

6. На основе выполненных исследований физико-химических и радиологических характеристик шлама ХВО электростанций разработаны предложения по использованию его в качестве наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов и для производства дополнительной строительной и другой товарной продукции.

Достоверность н обоснованность результатов обеспечены применением широко используемых современных методик и нормативных документов по исследованию и определению отдельных показателей, а так же применением современных методов планирования экспериментов (использовался метод полного факторного эксперимента) и обработки их результатов с применением ПЭВМ. Достоверность и обоснованность результатов подтверждается математическим моделированием с применением ПЭВМ и значительным объемом экспериментальных исследований на промышленном оборудовании. Данные, полученные автором, хорошо согласуются с независимыми данными других авторов. При анализе использовались только те материалы, которые были получены с применением методов, прошедших экспертизу в ведущих научных и проектных организациях.

Практическая значимость работы заключается:

- в обосновании направлений нетрадиционных способов использования так называемых «отходов», которыми являются шламы ХВО электростанций;

- в реализации, на действующем оборудовании ВоАЭС натурных исследований активационных свойств (наведенной активности) шламов ВПУ в зонах с различной интенсивностью ионизирующих излучений;

- в получении экспериментальных и расчетных данных о степени активации шлама ХВО при облучении его гамма-квантами и тепловыми нейтронами;

- в разработке предложений по использованию шламов в качестве наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов;

- в разработке рекомендаций по безотходному использованию исходной воды и, как следствие, переработки солесодержащих стоков и шламов ХВО для получения дополнительной вторичной товарной продукции в виде активной извести и др.

Основные положения и результаты, выдвигаемые на защиту

1. Комплексный подход к реализации в энергетике высокоэкологичного и высокоэкономичного многоцелевого принципа использования первичного сырья и в первую очередь воды на ХВО с полной утилизацией содержащих стоков и шлаков.

2. Результаты экспериментальных и расчетных данных о степени активации шлама ХВО при облучении его гамма-квантами и тепловыми нейтронами.

3. Результаты исследования физико-химических и радиологических характеристик шлама ВПУ ВоАЭС, подтверждающие целесообразность использования его в составе изделий, обеспечивающих защиту от ионизирующих излучений.

4. Использование в схемах безотходных ХВО систем переработки соле-содержащих стоков и шлаков для получения вторичной товарной продукции в виде активной извести и др.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением результатов научных исследований и их практического внедрения в области многоцелевого безотходного использования воды на ХВО ВоАЭС, проводившихся по инициативе, под руководством и при непосредственном участии автора.

Под руководством и при непосредственном участии автора осуществлялось составление программ исследований, методик испытаний и проведение промышленных испытаний. Автор принимал непосредственное участие в проведении расчетов и обсуждении результатов, под его руководством и при его личном участии осуществлялось внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований на действующем оборудовании. Автор лично участвовал в подготовке всех материалов, опубликованных в периодической печати, а также докладов и выступлений на научно-технических конференциях и семинарах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались:

- на межрегиональной конференции « Молодые ученные России-теплоэнергетике», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- на III международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»,г. Москва, концерн «Росэнергоатом», 2002 г.;

- на семинарах кафедры «Атомные электростанции» МЭИ, г. Москва 2002г.;

- на семинарах кафедры «Теплоэнергетические технологии и оборудование» ВИЮРГТУ (НПИ) (2000-2002);

- на XXIV сессии семинара « Кибернетика электрических систем», по тематике « Диагностика энергооборудования», г. Новочеркасск, 2002 г.;

- на IV Международной конференции «Повышении эффективности производства электроэнергии», г. Новочеркасск, 2003 г.;

- на IV международной конференции «Перспективные задачи инженерной науки», г. Игало (Черногория), МИА, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, каждая из которых заканчивается промежуточными выводами, заключением, списка литературы, источников из 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность рассматриваемой в диссертации проблемы, формулируются цель и задачи исследований, характеризуется научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения и результаты, выдвигаемые на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние технологических схем водоприготовления на ТЭС и АЭС. Обоснована исключительная роль блока водоприготовления в подготовке питательной и добавочной воды высокого качества на электростанциях.

С помощью анализа технологических схем обессоливания исходной воды на ТЭС и АЭС показано, что если решение задач сокращения сточных вод в отечественной и мировой практике проработано достаточно полно, то утилизация образующихся твердых отходов в виде шлама остается весьма актуальной проблемой для электростанций. Приводятся примеры из зарубежного и отечественного опыта, доказывающие, что шлам ВПУ не является бросовым сырьем, а может использоваться как компонент в строительстве, в сельском хозяйстве, в металлургии и. т. д. Среди ряда других эффективным является опыт использования шлама ХВО электростанций в технологии приготовления вяжущих материалов в строительстве, получения из шлама гашеной извести, использование шлама для повышения теплостойкости асфальто-бетонных смесей, а также в качестве химического мелиоранта при обработке кислых почв и рекультивации карьеров. Несмотря на технологическое разнообразие известных эпизодических методов утилизации и минимизации сбросных вод ХВО и шламов электростанций основным их недостатком является обособленность и одноцелевое решение проблемы в электроэнергетике.

Назрела экономическая и экологическая необходимость рассмотрения электростанций как многоцелевого технологического комплекса.

Поэтому приоритетной общеотраслевой задачей является перевод шламов ВПУ электростанций из разряда «отходов» в разряд сырьевого источника для получения дополнительной товарной продукции.

В конце главы сформулирована цель работы и поставлены конкретные задачи, результаты решения которых приводятся ниже.

Вторая глава посвящена методике исследований физико-химических и радиологических свойств шламов электростанций, а также наведенной активности в шламе ВоАЭС. Отдельные разделы посвящены химическим анализам компонентов при изготовлении модельных растворов исходной воды и методическим аспектам технологических исследований шламов ВПУ.

Пробы шламов отбирались из разных мест шламоотвалов, а химический состав определялся по методике ВИИЭСМ. Навески пробы для определения гигроскопической влаги выдерживались на воздухе в течение суток, а предназначенные для определения химического состава выдерживались в сушильном шкафу при температуре 105-110°С до достижения постоянной массы. Фазовый состав шламов исследовался методом рентгенофазового анализа (РФА), который проводился на дифрактометре ДРОН-3. Влияние шламов на спекаемость керамических масс изучалось методом дифференциального термического анализа (ДТА) с помощью дериватографа ДКВ-3. Удельная активность шламов определялась гамма-спектрометрическим методом с использованием программного обеспечения GAMMA. Измерения проводились с помощью низко-фоновой установки Ge(Li) - детектора ДГДК-80. Измерения образцов шламов на наличие в них радионуклидов проводились гамма-спектрометрическим методом с помощью приборов РЭУСП-11-15 и УРС-21 в центре радиационной экологии и технологий ЛРК №41015-94/01 Государственного реестра ЛРК России. Суммарная альфа-активность проб рассчитывалась по удельным активностям следующих ря-

• т238 г* 226 -ri_232

дов радионуклидов: U , Ra , Th в предположении их радиоактивного равновесия в рядах. Радиационная опасность шламов оценивалась в соответствии с «Санитарными правилами обращения с радиоактивными отходами» СПОРО-85, МЗСССР, М: 1986. Суммарная альфа-активность, которая не должна превышать 7400 Бк/кг, рассчитывалась по формуле:

AV= ЗАц + 5Ar* + 6Ать (1)

Исследование наведенной активности (активации) в шламе выполнялось путем изготовления из него образцов-свидетелей размерами от 13 * 28 * 56мм до 50 * 50* 45мм и массой от 31,67 до 101,65г. Концентрации окислов кальция, магния, алюминия и др. в шламах устанавливались с помощью специально изготавливаемых модельных растворов, состоящих из основных компонентов. Содержание железа определялось с помощью прибора калориметра-нефелометра ФЭК-56. Величина водородного показателя (рН) определялась с помощью универсального тонометра ЭВ-74. Мутность раствора определялась на фотоколориметре ФЭК-56. Изучение технологических свойств исходных масс на основе шламов ХВО проводилось по таким показателям как пластичность, формовочная влажность и связующая способность. Определение связности масс выполнялось путем расчета предела прочности образцов при растяжении. Определялись также водопоглощение, прочность образцов, насыпная и средняя плотность шлама. Определение гранулометрического состава шламов ХВО выполнялось прямым ситовым методом.

В третьей главе излагаются основные результаты экспериментального исследования свойств шламов ХВО ТЭС и АЭС. Как видно из таблицы 1 сопоставительные исследования химических составов шламов ТЭС и АЭС,

расположенных по руслу реки Дон показывают незначительное отличие процентного соотношения основных компонентов в шламах ХВО электростанций в различных регионах, что подтверждает их близость к природным материалам строительной индустрии. Изменение химического состава шламовых осадков ХВО ТЭС и АЭС по цвету и составу обусловлено временем пребывания в шламонакопителе, степенью воздействия солнечных лучей, дождевых осадков, выветриванием и др. Исследование гранулометрического состава шламов ВоАЭС показало, что 74,2 % твердых веществ состоит из частиц крупностью 10-25 мкм, 24,7 %-крупностью частиц 5-10 мкм и только 1,1 %-крупностью 25-100 мкм. В состав шламов входят карбонаты СаСоз и МяСо3

Таблица 1

Химический состав шламов электростанций, расположенных

по руслу реки Дон.

Электро станция, Основные компоненты шламов, % по массе

цвет шлама СаО ТЮг БЮг АЬОз Ре20, М^О Ка20

Воронежская ТЭЦ

серый 45,3 0,12 4,7 2,0 4,8 2,8 -

серо-желтый 44,1 - 3,9 2,1 1,83 3,7 0,27

Волгодонская АЭС

серый 45,1 0,23 5,1 2,38 1,7 4,6 0,3

белый 48,4 0,16 3,2 1,6 3,4 2,6 0,35

Новочеркасская ГРЭС

серый 47,6 0,18 1,4 1,4 2,6 4,2 -

серо-желтый 49,8 0,25 3,2 1,78 1,73 3,15 0,17

Ростовская ТЭ11-2

серый 43,7 0,12 4,75 1,31 2,12 5,9 -

желтый 49,7 0,24 4,8 1.18 2,47 0,3 0,14

Результаты комплексных исследований физико-химического и грану-метрического состава шламов ХВО показали, что его использование как вторичного сырья представляет несомненный практический интерес.

Как видно из рисунка 1 (кривые «а», «б», «в», «г») сопоставление термографических и рентгенофазовых исследований образцов шламов ХВО с природным материалом мелом, для которых эндотермический эффект проявляется при температуре 920-950°С, показывает, что основной кристаллической формой в шламе ХВО является СаСОз. С другой стороны практическое отсутствие в шламе гидроокиси кальция подтверждается отсутствием эндотермического скачка при температурах в области 500°С. Исследования автора подтвердили ранее полученные другими авторами результаты для шлама РоТЭС-2 в части наличия эндотермического падения на кривой «в» и для шлама Волгодонской АЭС в точках С и Д (рис. 1).

Термодинамическим анализом подтверждается и образование эндотермического минимума на кривых «а», «б», «в» и «г» при температурах около 920-950°С. Таким образом, полученные результаты исследований

подтвердили, что основным компонентом шламов ХВО ТЭС и АЭС является кальцит (в пересчете на СаО в среднем до 50%), что шламы ТЭС и АЭС имеют однородный, тонкодисперсный состав, а химсостав шламов электростанций различных регионов отличается незначительно.

ВРШЯ ЛР01СССД ИСПЫТАНИ я

Рис.1 Термограммы исследования фазового состава материалов при скорости их нагрева 9,5 °С/мин.

а - мел - по данным (из литературы)»

6 - мел - данные автора, в - шлам ХВО В о АЭС- данные автора.

г - шлам ХВО Ростовской ТЭЦ-2 (из литературы):

А - температуры экзотермических «провалов» по данным автора;

1 - <П7<и при нагреве эталона,

С, Д - течперат>ры образования ферритов ьальцня к магния

Для определения возможности использования шламов ВПУ АЭС и других электростанций при изготовлении строительных и теплоизоляционных материалов, керамических изделий и как наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов автором выполнены специальные исследования радиологических и гигиенических характеристик шламов ХВО Волгодонской АЭС и шести ТЭЦ и ГРЭС Российской Федерации. Как видно из таблицы 2 результаты анализа проб по средним значениям удельной активности радионуклидов в шламах (А) ср) и сумме эффективной удельной активности ( £ Аэф) показывают, что:

- сумма отложений удельных активностей радионуклидов (Ао) к минимально значимой удельной активности (МЗУА) меньше единицы, что свидетельствует, что шлам ХВО ВоАЭС, ТЭС и АЭС пригоден для изготовления потребительских товаров;

- сумма удельных активностей урана-238, тория-232, радия-226 и калия - 40 существенно меньше, чем нормативная для строительных материалов Азф = 370 Бк/кг, что определяет его пригодность даже для жилых и общественных зданий.

Таблица 2

Среднее значение удельной и эффективной удельной активности ра-

дионуклидов в шламах электростанций

№ пп Объект Среднее значение удельной активности радионуклидов в шламах Ai ср, Бк/кг Сумма эффективной удельной активности £ Аэф, Бк/кг Сумма отношений удельной активности радионуклидов к минимально значимой удельной активности ГАо/МЗУА

U-238 Th-232 Ra-226 K-40

1. Несветай ГРЭС 200+10 3,2+0,3 4,7+0,5 21+2,0 10,7 0,024

2. Краснодарская ТЭЦ 27+6 4,5+0,4 3,5+0,3 63^-7,0 14,8 0,008

3. Ростовская ТЭЦ-2 52+6 2,0+1,0 8,0+1,0 8,0+1,0 11,3 0,008

4. Московская ТЭЦ-21 9+4 3,2+2,0 9,0+1,0 13+3,0 14,3 0,005

5. Волгодонская АЭС 170+17 0,005 20+5,0 34+4,1 22,9 0,019

6 Минимально-значимая удельная активность МЗУА 10" Для. пром. товаров 10J 104 10" 370 для стройматериалов

Фактические эффективные удельные активности шламов рассчитывались автором по выражению:

Аэф = Аяа + 1,31 Ац, + 0,085К-40 ^ 370 Бк/кг (2)

Особое внимание было уделено в работе изучению процессов активации шламов ХВО ВоАЭС при воздействии на них у-излучений и тепловых нейтронов. При исследовании наведенной активности образцы шлама размещались в помещениях Во АЭС с различной интенсивностью у-излучения и выдерживались в течение 60 суток. В помещении № 1 эквивалентная доза от источников составляла 7,2 мЗв/ч, а в помещении №2 -9,28 мЗв/ч. После 60 суток выдержки мощность излучаемой образцами эквивалентной дозы не превышала естественного природного фона.

Расчет наведенной активности Сиа» при облучении шлама тепловыми нейтронами производился по выражению

Сваа = PS1KT * L0 * М * (1 - е-0'693"™) (А • 3,7 * 10ш), Кюри (3)

где:

Р - содержание радионуклидов в элементе на 1г;

8«*т - эффективное сечение активации элементов, Еарн;

Ьо - число Авагадро; М - масса радионуклида, г,

А - атомная масса облученного радионуклида

Так как в опытах время облучения (г) компонентов шлама составляло 30 суток, что меньше периода полураспада (Т-О основных элементов, составляющих шлам, то наведенная активность С,«, меньше активности насыщения Сн«с. С увеличением периода полураспада наведенная активность уменьшается, а наибольшая Сна5 (2,74 и 0,856 Кюри) наблюдается у корот-коживущих изотопов кальция, для которых Т./„ составляет 8,75 минуты и 4,53 дня соответственно. Абсолютные значения Си», для всех элементов шлама весьма низки даже в предположении, что плотность потока тепловых нейтронов ] = 103 нейтр/(см2 сек).

Разработанные автором математические зависимости позволяют рассчитывать величины наведенной активности (С"вав) элементов только лишь по данным об их периоде полураспада. При этом, для плотности потока тепловых нейтронов _|=103 нейтрДсм2 сек)

С"ям = 1,7/(/£ Т к + 1,4355), Кюри (4)

а для плотности потока тепловых нейтронов ]=2* 1013 нейтр./(см2сек) Сп„а. = 6,5 /(& Т* + 1,78), Кюри (5)

Сопоставление данных Снав двенадцати элементов, рассчитанных по формулам 3, 4 и 5 приведены на рисунке 2. Таким образом, полученная зависимость позволяет определять наведенную активность элемента только по периоду его полураспада. На рисунке 2 данные автора сопоставлены с независимыми данными Б.П.Голубева (Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М: Атомиздат,1976, с.503) для фосфора (Р3|(п,у)Р32) "точка 4.

По результатам исследований эффективности биологической защиты реактора первого энергоблока ВоАЭС было установлено, что плотность потока тепловых нейтронов j в районе холодных патрубков реактора на много порядков выше }, которая была принята для теоретической оценки С^, шлама по (3), а именно j = 1013нейтрон/(см2.сек). Поэтому при натурных исследованиях активации образцов шлама ХВО их размещали у холодного патрубка №2 реактора, вплотную к его биологической защите, т.е. там, где мощности амбиентного дозового эквивалента нейтронного и фотонного излучения в этом месте составляли соответственно Н„ - ЗбОмЗв/час и Ну-130м3в/час. Извлеченные через 218 суток образцы показали, что максимальная величина Снм в шламе составляла 0,0008 + 0,0095м Кюри. Таким образом, автором было установлено, что шламы электростанций (ТЭС и АЭС), как дополнительный компонент при изготовлении строительных, керамических, теплоизоляционных и защитных материалов не представляют радиационной опасности, а их использование в качестве наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов не имеет ограничений с радиологической точки зрения.

Рис.2 Зависимость наведенной активности изотопов основных элементов шлама ВПУ ВоАЭС от их периода полураспада. (I- расчет по формуле (4), II- расчет по формуле (5), 1-3,5-8 - расчет по формулс(3), 4 - Б.П. Голубев)

В работе методом полного факторного эксперимента (ПФЭ) определено процентное соотношение шести основных окислов в шламе ХВО ВоАЭС по четырем варьируемым факторам, характеризующим качество исходной воды: мутности (М); концентрации полиакриламида (ПАА); концентрации ионов кальция Са2> (или Mg 2+, или Ре 3+, или А13+, или или 816+); водородного показателя (рН) и концентрации взвешенных веществ (мг/л). В каждом ПФЭ фактором оптимизации являлась концентрация элемента, окисел которого вычислялся. Проверка однородности дисперсий экспериментальных данных по критерию Кохрэна показала, что он меньше табличного значения (в! = 0,335) и равен 0 = 5* 10 г/(1,181 * 10"') = 0,276, а следовательно эксперимент является воспроизводимым.

Результаты расчетов сопоставлены с полученными экспериментальными значениями и приведены в таблице 3, из которой видно, что рассогласование теоретических и расчетных данных не превышает 5%, в то время как расхождение в экспериментальном определении содержание окислов в шламе достигает 6,5 - 8,7%.

Таким образом, математическая модель в виде системы уравнений регрессии позволяет определить концентрации окислов в шламах электростанций по данным о составе исходной воды, что вполне целесообразно для оперативной оценки дальнейшего использования шламов как сырья.

Целесообразность использования шламов ХВО электростанций в сырьевых массах исследовалась путем определения пластичности смесей

(глины и шламов), формовочной влажности и механической прочности смесей (песка и шламов) при различных их соотношениях.

Таблица 3

Расчетные и экспериментальные данные о содержании окислов в шламах

ХВО ВоАЭС

Окисел Содержание окислов в шламе, % Рассогласование, %

расчетное экспериментальное

СаО 45,812 45,80 0,03

МкО 4,631 4,6 0,22

5,094 5,09 0,02

РеОг 1,733 1,70 1,905

АЬОз 2,397 2,38 0,71

Ш20 0,315 0,30 4,76

Как видно из рисунка 3, резкое увеличение предела прочности образцов наблюдается в первые семь суток. С 10-12 суток и до 28 суток прочность образцов увеличивается.

В связи с целесообразностью использования шламов ХВО ВоАЭС в качестве наполнителя при кондиционировании захоронений радиоактивных отходов с помощью установки цементирования были выполнены исследования по изучению влияния компонентов шлама ХВО на прочность бетонных образцов. Так как химический состав шламов ХВО электростанции и известняка - ракушечника по содержанию в них СаО составляет ±1,2%, то

вполне очевидно, что поведение шлама ХВО ВоАЭС будет аналогичным поведению известняка - ракушечника в составе бетонных смесей при одинаковых условиях твердения.

Изучение влияния шлама ХВО ВоАЭС на спекание, усадку и механическую прочность проводилась с помощью образцов-кирпичиков. Как видно из рисунка 4 оптимальной температурой спекания является 870-930 °С.

При этом количество шлама в массе не должно превышать 30%. Эти данные полностью согласуются с результатами работ других авторов, выполнявших исследование на тепловых электростанциях. Так как содержание FeзO2 в шламах ХВО ВоАЭС изменяется в пределах 1,7—3,4% то их можно отнести к группе шламов ТЭС, которые используются для производства облицовочной плитки, кирпича и других спекающихся масс.

Рис.4. Зависимость усадки керамических образцов от температуры их обжига и процентной составляющей шлама ХВО ВоАЭС 1 - 15%, 2 - 30%, 3 - 45% шлама в образцах.

Так как основной кристаллической фазой шлама, как и природных материалов (известняков) является кальций, то исследование возможности использования шлама ХВО ВоАЭС в качестве сырьевого материала для получения извести выполнялось параллельно с исследованием процессов, происходящих при аналогичной термообработке природных материалов: известняка Арагацкого месторождения (республика Армения) и мела Тарасовского месторождения Ростовской области. Дифференциальный термический анализ показал, что процесс декарбонизации шлама ХВО ВоАЭС протекает в интервале температур от 850°С до 950°С, мел разлагается при 920-960°С, а армянский известняк при 1000-1100 С. Таким .образом разложение СаСО3 и

образование СаО из шлама происходит при более низких температурах, чем у природных материалов. Высокая активность шламовых отходов АЭС, обусловленная дисперсностью и дефектностью кристаллической решетки, а так же наличие Са(ОН), который легко разлагается при выше указанных температурах, позволила осуществить возможность получения извести из шламовых отходов ВоАЭС по предложенной технологии скоростной термообработке в модернизированной башенной установке, приведенной на рисунке 5.

Рис.5 Принципиальная схема модернизированной башенной распылительной сушилки.

1- подача шлама; 2- мембранный насос; 3- взрывной клапан, 4- горелхи; 5,6,7- система отбора газов, 8- конвейер.

Суть новой технологии получения активной извести методом скоростной термообработки шлама ХВО ВоАЭС в модернизированной башенной установке состоит в том, что жидкий шлам с влажностью 40-65% подается из шламобассейна при помощи мембранного насоса под давлением 2,3-3 МПа в распылительную форсунку, расположенную в верху башни.

2

Теплота получаемая от сжигания газа в горелках по периметру башни обеспечивает сушку диспергированных капель шлама. Сушка длится 20-30с. Размер зерен высушенного парашка не превышает 0,2-0,5мм. Падая вниз порошок попадает в зону декарбонизации, где температура обжига составляет около 1000°С за счет сжигания дополнительного газа. Время обжига порошка в декарбонизаторе составляет не более 2минут, что обеспечивает необходимую степень декарбонизации 99-100%. Технологические испытания контрольных проб воздушной извести, полученные из шлама ХВО и из известняка проводились в соответствии с ГОСТ 9179-77 в условиях лаборатории. Исследования показали, что гашение извести из шлама заканчивается при температуре 82°С. В свою очередь наличие до 7% не по-гасившихся частиц показало, что шламовая известь относится ко второму сорту

В четвертой главе приводятся разработанные принципиальные технологические схемы модернизации ХВО с безотходной технологией переработки солесодержащих стоков ВоАЭС и многоцелевым использованием исходной воды. В процессе расконсервации и пуска ВоАЭС в проект ХВО был включен ряд решений по ее модернизации и в частности по внедрению схемы безотходной технологии переработки солесодержащих стоков ХВО ВоАЭС. В результате хлоркальциевой переработки стоков получаются готовые товарные продукты, а именно: чистый гипс и концентрированный 15% раствор хлористого натрия.

Шламовые воды осветлителей поступают на установку отстоя и отжима без дальнейшего использования. Поэтому автором разработана принципиальная технологическая схема многоцелевого безотходного использования исходной воды из Цимлянского водохранилища, показанная на рис.6. Модернизация схемы ХВО ВоАЭС обеспечивает возможность получения:

- обессоленной воды для подпитки I и II контуров ВоАЭС;

- частично обессоленной воды для подпитки теплосети;

- чистого гипса

- активной извести;

- раствора ИаС! концентрацией 15%;

- наполнителя бетонных смесей для кондиционирования радиоактивных отходов;

- растворных смесей с добавками шлама ХВО;

- керамических изделий и кирпича;

- теплоизоляционных и защитных от ионизирующих излучений плит и упаковок.

Полученный по схеме (рис.6) 15%-ный раствор №С1 вновь используется в замкнутом цикле ХВО для регенерации №-катионитных фильтров. Регенерированная из шлама ХВО ВоАЭС гашеная известь, в соответствии с требованиями ГОСТ-9179-77, относится к категории быстрогасящихся сортов и по качественным характеристикам не уступает паспортным критериям

на известь, которую поставляет ЗАО «Белокалитвинский известковый завод». Использование пробных партий быстрогасящихся сортов извести, полученных по разработанному автором способу регенерации в технологии предварительной очистки воды на действующей ХВО ВоАЭС, показало положительный результат.

Автором разработаны технические условия на использование в качестве сушильного агента вместо дымовых газов подогретого воздуха из воздухоподогревателя пуско-резервной котельной ВоАЭС . Это позволяет улучшить экологию в местах расположения рабочего персонала, а также повысить экономичность за счет рационального использования тепла уходящих дымовых газов.

Кроме того, практическая реализация заключается в том, что шлам

ХВО ВоАЭС уже используется как наполнитель (добавочный) при кондиционировании (захоронении) радиоактивных отходов с помощью установки цементирования и при изготовлении теплоизоляционных материалов и упаковок для нужд ВоАЭС. Длительное использование шлама для указанных целей показало, что изготовленные из него материалы не представляют радиационной опасности ни для обслуживающего персонала, ни для экологической обстановки на территории Волгодонской АЭС и Ростовской области.

Учитывая многофункциональность разработанных автором методов утилизации шлама, их целесообразно внедрять на всех типах электростанций.

В пятой главе приводятся основные техноко-экономические характеристики типовой и безотходной схемы химического обессоливания добавочной воды Волгодонской АЭС. Показано, что разрабатываемый вариант модернизации ХВО имеет хороший показатель по эксплуатационным издержкам себестоимости 1м* обрабатываемой воды, составляющим 1,02руб/м3 и приведенным затратам, составляющим 1,83, по сравнению с традиционной схемой химического обессоливания без переработки солесо-держащих стоков и утилизации шламов ХВО.

Приводятся расчеты, обосновывающие полную экономическую целесообразность, осуществления сушки шлама, получаемого на ХВО ВоАЭС в количестве 450т/гад, не за счет сжигания 35,5 тонн в год мазута (106500руб), а за счет использования бросового тепла уходящих дымовых газов от пуско-резервной котельной ВоАЭС. При этом рассмотрен рациональный вариант, предложенный автором, когда сушка шламов изделий осуществляется не непосредственно уходящими дымовыми газами, когда из-за температуры точки росы необходимо поддерживать высокую температуру газов на выходе из сушилки (~ 110°С), а горячим воздухом из воздухоподогревателя пус-ко-резервной котельной. Если в случае использования уходящих газов их часовой расход равен

Уух = Оисп/(Чх-*,ых )* С^ДУ/* 2514%х-гвых) = 5330м3/ч

где:

Рисп - тепло, затрачиваемое на испарение влаги;

количество влаги, содержащееся в

часовом расходе шлама О = 70 кг/ч;

\У( и - содержание влаги в шламе до сушки (95%) и после (45%) соответственно, %;

2514 кДж/кг - теплота парообразования воды при атмосферном давлении;

Цх» ^«х .температура уходящих газов на входе (130°С) и выходе (110°С) из сушилки соответственно, °С;

- теплоемкость уходящих газов, равна 1,5, то в случае использования горячего воздуха его расход составляет:

V,. = <}„„ /(1\х - ГВЫх) * С, = 159890/(150,- 30) * 1,32= 1009,4м5/,

Таким образом, предложенная автором рациональная схема сушки шлама воздухом обеспечивает снижение его часового расхода в 5,3 раза. Кроме того показано, что получение дополнительной товарной продукции из шлама и концентрированных стоков ХВО ВоАЭС снижает себестоимость 1м3 обессоленной воды с 1,02 до 0,55 руб/м3 в ценах 1991г. При этом общие годовые затраты рассчитываемые по формуле:

Эг = В>во * Cv.cn * с0. ,618475 руб

Вхжо— производительность химводоочистки

ВоАЭС (173м /ч),\г/ч;

Скп - число часов использования в год (6500ч),ч,

С0, - снижение себестоимости ]м3 обессоленной воды до 0,55 руб/м3

снижаются с 1146990 руб. до 618475 руб., что составляет более 45 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и реализуется на практике схема ХВО Волгодонской АЭС с многоцелевым безотходным использованием исходной воды из Цимлянского водохранилища путем получения:

- химически обессоленной воды для энергетических потребителей;

- 15%-ного раствора и активной извести, которые используются вновь в замкнутом цикле водоподготовки;

- наполнителя бетонных смесей на основе шлама ХВО для кондиционирования радиоактивных отходов;

- керамических, термоизоляционных и защитных от ионизирующих излучений плит и упаковок на основе шлама ХВО.

2. Выполнены специальные исследования радиологических и гигиенических характеристик шламов ХВО Волгодонской АЭС и шести ТЭЦ и ГРЭС Российской Федерации. Результаты анализа проб по средним значениям удельной активности радионуклидов в шламах (А1Ср) и по сумме эффективной удельной активности (ЕАэф) показали, что:

сумма отложений удельных активностей радионуклидов (Ао) к минимально значимой удельной активности (МЗУА) меньше единицы, что свидетельствует о том, что шлам ХВО ВоАЭС, ТЭС и АЭС пригоден для изготовления потребительских товаров;

- сумма удельных активностей урана-238, тория-232, радия-226 и калия-40 существенно меньше, чем нормативная для строительных материалов что определяет его пригодность даже для жилых и общественных зданий.

3. Разработана математическая модель в виде системы уравнений регрессии, позволяющая определять оксидный состав шлама (шесть основных окислов) по данным о качестве исходной воды (мутность, рН, жесткость по и др.) и дать оценку целесообразности дальнейшего использования шлама в качестве сырьевого компонента изделий.

4. Установлены пределы рецептурного соотношения щелочноземельных и щелочных оксидов в исходных сырьевых массах, повышающие интенсивность спекания и прочность изделий.

5. Получены новые экспериментальные и расчетные данные об активации шлама ХВО ВоАЭС при облучении его квантами и тепловыми нейтронами заданной интенсивности. Предложена математическая зависимость наведенной активности компонентов шлама от периода их полураспада. Установлено, что использование теплоизоляционных и защитных изделий на основе шлама в помещениях АЭС с определенной интенсивностью ионизирующих излучений не представляет опасности в отношении наведенной активности для обслуживающего персонала.

6. Предложена и экспериментально проверена технология получения активной извести из шлама ХВО Волгодонской АЭС методом его скоростной термообработки. Технологические испытания контрольных проб извести, полученной из шлама ХВО ВоАЭС и из природного известняка показали, что в соответствии с ГОСТ 9179-77, известь из шлама относится к категории быстрогасящихся материалов и по критериям качества может быть использована вторично в замкнутом цикле водоподготовки.

7. Показано, что бетонные смеси, термоизоляционные изделия, известь, керамика и другое экономически целесообразнее производить непосредственно на ТЭС и АЭС, в первую очередь для собственных нужд. При этом существенно снижаются затраты на транспортировку шлама, тепловую, электрическую энергию, технологические операции, расходы на хранение шлама и другое, по сравнению с вариантом создания автономного производства, вне ТЭС и АЭС, для этих целей.

8. Установлено, что получение дополнительной товарной продукции из шлама и концентрированных стоков ХВО снижает себестоимость обессоленной воды более чем на 45 %.

9. Предложенная автором схема утилизации тепла уходящих дымовых газов от вспомогательной пусковой котельной ВоАЭС обеспечивает экономию до 35,5 тонн мазута (марки 100) ежегодно.

Список трудов Паламарчука Александра Васильевича

1. Паламарчук А. В. «Перспективы развития атомной энергетики на Дону»// Материалы межрегиональной конференции «Молодые ученые России - теплоэнергетике». Новочеркасск: 2001. с. 3-7.

2. Паламарчук А.В. и др. «Обеспечение экологической безопасности выбросов химводоочистки АЭС»// Теплоэнергетика, 2002, №5. с. 75-77.

3. Паламарчук А.В. и др. «Обеспечение безотходных режимов водопользования химводоочисток ТЭС и АЭС»// Экология промышленного производства, 2002. №2. с. 27-29.

4. Паламарчук А.В. «Проблемы и пути совершенствования схем водопользования на электростанциях»// Материалы XXIV сессии семинара «Кибернетика

электрических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования». -Новочеркасск, ЮрГТУ (ИЛИ), 2002.

5. Паламарчук А.В. ((Рациональные способы утилизации шламовых отходов химводоочистки Волгодонской АЭС»// Материалы III международной научно-технической конференции ((Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» Москва, концерн ((Росэнергоатом», 2002. с. 145-150.

6. Паламарчук А.В. ((Активация шлама водоподготовки Волгодонской АЭС»// Известия СКНЦ ВШ Техн. Науки, 2003. №1.

Подписано в печать 05.04.2004 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Печ. л. 1,4. Тираж 150. Заказ 47-0578.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) Центр оперативной полиграфии ЮРГТУ 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

»-78 7*

Содержание

Введение

Глава 1 Анализ технологических схем и методов вЬдоприготовления на ТЭС и АЭС

1.1 Роль и место блока химводоочистки в тепловых схемах ТЭС и АЭС

1.2 Современные методы водоподготовки

1.2.1 Технологическая схема предварительной очистки воды

1.2.2 Технологии химического обессоливания на базе ионитных фильтров

1.2.3 Технология термического обессоливания воды

1.3 Основные направления совершенствования схем ВПУ

1.3.1 Схема традиционного химического обессоливания

1.3.2 Схема термического обессоливания

1.3.3 Схема химического обессоливания воды с упариванием стоков

1.3.4 Схема термохимического обессоливания со смешением всех или части стоков Na-катионитных фильтров с исходной водой

1.3.5 Схема термохимического обессоливания со сбросом части стоков Na-катионитных фильтров

1.3.6 Схема химического обессоливания по технологии UP.CO.R

1.3.7 Усовершенствованная схема химического обессоливания

1.4 Сравнительный анализ экологических показателей работы схем обессоливания воды на ТЭС и АЭС

1.5 Анализ существующих методов утилизации шламов химводоочи-сток на ТЭС и АЭС

1.6 Краткие выводы и постановка задачи исследований

Глава 2 Методика исследований

2.1 Исследование физико-химических свойств шламов ХВО ТЭС и

2.2 Исследование радиологических свойств шламов ТЭС и Волгодонской АЭС

2.3 Исследование наведенной активности в шламе Волгодонской

2.4 Химический анализ компонентов при изготовлении модельных растворов исходной воды

2.5 Методические аспекты исследования шламов ВПУ ВоАЭС, РоТЭЦ-2 и технологических масс на основе этих шламов

Глава 3 Результаты экспериментального исследования свойств шламов ХВО ТЭС и АЭС

3.1 Физико-химические и гранулометрические характеристики шламов ХВО ТЭС и АЭС

3.2 Исследование фазового состава и термодинамических свойств шламов ХВО

3.3 Результаты исследования радиологических и гигиенических характеристик шлама ХВО Волгодонской АЭС и шести ТЭЦ и ГРЭС Российской Федерации

3.4 Результаты исследования наведенной активности в шламе ХВО Волгодонской АЭС

3.5 Математическое определение состава шламов ХВО ТЭС и АЭС по данным о качестве исходной воды

3.6 Результаты исследования технологических свойств сырьевых масс на основе шламов ХВО ТЭС и АЭС

3.6.1 Результаты исследования пластичности смесей шламов с глиной

3.6.2 Результаты исследования механической прочности и связующей способности масс на основе шламов ХВО

3.6.3 Результаты оценки прочности бетонных смесей на основе шламов ХВО

3.6.4 Результаты исследования технологических характеристик керамических изделий на основе шлама Волгодонской АЭС

3.6.5 Результаты исследования механизма формирования структуры спекаемых масс с добавками шлама ХВО

3.7 Результаты исследования технологических характеристик получения извести из шлама ХВО Волгодонской АЭС

3.8 Краткие выводы

Глава 4 Разработка многоцелевой технологической схемы химического обессоливания исходной воды ТЭС и способов утилизации шлама

ХВО (на примере Волгодонской АЭС)

4.1 Исходные данные для проектирования схемы ХВО 93 4.1.1 Технологическая характеристика модернизируемой схемы ХВО

4.2 Вариант модернизации схемы ХВО с безотходной технологией переработки солесодержащих стоков

4.3 Разработка схемы ХВО с утилизацией шламовых отходов и солесодержащих стоков

4.4 Краткие выводы

Глава 5 Технико-экономические характеристики многоцелевой безотходной схемы химводоочистки Волгодонской АЭС

5.1 Результаты технико-экономического сравнения технологий обессоливания добавочной воды на ТЭС и АЭС

5.2 Технико-экономические показатели строительства и модернизации химводоочистки Волгодонской АЭС

5.3 Расчет затрат на тепловую энергию при производстве изделий из шлама ХВО ВоАЭС

5.4 Краткие выводы 116 Заключение 118 Список литературы

В связи с моральным и физическим старением большого парка энергооборудования и ростом масштабов развития энергетики, как в России, так и в других странах, возникает потребность использования новых технологий и в первую очередь в более совершенных технологических схемах водоподготовки для питания паровых котлов ТЭС и парогенераторов АЭС. При разработке и эксплуатации таких схем часто обостряются противоречия между экономичностью и эко-логичностью электростанции в целом.

Во многих передовых странах мира запрещено применение технологий не соответствующих критериям экологичности /1-3/. Однако существующие энергетические технологии реализуются в основном по одноцелевому принципу. При этом используется только горючая масса топлива, обессоленная или умягченная исходная вода, а так называемые «отходы» - зола, шлак и шламы отправляются в золоотвалы и шламонакопители.

В данной ситуации приоритетной задачей энергетики становится необходимость развития многоцелевых энергетических технологий, обеспечивающих максимально полное использование первичных ресурсов с одновременной переработкой и утилизацией так называемых отходов, являющихся ценным сырьём для сопутствующих производств /4-5/.

На паротурбинных электростанциях вода используется как рабочее тело и как теплоноситель, как участник технологических процессов в энергетических системах и агрегатах. Известно, что наиболее жёсткие требования предъявляются к качеству воды, которая работает в основном энергетическом цикле. Эффективность и надежность работы оборудования современных ТЭС и АЭС определяется чистотой контактирующих с водой и паром теплопередающих поверхностей металла. Интенсивность передачи тепла в современных паровых котлах ТЭС достигает 466-582 кВт/м2. В реакторах АЭС эта величина достигает 11,6 кВт/м2. Образование отложений-примесей воды на поверхностях парогенераторов (ПГ) и на лопаточном аппарате турбин не только резко снижает их экономичность, но при значительных количествах отложений вызывает повреждение отдельных деталей котлов и турбин. Опыт многолетней эксплуатации энергоблоков ТЭС и АЭС в России и за рубежом свидетельствует о том, что необходимым условием бесперебойной и экономичной их работы является рациональная организация водоподго-товки и водного режима ПГ, строгое соблюдение обоснованных эксплуатационных норм качества теплоносителя и рабочего тела ТЭС и АЭС.

К настоящему времени вопросы о минимизации и нейтрализации сточных вод водоподготовительных установок (ВПУ) ТЭС и АЭС проработаны достаточно полно /6-11/, однако ни одна из технологических схем, как в отечественной, так и зарубежной энергетике не реализует на практике принцип полной утилизации отходов ВПУ /12-13/.

Особые проблемы связаны со значительным количеством шламосодержа-щих вод, образующихся на стадии предварительной подготовки добавочной воды с применением извести. Традиционно шламы ВПУ сбрасываются в шламонако-пители, которые требуют все увеличивающихся площадей, усиливая экологическую нагрузку на прилегающие территории электростанций. Особенно остро эта проблема стоит для АЭС, расположенных, как правило, вблизи больших водоемов.

Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует о том, что шламы ВПУ ТЭС и АЭС - не бросовые отходы, а ценное исходное сырьё для многих отраслей промышленности и сельского хозяйства /13-15/. В этой связи одной из основных задач энергетики является перевод шламов ВПУ из разряда «отходов» во вторичные сырьевые источники. Это позволит решать важнейшие экологические, экономические и социальные вопросы.

Таким образом, разработка эффективных технологических схем водоподго-товки с рациональными методами утилизации отходов ВПУ, позволит решить существенную для энергетической отрасли задачу - создания многоцелевой, безотходной, экологически чистой системы водопользования на ТЭС и АЭС.

Целью диссертационной работы является усовершенствование технологической схемы подготовки добавочной воды с разработкой рациональных способов утилизации шлама ВПУ на примере Волгодонской АЭС.

Конкретные задачи исследования, решаемые в работе:

- сравнительный анализ современных технологических схем водоподготовки на ТЭС и АЭС;

- анализ существующих методов утилизации загрязненных вод и шламовых отходов ВПУ ТЭС и АЭС;

- исследование физико-химических и радиологических характеристик шлама ВПУ Волгодонской АЭС (ВоАЭС) с целью использования его в составе изделий, обеспечивающих защиту от ионизирующих излучений;

- исследование технологических характеристик шлама ВПУ ВоАЭС, как сырьевой добавки при производстве строительных материалов и гашеной извести;

- исследование наведенной активности (степени активации) шлама ВПУ ВоАЭС в зонах с различной интенсивностью ионизирующих излучений непосредственно на действующем оборудовании ВоАЭС;

- расчетно-теоретические исследования степени активации компонентов шлама при облучении их тепловыми нейтронами;

- разработка технологической схемы рационального водопользования на ВоАЭС с утилизацией шлама ХВО.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- получены новые экспериментальные и расчетные данные о степени активации шлама ХВО ВоАЭС при облучении его гамма-квантами и тепловыми нейтронами;

- разработана математическая модель в виде системы уравнений регрессии, которая позволяет определить концентрации шести основных компонентов шлама ВоАЭС в зависимости от качества исходной воды;

- физико-химическими методами установлен механизм формирования структуры спекаемой массы на основе шлама ВПУ при производстве керамических изделий;

-установлено оптимальное соотношение между минерализаторами и содержанием шлама в спекаемой массе, которое определено как щелочноземельный модуль М;

-изучены свойства масс и изделий при значениях М от 1 до 7;

-разработана и экспериментально испытана технология скоростной термообработки шлама ВПУ ВоАЭС и получения из него активной извести с последующим использованием её в цикле водоподготовки;

- разработана комплексная технологическая схема водоподготовки с утилизацией шлама солевых растворов ХВО ВоАЭС.

Практическая значимость работы заключается в том, что, результаты промышленных, лабораторных и расчетных исследований используются в практике эксплуатации технологических схем водопользования на ТЭС и АЭС, проектных и научно-исследовательских институтов, в частности:

- принципы и технико-экономические условия реализации схемы водоподготовки с утилизацией солесодержащих стоков и шлама ХВО использованы ОАО «НИИ ЭПЭ» и РоТЭП при проектировании и создании многоцелевой опытно-промышленной установки (ОПУ) газификации твердого топлива;

- новые данные автора о наведенной активности химических элементов, входящих в шлам ХВО используются «Центром радиационной экологии и технологии» (ЛРК №41015-94/01);

- составы масс, включающих шламы ВПУ ВоАЭС, внедрены на Шахтинском заводе «Стройфарфор»;

- основы технологии скоростной сушки шлама ВПУ ВоАЭС и получения из него активной извести использованы ЗАО «Белокалитвинский известковый завод»;

- принципы реализации многоцелевой технологии водоподготовки с утилизацией солесодержащих стоков и шлама ВПУ внедрены на Новочеркасской ГРЭС, Курской АЭС, Калининской АЭС, и Ростовской ТЭЦ-2.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечены применением современных методов планирования экспериментов, обработки их результатов математическим моделированием с применением ПЭВМ, воспроизводимостью данных, полученных автором, результатами промышленных и лабораторных исследований, согласованием их с независимыми данными других авторов и использованием в работе фундаментальных законов физической химии и ядерной физики.

Личный вклад автора состоит в следующем:

- планирование и непосредственное участие в натурных и лабораторных исследованиях;

- обработка и анализ результатов расчетных и экспериментальных исследований, разработка масс для производства рецептурных модулей и оптимальных составов строительных материалов на основе шлама ВПУ ВоАЭС;

- обобщение полученных результатов и выдвижение практических предложений;

- разработка технологической схемы рационального водопользования с утилизацией солесодержащих стоков и шламовых отходов ВПУ и тепла уходящих газов при производстве вторичной продукции из шлама непосредственно на ВоАЭС.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались:

- на всероссийской научно-практической конференции Росэнергоатом (Москва 2002 г.);

- на семинарах кафедры «Атомные электростанции» МЭИ (г. Москва 2002 г.);

- на семинарах кафедры «Теплоэнергетических технологий и оборудования» ВИ ЮРГТУ (НПИ). На техническом совете кафедры «Тепловые электрические станции» ЮРГТУ (Новочеркасск 2000-2002 г.);

- на техническом совете ОАО «НИИ ЭПЭ» (г. Ростов-на-Дону, 2001-2002 г.);

- на международной конференции «Диагностика оборудования электростанций» (г. Новочеркасск 2002 г.);

- на IV международной конференции "Перспективные задачи инженерной науки" (г. Игало, Черногория, 2003 г.).

Публикации по работе

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести научных журнальных статьях, тезисах и докладах научно-технических конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.

1 Результаты исследования показали, что усовершенствованная схема ХВО ВоАЭС, включающая безотходную технологию переработки солесодержащих стоков и шлама ВПУ, вполне конкурентоспособна по относительной технологической составляющей со всеми остальными схемами ХВО.

2 Установлено, что получение дополнительной товарной продукции из шлама и концентрированных стоков ХВО снижает себестоимость 1 м3 обессоленной воды до 1,02 руб/м3 в ценах 1991г.

3 Разработанный вариант модернизации ХВО имеет так же хорошие показатели по эксплуатационным издержкам и приведенным затратам по сравнению с традиционной схемой химобессоливания без переработки солесодержащих стоков и утилизации шлама ХВО.

4 Показано, что бетонные смеси, термоизоляционные изделия, известь, керамика и другое экономически целесообразнее производить непосредственно на ТЭЦ и АЭС, в первую очередь для собственных нужд. При этом существенно снижаются затраты на транспортировку шлама, тепловую, электрическую энергию, технологические операции, расходы на хранение шлама и другое, по сравнению с вариантом создания автономного производства, вне ТЭС и АЭС, для этих целей.

5 Предложенная автором схема утилизации тепла уходящих дымовых газов от пуско-резервной котельной ВоАЭС обеспечивает экономию до 35,5 тонн мазута марки 100 ежегодно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Результаты выполненного нами сравнительного анализа схем и методов химводоочисток позволили выделить основные направления технологического совершенствования схемы химического обессоливания на Волгодонской АЭС, предусматривающие технологию переработки солевого концентрата стоков и шлама ХВО и получением из них готовых товарных продуктов.

2 Разработана и реализуется на практике схема ХВО Волгодонской АЭС с многоцелевым безотходным использованием исходной воды из Цимлянского водохранилища путем получения:

- химически обессоленной воды для энергетических потребителей;

- 15%-ного раствора NaCl и активной извести, используемых вновь в замкнутом цикле водоподготовки;

- наполнителя бетонных смесей на основе шлама ХВО для кондиционирования радиоактивных отходов;

- керамических, термоизоляционных и защитных от ионизирующих излучений плит и упаковок на основе шлама ХВО.

3 В результате физико-химических исследований установлено, что шламы ХВО ТЭС и Волгодонской АЭС обладают более интенсивной реакционной способностью, чем некоторые природные материалы (например, мел и др.); благодаря тонкодисперсному и однородному составу, шлам естественно вписывается в технологические процессы производства из него строительных изделий.

4 Результаты гамма-спектрометрических исследований образцов шлама Волгодонской АЭС показали, что сумма отношений удельных активностей радионуклидов, содержащихся в шламе на 2 порядка меньше нормативной "Минимально значимой удельной активности" (Ао/МЗУА=0,019), а эффективная удельная активность шлама (Аэф) на порядок меньше критерия «Норм радиационной безопасности» [48], т.е. АЭфЛЭС= 30,1 Бк/кг < АЭфНРБ=370 Бк/кг. Таким образом, наши данные подтверждают пригодность шлама как при использовании его в строительстве жилых и общественных зданий, так и при изготовлении из него потребительских товаров.

5 Методом полного факторного эксперимента разработана математическая модель в виде системы уравнений регрессии, позволяющая определять оксидный состав шлама (шесть основных окислов) по данным о качестве исходной воды

I ^ мутность, рН, жесткость по Са и др.) и давать оценку целесообразности дальнейшего использования шлама в качестве сырьевого компонента изделий.

6 В результате исследования технологических свойств сырьевых масс на основе шламов ТЭС и АЭС установлено, что качество изделий (Ки) является функцией многопараметрических факторов:

Ки= f(Xc,d.; Мщи; Mgu; dt/dr; tmax; Экспериментально полученные термографические зависимости процесса спекания масс показывают (рис. 3.1), что включение шлама в их состав технологически предпочтительнее природных карбонатных материалов.

7 Установлены пределы рецептурного соотношения щелочноземельных и щелочных оксидов в исходных массах, повышающие интенсивность спекания и прочность изделий. Это соотношение определено как рецептурный модуль:

Мр = R0/R20 = (CaO+MgO) / (Na20+K20) Физико-химическими методами исследования выявлен механизм формирования структуры спекаемых масс при значениях модуля от 3,4 до 5,9. Показано, что прочность бетонных смесей на основе шлама ХВО конкурентоспособна с прочностью бетонов на природных известняках - ракушечниках.

8 Получены новые экспериментальные и расчетные данные об активации шлама ХВО ВоАЭС при облучении его 7-квантами и тепловыми нейтронами определенной интенсивности. Предложена математическая зависимость наведенной активности (Снав) компонентов шлама от периода их полураспада. Установлено, что использование теплоизоляционных и защитных изделий на основе шлама в помещениях АЭС с определенной интенсивностью ионизирующих излучений не представляет опасности в отношении наведенной активности для обслуживающего персонала.

9 Предложена и экспериментально проверена технология получения активной извести из шлама ХВО Волгодонской АЭС методом его скоростной термообработки. Технологические испытания контрольных проб извести, полученной из шлама ХВО ВоАЭС и из природного известняка показали, что в соответствии с ГОСТ 9179-77, известь из шлама относится к категории быстрогасящихся материалов и по критериям качества может быть использована вторично в замкнутом цикле водоподготовки ВоАЭС.

10 Показано, что бетонные смеси, термоизоляционные изделия, известь, керамика и другое экономически целесообразнее производить непосредственно на ТЭЦ и АЭС, в первую очередь для собственных нужд. При этом существенно снижаются затраты на транспортировку шлама, тепловую, электрическую энергию, технологические операции, расходы на хранение шлама и другое, по сравнению с вариантом создания автономного производства, вне ТЭС и АЭС, для этих целей.

11 Установлено, что получение дополнительной товарной продукции из шлама и концентрированных стоков ХВО снижает себестоимость 1 м3 обессоленной воды до 0,55 руб/м3.

12 Предложенная автором схема утилизации тепла уходящих дымовых газов от вспомогательно-пусковой котельной ВоАЭС обеспечивает экономию до 35,5 тонн мазута марки 100 ежегодно.

1. Лучшие электростанции мира за 1994г. // Мировая электроэнергетика, 1995. №2. с.37.

2. Лучшие электростанции мира за 1995г. //. Мировая электроэнергетика, 1996. №1. с.ЗЗ.

3. Strauss S.D. Zero discharge firmly entrenched as a powerplant design strategy. // Power. 1994. №10. p.41-48.

4. Мадоян A.A. Будущее за многоцелевыми технологиями. //Донская быстрина. Газета. №6, ноябрь, 2002. с.4.

5. Нетрадиционные технологии основной путь обеспечения экологической надежности и ресурсосбережения. / Дьяков А.Ф., Мадоян А.А., Левченко Г.И. и др. // Энергетик, 1997. №8.с.2-6.

6. Седлов А.С., Шищенко В.В., Чебанов С.Н. и др. Малоотходная технология переработки сточных вод на базе термохимического обессоливания. //Энергетик, 1996. №11. с. 17-20.

7. Умягчение воды ионитами /А.В.Мальченко, Т.Н. Якимова, М.С. Новоженюк и др.//Химия и технология воды 1989, т.2, №8 с. 58-68.

8. Седлов А.С., Васина Л.Г., Ильина И.П. Многократное использование сточных вод в схеме водоподготовки. // Теплоэнергетика, 1987. №9. с.57,58.

9. Шищенко В.В., Седлов А.С. Водоподготовительные установки с утилизации сточных вод. //Промышленная энергетика, 1992. №10. с. 29.

10. Water Treatment Plant Design. American Society of Cie Engineers. American Water Works Association. Second Edit McGrow-Yill Publishing Company, 1990.

11. Использование шламов ХВО для производства народнохозяйственной продукции / А.В. Нубарьян, Н.Д. Яценко, К.С. Сонин, А.К. Голубых // Теплоэнергетика, 1999. №11. с.40-42.

12. Экологические проблемы осветления воды и утилизации шламов на ТЭЦ АО "Мосэнерго" / А.Н. Ремезов, Г.В. Преснов, A.M. Храмчихин и др. // Теплоэнергетика, 2002. №2. с.2-8.

13. Водоподготовка. Процессы и аппараты. / Под ред. О.И. Мартыновой. М.: Атомиздат, 1977. с.328.

14. Стерман JI.C., Покровский В.Н. Химические и термические методы обработки воды на ТЭС. Учеб. пособие для ВУЗов. М.: Энергия, 1991. с.328.

15. ВихревВ.Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка. М.: Энергия, 1973. с.420.19.0бработка воды на тепловых электростанциях. / Под ред. В.А. Голубцова.1. М.: Энергия, 1966. с.448.

16. Маргулова Т.Х., Мартынова О.И, Водные режимы тепловых и атомных электростанций. М.: Высшая школа. 1981. с.320.

17. Водный режим тепловых электростанций. / Под ред. Т.Х. Маргуловой. М.,Л.: Энергия, 1965. с.485.

18. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Энергия, 1973. с.420.

19. Гурвич С.М., Кострикин Ю.М. Оператор водоподготовки. М.: Энергоиздат, 1981. с.304.

20. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций./ВНТП81. МЭиЭ СССР, 1991.

21. Стерман Л.С., Можаров Н.А., Лавыгин В.М. Технико-экономический анализ работы многоступенчатых испарительных установок. // Теплоэнергетика, 1968. №11. с.26-30.

22. Теоретическое и экспериментальное обоснование способов обессоливания воды с многократным использованием регенерационного раствора. / А.С.

23. Седлов, В.В. Шищенко, С.Н. Чебанов и др. // Теплоэнергетика, 1995. №3. с.64-68.

24. Ларин Б.М., Дробот Г.К., Парамонова Е.А. Выбор и расчет оптимальной схемы обессоливания воды. // Изв. ВУЗов. Энергетика, 1982. №11. с.50-54.

25. Фейзиев Г.К. Высокоэффективные методы умягчения, опреснения и обессоливания воды. М.: Энергоатомиздат, 1988.

26. Технологическое и экологическое совершенствование водоподготовительных установок на ТЭС. / Ларин Б.М., Бушуев Е.Н., Бушуева Н.В. // Теплоэнергетика, 2001. №8. с.23-27.

27. Методические указания по проектированию ТЭС с максимально сокращенными стоками. М.: Минэнерго СССР, 1991.

28. Small-waste technology of water desalination at thermal power station. / A.S. Sedlov, V.V. Shischenko, V.F. Ghidikih, e.a. //Desalination. 1999. №126. p.261-266.

29. Промышленное освоение и унификация малоотходной технологии термохимического умягчения и обессоливания воды. / А.С. Седлов, В.В. Шищенко, И.П. Ильина и др. // Теплоэнергетика. 2001. №8. с.28-33.

30. Нубарьян А.В. Разработка рациональных способов получения экологически чистой продукции из шламовых отходов ТЭС: Дис. Канд. техн. наук. Новочеркасск.: ЮрГТУ (НПИ), 2000.

31. Солодяников В.В., Кострикин Ю.М., Тарасов А.Г. Промышленное использование минеральных осадков стоков химводоочисток. // Энергетик, 1986. №6. с.8,9.

32. Кострикин Ю.М., Дик Э.П., Корбут К.И. Возможности использования шлама после известкования. // Энергетик. 1977. №1. с.7,8.

33. Саморядов Б.А., Горден Н.Ф., Потехин В.Ю. Использование шлама осветлителей ХВО для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Электрические станции, 1982. №8. с. 18-20.

34. Шульга П.Г. Опыт эксплуатации шламоуплотнительной станции на Лисичанской ТЭС. // Энергетика и электрификация, 1979. №4. с.24,25.

35. Лабезнов П.П., Носулько Д.Р., Лабезнова Е.Н. Применение шлама водоподготовительных установок в сварочном производстве. // Энергетика и электрификация, 1985. №7. с. 37-40.

36. Илиополов С.К., Андриади Ю.Г., Баранова Е.М., Мардиросова И.В. Асфальтобетонная смесь с использованием полибутадиенового каучука и шлама химводоочистки ТЭЦ. // Сб. II Международной НТК. Омск, 1998. с.153-154.

37. Андриади Ю.Г. Комплексно-модифицированное полимерно-битумное вяжущее для верхних слоев асфальтобетонных покрытий. // Диссер. канд. техн. наук. РИСИ. Ростов-на-Дону. 1999.

38. Мадоян А.А., Ефимов Н.Н., Нубарьян А.В. и др. О целесообразности применения термического обезвреживания отходов ТЭС. // Тез. докл. междунар. научн-техн. семинара "Экология строительства и эксплуатации зданий и сооружений", М.: 1997. с.98-101.

39. Мадоян А.А. Перспективы использования ресурсосберегающих технологий. // Тез. докл. междунар. научн-техн. семинара "Экология строительства и эксплуатации зданий и сооружений". М.: 1977. с.95-97.

40. Обеспечение экологической безопасности выбросов химводоочистки АЭС. / Паламарчук А.В., Мадоян А.А., Лукашов М.Ю., Нубарьян А.В. // Теплоэнергетика, 2002. №5. с.75-77.

41. Васильев Е.К., Нахмасон М.С. Качественный рентгенофазовый анализ. Новосибирск: Наука, 1986.

42. Миркин М.И. Рентгеноструктурный анализ. Получение и измерение рентгенограмм. / Справочное руководство. М.: Наука, 1976. с.863.

43. Уэндланд У.У., Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. с.526.

44. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами. СПОРО-85. МЗ СССР. М.: 1986.

45. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). М.: Минздрав России, 1999.

46. Радиационно-гигиенический контроль промышленных отходов и сырья предприятий Минтопэнерго РФ, используемых при производстве стройматериалов. Методические указания. М.: 1992.

47. Методические указания по испытанию глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб. // М.: МПСМ. СССР, 1975.

48. Топоров Н.А., Булак Л.Н. Лабораторный практикум по минералогии, Л.: Стройиздат, 1969. с.238.

49. Микроскопический анализ состава и качества силикатных изделий: Метод указания к лаб. работам. Новочеркасск: НПИ, 1986. с.23.

50. Термодинамический анализ регенерации извести из шламов химводоподготовки на ТЭЦ. / А.Н. Емельянов, В.В. Салодяников. // Электрические станции. 1999. №1. с.40-42.

51. Экология строительства и эксплуатации зданий и сооружений». М.: 1998. с. 19-23.

52. Маслов И.А., Лукницкий В.А. Справочник по нейтронному активационному анализу. //Л.: Наука, 1971. с.320.

53. Лысенко Е.И. Структурные особенности и физическая стойкость бетонов на известняково-ракушечниковых заполнителях: Диссертация канд. техн. наук. РИСИ. Ростов-на-Дону. 1970.

54. Нубарьян А.В., Чувараян Х.С., Яценко Н.Д. Производство керамических стеновых изделий с применением шламовых отходов ТЭС. // Энергетик, 2000. №8. с. 13-15.

55. Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Стройиздат, 1975. с.592

56. Павлов В.Ф. Фазовые превращения при обжиге глин различного минералогического состава с добавкой смесей щелочных и щелочноземельных оксидов. // Труды НИИстройкерамики, М.:1972. -Вып.35-36. с.20,177-182.

57. Грум-Гржимайло О.С., Квятковская К.К. К вопросу деформаций облицовочной плитки при обжиге. // Гр. / НИИстройкерамики, М.: 1973. -Вып.37. с.68-74.

58. Яценко Н.Д., Зубехин А.П., Ратькова В.П. Особенности процесса спекания облицовочной плитки при использовании тугоплавких глин и отходов обогащения. // Современные проблемы строительного материаловедения: Матер, междунар. конф. Самара, 1995. с.42-43.

59. Ресурсосберегающая технология производства облицовочных плиток. / А.П. Зубехин, Н.В. Тарабрина, Н.Д. Яценко, В.П. Ратькова // Стекло и керамика, 1996. №6. с.3-5.

60. Яценко Н.Д., Паламарчук А.В. Обеспечение безотходных режимов водопользования химводоочисток ТЭС и АЭС. // Экология промышленного производства, 2002. №2. с. 27-29

61. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований. / Под редакцией Г.К. Круга. Москва, МЭИ, 1973. с. 180

62. Мойсюк Б.Н. Элементы теории оптимального эксперимента. 4.1. / Москва, МЭИ, 1975. с.120.

63. Мойсюк Б.Н. Элементы теории оптимального эксперимента. 4.2. / Москва, МЭИ, 1976. с.84.

64. Паламарчук А.В. Активация шлама водоподготовки Волгодонской АЭС. // Известия СКНЦ ВШ Техн. Науки, 2003. №1.

65. Паламарчук А.В. Проблемы и пути совершенствования схем водопользования на электростанциях. // Материалы XXIV сессии семинара «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования». Новочеркасск, ЮрГТУ (НПИ), 2002.

66. Паламарчук А.В., Петров А.Ю., Дерий В.П., Шестаков Н.Б. Опыт строительства и ввода в эксплуатацию энергоблока №1 Ростовской АЭС. // Теплоэнергетика, 2003, №5. с. 4-8.

67. Паламарчук А.В.Обеспечение безотходных режимов водопользования химводоочисток ТЭС и АЭС // Экология промышленного производства, 2002, №2. с. 27-29.

68. Паламарчук А.В.Обеспечение экологической безопасности выбросов химводоочистки АЭС // Теплоэнергетика, 2002, №5. с. 75-77.

69. Паламарчук А.В., Поваров В.П., Мадоян А.А. Использование шламов ВПУ АЭС и ТЭС как вторичного сырья // Материалы IV международной конференции "Перспективные задачи инженерной науки" Игало (Черногория), МИА, 2003