Разработка рациональных способов безотходного использования шлама и солесодержащих стоков электростанций

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 № 41 015−94/01);

— 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 1991 г.

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.- МщиMgudt/drtmaxЭкспериментально 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.