<Desc/Clms Page number 1>
Werkwijze voor het afscheiden van boorzuur.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het afscheiden van boorzuur uit een boorzuurhoudende vloeistof, in het bijzonder uit vloeibare afval van een kerncentrale.
Het primaire water van een kerncentrale van het type met water onder druk komt rechtstreeks in kontakt met de nukleaire brandstof en, alhoewel het chemisch zeer zuiver is, bevat het enkele GBq per kubieke meter aan radionukliden. Aan dit water is meestal tot 0, 25 gew % boor onder de vorm van boorzuur toegevoegd voor het regelen van de reaktiviteit.
Een fraktie van dit primaire water komt terecht in het afvalwater. Per jaar produceert een kerncentrale duizenden kubieke meter licht radioaktief boorhoudend afvalwater dat moet behandeld worden. Meestal wordt dit afvalwater na het toevoegen van een base, uitgedampt. Verdamping wordt algemeen aanzien als de methode die de hoogste dekontaminatiefaktor oplevert, dit wil zeggen dat de damp weinig of geen radionukliden bevat, tritium uitgezonderd. De overblijvende koncentraten, die ongeveer 50% droogrest bevatten, worden dan ingebed in beton en opgeslagen in kontainers voor opberging op daartoe geschikte plaatsen.
De hoge kosten voor het behandelen van de koncentraten en vooral voor de verdere opslag en berging, zijn recht evenredig met het volume ervan. Daarom is niet alleen de dekontaminatiefaktor maar ook de volumereduktiefaktor, dit is de verhouding tussen het volume afvalwater en het volume koncentraat, zeer belangrijk.
<Desc/Clms Page number 2>
De volumereduktiefaktor bij de verdamping wordt, omwille van kristallisatieproblemen, evenwel beperkt door de aanwezigheid van boor, dat als boorzuur of boraat het grootste gedeelte van de droogrest uitmaakt. Daarenboven kan de aanwezigheid van boorzuur het inbedden in beton verstoren. Vandaar trouwens dat het uitdampen in alkalisch midden wordt uitgevoerd.
Door het verwijderen van het boorzuur uit het afvalwater zou men bijgevolg een grotere volumereduktiefaktor kunnen bereiken en dus de volumes van afval in hogere mate kunnen verminderen. Daarenboven zou men het boorzuur eventueel opnieuw kunnen toevoegen aan het primaire water.
Voor het verwijderen van het boorzuur zou men gebruik kunnen maken van een selektieve ionenwisselaar die al het boorzuur uit het afvalwater opneemt, maar deze werkwijze is moeilijk op industriële schaal uit te voeren. Vooral de regeneratie van het ionenwisselende hars en de rekuperatie van het boorzuur stellen problemen.
Volgens een andere manier dampt men het afvalwater uit, vormt men vervolgens vluchtige boorzuuresters, zoals trimethylboraat en distilleert men tenslotte. Een dergelijke werkwijze is uit DD-A-293 219 bekend, waarbij men na het uitdampen van het afvalwater, aan het koncentraat butylalcohol toevoegt waardoor het boorzuur verestert, waarna men deze vluchtige boorzuurester door distillatie verwijdert. Deze werkwijzen kunnen moeilijk kontinu worden uitgevoerd en zijn vrij omslachtig. Door het noodzakelijke alkalisch maken voor het uitdampen en het nadien terug aanzuren verkrijgt men daarenboven grote hoeveelheden zouten en een grote hoeveelheid afval.
<Desc/Clms Page number 3>
De uitvinding heeft als doel deze nadelen te verhelpen en een werkwijze voor het verwijderen van boorzuur uit een boorzuurhoudende vloeistof, te verschaffen die zeer eenvoudig en relatief ekonomisch is en bijzonder geschikt is voor industriële toepassing.
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat men de boorzuurhoudende vloeistof kontinu toevoert aan een reaktor met een niet-alkalisch milieu en men het boorzuur verwijdert door het te vervluchtigen door middel van stoom die men na aanrijking met boorzuur kontinu uit de reaktor afvoert.
Deze werkwijze is gebaseerd op het feit dat boorzuur vervluchtigt in stoom en dus in de stoom wordt opgenomen.
Men voert de vloeistof kontinu toe en de stoom aangerijkt met boorzuur, kontinu af, bij voorkeur zo dat de inhoud van de reaktor nagenoeg konstant blijft.
Het in de reaktor overblijvende koncentraat kan kontinu worden afgevoerd, maar wordt bij voorkeur diskontinu afgevoerd.
In een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding voegt men de boorzuurhoudende vloeistof als oplossing toe en vormt men de stoom ten minste grotendeels ter plaatse in de reaktor door het toevoeren van warmte, zodat de reaktor als verdamper werkt.
De niet-vluchtige onzuiverheden zullen in de reaktor in het koncentraat achterblijven. Omdat het boorzuurgehalte van de dampfase in het begin lager is dan dit van de vloeistof, zal het boorzuur zieh eerst aanrijken in het koncentraat, maar na verloop van tijd zal het boorzuurgehalte van de
<Desc/Clms Page number 4>
afgevoerde damp even groot zijn als dit van de toegevoerde vloeistof. Het boorzuurgehalte van het koncentraat niet verder meer toenemen. De te bereiken volumereduktiefaktor wordt dus niet meer beperkt door de aanwezigheid van boorzuur in het afvalwater.
Om warmte aan de reaktor toe te voeren kan men stoom inbrengen.
Een gedeelte van deze toegevoerde stoom kan dus ook een gedeelte van het boorzuur opnemen en afvoeren.
In een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding voert men als boorhoudende vloeistof een koncentraat aan de reaktor toe en haalt men de stoom voor het vervluchtigen van het boorzuur ten minste grotendeels van buiten de reaktor, welke stoom men van buiten de reaktor kontinu aan de reaktor toevoert en in kontakt met het koncentraat laat stromen.
Deze werkwijze biedt het voordeel dat ze kan gebruik maken van de verdamper die normaal aanwezig is in de bestaande installaties voor het verdampen van het boorhoudende afvalwater in kerncentrales. Na de verdamper, die het koncentraat levert, wordt de reaktor gemonteerd die, aangezien een klein volume moet worden behandeld, ook relatief klein kan zijn. In zoverre het koncentraat alkalisch zou zijn, moet men het door zuur toe te voegen niet-alkalisch maken.
In beide uitvoeringsvormen houdt men doelmatig in de reaktor de druk hoger dan de atmosferische en de temperatuur hoger dan 100 C.
<Desc/Clms Page number 5>
De distributiekoëfficiënt, dit wil zeggen de verhouding van het boorzuurgehalte van de damp over het boorzuurgehalte van de vloeistof in de reaktor, stijgt immers bij stijgende temperatuur.
In beide uitvoeringsvormen kan men op een voordelige manier het boorzuur uit de boorzuurhoudende damp die men uit de reaktor afvoert, rekupereren.
Dit kan in een fraktioneerkolom.
Men kan ook het boorzuur uit de boorzuurhoudende damp uitwassen in een waskolom.
In zoverre men het boorzuur uit de damp rekupereert en men daarenboven stoom van buiten de reaktor gebruikt, kan men doelmatig deze stoom, zonder hem te laten kondenseren, in gesloten kring laten stromen over de reaktor en de inrichting om het boorzuur eruit te halen.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een werkwijze voor het afscheiden van boorzuur uit een vloeistof, volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekeningen, waarin : figuur 1 een blokschema weergeeft van een inrichting voor het toepassen van de werkwijze voor het afscheiden van boorzuur volgens de uitvinding ;
figuur 2 een blokschema weergeeft analoog aan dit uit figuur 1, maar met betrekking op een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.
<Desc/Clms Page number 6>
De inrichting weergegeven in figuur 1 dient voor het afscheiden van boorzuur uit het laag radioaktief afvalwater van een kerncentrale van het type met water onder druk, door toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding die er in hoofdzaak in bestaat dit afvalwater kontinu te verdampen onder druk in een reaktor 1 die als verdamper werkt en waarin een niet-alkalisch milieu aanwezig is en waaruit men kontinu damp aangerijkt met boorzuur afvoert.
Het boorzuur bevattende afvalwater pompt men met behulp van een pomp 2 over een filter 3 uit een opslagtank 4 en, over een warmtewisselaar 5, in de reaktor 1. De in de reaktor 1 gevormde damp voert men over een drukregelventiel 6 kontinu af naar een distillatiekolom 7 waarvan men bovenaan damp naar een kondensor 8 afvoert en men onderaan boorzuur recupereert. Men herkookt dit boorzuur in een warmtewisselaar 9 en voert een gedeelte ervan terug in de distillatiekolom 7. Een gedeelte van het kondensaat van de kondensor 8 brengt men terug in de distillatiekolom 7 maar het grootste gedeelte voert men als primaire vloeistof over de voornoemde warmtewisselaar 5.
De werkwijze maakt gebruik van de vaststelling dat boorzuur onder de vorm van niet ontbonden H-BO-vervluchtigt in stoom, waarbij men een experimentele distributiekoëfficiënt D kan bepalen als de verhouding van de molfraktie van boorzuur in de damp tot de molfraktie van boorzuur in de vloeistof.
Aangezien men boorzuur wil vervluchtigen, maakt men het afvalwater, in tegenstelling tot de gebruikelijke werkwijzen, niet-alkalisch en zorgt men ervoor dat het milieu in de reaktor niet-alkalisch, en dus zuur of nagenoeg neutraal, is. Normaal bezit het afvalwater de gewenste pH, maar indien nodig kan men via de leiding 15
<Desc/Clms Page number 7>
een zuur zoals zwavelzuur of een base aan de opslagtank 4 toevoegen. Bij een te hoge pH werkt de werkwijze niet goed, maar een te lage pH moet ook worden vermeden omwille van korrosieproblemen. Een geschikte pH van het afvalwater is tussen 5 en 7, 5 gelegen en bij voorkeur tussen 6 en 7.
De distributiekoëfficiënt D is kleiner dan een maar stijgt met de temperatuur. Bij het atmosferische kookpunt van ongeveer 100 C werd een waarde voor D van 0, 0025 vastgesteld, maar bij ongeveer 180 C bedroeg de waarde van D reeds 0, 03. Om hogere temperaturen dan het atmosferische kookpunt te kunnen verkrijgen moet men in de reaktor 1 onder druk werken. Bij voorkeur werkt men bij temperaturen tussen 150 en 1800C en met drukken tussen 5, 0 en 10, 0 bar, bijvoorbeeld bij een temperatuur van 175 C en een druk van 7, 6 bar. Deze druk wordt verkregen door de pomp 2. Om de voornoemde temperatuur van ongeveer 180 C te bereiken moet in de reaktor 1 een druk van ongeveer 9, 0 bar heersen.
Men werkt met een konstante temperatuur en druk en met een konstant volume van vloeistof in de reaktor 1.
Door de warmtewisselaar 5 wordt het afvalwater reeds van ongeveer 25 C opgewarmd tot ongeveer 98 C. De verdere opwarming vindt plaats in de reaktor 1 door warmtetoevoer, hetgeen kan worden verkregen op eender welke manier, bijvoorbeeld door het toevoeren van oververhitte stoom waarvan het grootste gedeelte dient om de vloeistof in de reaktor op te warmen en te verdampen. Een gedeelte ervan kan eventueel doorheen de vloeistof stromen en samen met de gevormde damp uit de reaktor 1 stromen en daarbij boorzuur meenemen.
Bij het opstarten van de inrichting is het boorzuurgehalte in de dampf ase lager dan in de vloeistof gezien D, die de
<Desc/Clms Page number 8>
verdeling van boorzuur tussen de gasfase en de vloeistof bepaalt, kleiner is dan een. De vloeistof in de reaktor 1 zal dus eerst aangerijkt worden met boorzuur en slechts een klein gedeelte verdampt mee met het water. Met de tijd neemt het gehalte aan boorzuur in de damp steeds toe en na verloop van tijd zal een evenwicht worden bereikt en zal het boorzuurgehalte in de damp gelijk zijn aan het boorzuurgehalte in de de toegevoegde vloeistof, dit is het afvalwater.
Het boorzuurgehalte van het koncentraat zal dan niet verder toenemen en aangezien men met een konstante hoeveelheid vloeistof in de reaktor werkt zal al het boorzuur dat men met het afvalwater aan de reaktor toevoert overgaan in de gasfase die men uit de reaktor 1 afvoert.
In de reaktor 1 blijven de niet-vluchtige en onder meer de radioaktieve onzuiverheden volledig achter in het koncentraat dat men eventueel kontinu, maar bij voorkeur van tijd tot tijd, onderaan de reaktor 1 aftapt. De toename van de koncentratie van deze onzuiverheden wordt dus niet meer begrensd door de boorzuurkoncentratie.
Men verkrijgt aldus een zeer grote volumereduktiefaktor van het afvalwater, welke faktor niet meer beperkt wordt door de aanwezigheid van boorzuur in het afvalwater.
De damp die uit de reaktor 1 stroomt ontspant zich over de drukregelklep 6. In de distillatie-of fraktioneerkolom 7, die op atmosferische druk werkt, scheidt men de afgevoerde damp in praktisch zuivere waterdamp en een gekoncentreerde boorzuuroplossing. Men stelt de kolom 7 zo in dat de koncentratie aan boor in de warmtewisselaar 9 7500 ppm is, dit is de koncentratie van de boorzuuroplossing die wordt gebruikt voor het aanmaken van het primaire water van een kerncentrale.
<Desc/Clms Page number 9>
In plaats van een distillatie- of fraktioneerkolom kan men een waskolom gebruiken voor het rekupereren van het boorzuur uit de damp.
De inrichting weergegeven in figuur 2 gebruikt men voor het toepassen van een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding. Deze uitvoeringsvorm verschilt in hoofdzaak van de vorige doordat men de werkwijze niet toepast op een relatief verdunde boorzuuroplossing, maar op een koncentraat. De stoom die men nodig heeft voor het opnemen en afvoeren van het vervluchtigde boorzuur kan men niet meer grotendeels verkrijgen door het verdampen in een reaktor en daarom voegt men praktisch alle nodige stoom toe aan de reaktor 10 die in dit geval een kontaktor, bij voorkeur een tegenstroomkontaktkolom, is. ook in deze reaktor 10 doet men dezelfde voorwaarden van temperatuur, druk en pH heersen als in de eerste uitvoeringsvorm.
Men brengt het koncentraat bovenaan in de reaktor 10 en laat het in tegenstroom stromen met stoom die men op hoge temperatuur en druk onderaan de reaktor 10 inbrengt. Het koncentraat, dat nagenoeg volledig boorvrij is en zover uitgedampt kan zijn als men wenst, kan men kontinu of diskontinu onderaan uit de reaktor 10 verwijderen. De stoom, aangerijkt met vervluchtigd boorzuur, voert men bovenaan uit de reaktor 10 af, en over een demister 11 naar een waskolom 12 waar men het boorzuur uit de stoom wast met een klein debiet in tegenstroom stromend water, welk debiet afhankelijk is van de gewenste koncentratie van het gerekupereerde, gezuiverde boorzuur.
De overblijvende stoom die vrij is van boorzuur, voert men naar een warmtewisselaar 13 waar de warmteverliezen worden
<Desc/Clms Page number 10>
gekompenseerd en tenslotte pompt men met de pomp 14 de stoom die nu terug op hoge temperatuur en druk is naar de reaktor 10 voor het opwarmen en verdampen van het koncentraat en het opnemen van het boorzuur daaruit.
Deze uitvoeringsvorm laat toe de huidige koncentraten die men door verdampen van afvalwater in de kerncentrales verkrijgt, te splitsen in verder uitgedampte koncentraten met weinig of geen boor, enerzijds, en een gekoncentreerde oplossing van boorzuur, anderzijds. Men hoeft geen speciale verdamper te konstrueren en men moet enkel een inrichting zoals weergegeven in figuur 2 na de bestaande verdamper plaatsen. Doordat men koncentraten en dus uiteraard kleine debieten behandelt, kan de inrichting zeer klein zijn. Het energieverbruik is minimaal, aangezien de stoom nergens kondenseert of ontspant.
Aangezien in de thans gebruikte verdampers een base wordt toegevoegd, kan de pH van het koncentraat ervan hoger zijn dan 8, in welk geval men een zuur zoals zwavelzuur moet toevoegen tot de pH onder 8 en bij voorkeur onder 7 is gelegen, vooraleer het koncentraat aan de reaktor 10 toe te voeren. Daardoor worden wel wat zouten gevormd die in het koncentraat van de reaktor 10 achterblijven.
De hiervoor beschreven werkwijzen laten een gevoelige vermindering van de hoeveelheden radioaktieve afval toe. Daarenboven kan boorzuur worden gerekupereerd dat opnieuw kan worden gebruikt.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen, en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht.