Спосіб очищення промислових газоподібних викидів від радіонуклідів

Реферат: Спосіб очищення промислових газоподібних викидів від радіонуклідів належить до захисту навколишнього середовища і може бути використаний на об'єктах ядерної індустрії та металургійної промисловості для очищення газоподібних викидів від радіонуклідів. Спосіб включає рух забруднених радіонуклідами газоподібних викидів через систему пластинчатих електродів, між якими створено поперечне постійне електричне поле. На поверхню катодів наносять сітку із діелектричного матеріалу або фільтруючий матеріал товщиною 5 мм. Значення напруги на електродах визначають за формулою. Технічний результат полягає в тому, що за допомогою простого технічного обладнання і невеликих затратах електроенергії може бути виконане очищення газу від радіонуклідів до допустимих рівнів їх концентрації, а необхідний рівень очищення забезпечується підбором значень параметрів процесу очищення. UA 114568 C2 (12) UA 114568 C2 UA 114568 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області захисту навколишнього середовища і може бути використаний на об'єктах ядерної індустрії та металургійної промисловості для очищення промислових газоподібних викидів від радіонуклідів. Оскільки властивості всіх ізотопів одного хімічного елемента як стабільних, так і нестабільних (радіоактивних), практично однакові, то для очищення газів від радіонуклідів можуть використовуватись всі відомі способи очищення газів від різних домішок. Для розділення газових сумішей використовуються такі методи, як абсорбція, мембранні методи та інші. Аерозолі відділяють шляхом їх фільтрації. Для позбавлення від короткоживучих радіонуклідів їх можуть витримувати в ємності до повного розпаду [1, с. 436]. При очищенні газів найбільш ефективними є електричні способи, коли газовий потік, який потребує очищення, пропускають через зону іонізації, в якій частинки домішок заряджаються. Далі ці частинки проходять в поперечному електричному полі, яке створене між електродами. Заряджені частинки осідають на електродах, а очищений газ виходить за межі зони дії електричного поля [2, с. 36]. Як прототип вибрано спосіб, у відповідності з яким, для іонізації частинок використовується коронний розряд. Частинки вносяться з потоком газів в рівномірне електростатичне поле, яке створене системою пластинчатих електродів. Заряджені домішки осідають на електродах, що призводить до очищення газу від них [2, с. 153]. Для отримання коронного розряду на електроди іонізатора подається дуже висока напруга величиною в десятки кіловольт. Це потребує використання електроустаткування великої потужності. Крім того, даний спосіб не завжди забезпечує необхідний ступінь очищення. Для досягнення високого ефекту очищення газів електричний спосіб, як правило, використовують в комбінації з іншими способами очищення. Для розробки способу, який пропонується, були досліджені склад і особливості поведінки радіонуклідів в газоподібних викидах. В складі таких викидів найбільше радіонуклідів таких металів, як цезій-137, стронцій-90, калій-40 та інші. Відомо, що атоми металів знаходяться в навколишньому середовищі, в тому числі і в газовому, у вигляді позитивно заряджених іонів [3, с. 308-328]. Тому для очищення газоподібних викидів від радіонуклідів може бути використаний електричний спосіб. Задачею винаходу, що пропонується, є створення ефективного процесу очистки газів, забруднених радіонуклідами. Поставлена задача може бути вирішена шляхом пропускання забрудненого радіонуклідами газу через поперечне постійне електричне поле, яке створене між пластинами електродів. Під дією електричного поля позитивно заряджені іони радіоізотопів металів рухаються в напрямі катода. Шляхом підбору параметрів процесу очищення газоподібних викидів створюються умови, при яких радіоізотопи металів накопичуються біля катода, і таким чином відбувається очищення газу. Схема установки, на якій реалізується запропонований спосіб очищення, представлена на кресленні. Електрофільтр вмонтований в газохід 1, поперечний переріз якого перекривається системою пластинчастих електродів 2. Електроди довжиною l розміщені на однаковій відстані d і підключені до блока електроживлення 3. Аноди А і катоди Κ об'єднані між собою паралельно. Забруднений газовий потік передається в електрофільтр зі швидкістю Vг . Рухаючись із цією швидкістю разом з газом, радіонукліди знаходяться в міжелектродному просторі впродовж часу ti  l / Vг . Після проходження між електродами 2 очищений від радіонуклідів газ покидає межі електрофільтра. Під дією напруженості електричного поля E  U / d , позитивні іони радіонуклідів рухаються в напрямі катода зі швидкістю V  a  E , де a  - рухливість позитивних іонів в газі, значення якої приводяться в таблицях (наприклад, в [2, с. 39]). Для видалення всіх радіонуклідів, які внесені в електрофільтр, необхідно, щоб вони за час ti встигли сконцентруватись біля катода. На кресленні видно, що ця вимога буде виконана, якщо мінімальна довжина катода l буде такою, щоб іони, які надійшли в міжелектродний простір біля анода і мають перпендикулярну до напряму руху газу складову швидкості іонів V , за час ti , подолали відстань d , тобто виконувалось співвідношення d  V  ti . (1) Для забезпечення прийнятних техніко-економічних показників процесу очищення газу від радіонуклідів, знайдемо кількісний зв'язок між параметрами цього процесу. Довжину електродів l можна знайти із виразу 1 UA 114568 C2   l  Vг  t i  Vг  d / V   Vг  d2 a   U . (2) На практиці значення параметрів електрофільтра, які входять до виразу (2), а саме довжина електродів l і відстань між ними d , задаються. Також відомі швидкість газу Vг і рухливість іонів радіонуклідів, від яких очищується газ. Тому вираз (2) представимо інакше 5 10 15 20 25 30   U  Vг  d2 l  a   . (3) При цьому потрібно мати на увазі, що рухливість іонів a  великою мірою залежить від тиску і температури газу, а також від його чистоти [2, с. 39]. Це може привести до великих змін значення цього параметра в процесі експлуатації електрофільтра, що обумовлює необхідність регулювання напруги U в широкому діапазоні її значень. При потраплянні позитивно зарядженого іона на негативно заряджений катод, атом металу стає теж негативно зарядженим. Між ним і катодом виникає кулонівська сила і атом відштовхується назад в газовий потік. Величина цієї сили швидко зменшується із збільшенням відстані між зарядами. В результаті позитивні іони металу не осаджуються на катоді, а скупчуються біля нього в тонкому шарі -5 товщиною 10 м. Ці іони можуть переміщатись вздовж еквіпотенціальної поверхні катода під дією потоку газу і покинути межі електрофільтра. Для запобігання цьому ефекту пропонується нанести на катод сітку із діелектричного матеріалу товщиною 5 мм, якої буде достатньо, щоб сітка стала нездоланною перепоною для іонів. Це пов'язано з тим, що міжелектродне електричне поле перешкоджає позитивним іонам обігнути діелектричну сітку разом з потоком газу. В результаті іони залишаються біля катода в комірках цієї захисної сітки. Такий захисний шар товщиною до 5 мм можна зробити з фільтруючих матеріалів, які здатні пропускати через себе іони металів в напрямі до катода і гальмувати їх рух вздовж нього. Очікуваний технічний результат полягає в тому, що за допомогою простого технічного обладнання і невеликих затратах електроенергії може бути виконане очищення газу від радіонуклідів до допустимих рівнів їх концентрації. Це дозволить при високих технікоекономічних показниках процесу очищення запобігти радіоактивним викидам в навколишнє середовище. Оцінимо можливості практичної реалізації запропонованого способу очищення забруднених радіонуклідами газоподібних викидів. Приймемо, що використовується пластинчатий електрофільтр з довжиною електродів l  1 м кожний і відстанню між ними d  5  10 2 м . Газ в міжелектродному просторі рухається зі швидкістю Vг  2 м / с , а рухливість іонів складає 35 a   1 см2 /(с  В) . Для забезпечення того, щоб всі іони металів залишились в електрофільтрі, на пластини електродів необхідно подати напругу 5  10   2  50 В . U 2 2 40 45 1 1 10  4 Якщо врахувати, що концентрація іонів металу в газоподібних викидах надзвичайно низька, то для реалізації запропонованого підходу знадобиться малопотужна електроустановка з можливістю регулювання в широкому діапазоні значень її вихідної напруги. Наведений приклад пояснює можливість практичного втілення розглянутого способу очищення газових викидів від радіонуклідів за допомогою достатньо простого обладнання при високих техніко-економічних показниках процесу очищення. Джерела інформації: 1. Бекман И.Н. Ядерная индустрия. Изд. МГУ 2005, с. 870. 2. В.Н. Ужов. Очистка промышленных газов электрофильтрами. Изд. Химия, Москва, 1967. с. 344. 3. Бушок Г.Ф., Левандовський В.В., Півень Г.Ф. Курс фізики: навчальний посібник, Книга 1 К.: - Либідь 2001-448 с. 50 2 UA 114568 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб очищення промислових газоподібних викидів від радіонуклідів, що включає рух забруднених радіонуклідами газоподібних викидів через систему пластинчатих електродів, між 5 якими створено поперечне постійне електричне поле, який відрізняється тим, що на поверхню катодів наносять сітку із діелектричного або з фільтруючого матеріалу товщиною 5 мм, а значення напруги на електродах визначають за формулою: U d2  Vг , l  a де: 10 U - напруга на електродах, В, Vг - швидкість руху газу між електродами, м/с, d - відстань між електродами, м, l - довжина електродів, м, 2 a  - рухливість позитивних іонів радіонуклідів, м /(с•В). Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3