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Verfahren und Filterelemente zur Reinigung radioaktiver
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Abgase Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Filterelemente zur
Reinigung staubbeladener und organische Restverunreinigungen enthaltender radioaktiver
Abgase aus Verbrennungsanlagen, wobei die Abgase über Filterelemente geleitet werden.
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In der Nukleartechnik und in Kernenergieanlagen fallen wachsende mengen
von radioaktiven brennbaren Abfällen an, die oft sehr voluminös sind, relativ wenig
radioaktive Substanzen enthalten, aber dennoch nicht auf konventionellem Weg beseitigt
werden können. Daher werden diese Abfälle verascht, um ihr Volumen zu reduzieren.
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Solche Vorrichtungen werden beispielsweise in den DE-ASen 22 51 002
und 26 41 264 beschrieben. Bei der Veraschung entstehen Abgase, die meist radioaktiven
Staub und organische Restverunreinigungen enthalten, insbesondere wenn die Veraschungsöfen
noch nicht ihre volle Betriebstemperatur erreicht hahen, oder wenn die Verbrennungsluftmenge
nicht ausreicht, wie dies häufig bei diskontinuierlich beschickten Anlagn unmittelbar
nach der Zugabe neuen Materials der Fall ist.
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Die radioaktiven Stäube werden aus den Abgasen normaler-
weise
mittels keramischer Filterelemente entfernt. Die organischen Restverunreinigungen
der Abgase können sich dabei jedoch im Filter niederschlagen, besonders wenn es
sich um klebrige teerartige Schwelprodukte handelt, und führen zu einer Erhöhung
des Druckverlustes bzw. zu einer völligen Verstopfung der Filterelemente schon nach
kurzer Zeit.
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Es war bisher notwendig, diese Filterelemente in kurzen Zeiträumen
aus den Anlagen zu entfernen und sie durch neue zu ersetzen, wie dies z.B. in der
DE-AS 25 18 072 beschrieben ist. Die ausgebauten Filterelemente müssen durch Abbrennen
der abgelagerten Stoffe im Luftstrom bei Temperaturen über 8000C oder durch Waschen
mit Wasser, Lösemitteln, Säuren und/oder ähnlichem gereinigt werden. Diese Reinigungsverfahren
sind umständlich, so daß häufig die Filter einfach verworfen und gegen neue ausgetauscht
werden.
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Diese Reinigungsmaßnahmen sind nicht nur mit erheblichen Kosten verbunden,
sondern führen auch zu längeren Betriebsunterbrechungen, da die Öfen vor dem Filterelementenaustausch
abkühlen und später wieder langsam aufgeheizt werden müssen. Handelt es sich um
Anlagen zur Verbrennung radioaktiver Abfälle, treten darüber hinaus Schwierigkeiten
auf durch eine mögliche zusätzliche Strahlenbelastung des Personals und durch den
Anfall von sogenanntem Sekundärwaste.
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Da die Verstopfungen der Filterelemente insbesondere durch organische
Verbindungen verursacht werden, können die beschriebenen Schwierigkeiten vermieden
werden, indem diese Stoffe vor der Entstaubungsfilteranlage durch Totaloxydation
in Kohlendioxid und Wasserdampf überführt werden. Hierzu müssen die Rauchgase in
einer sogenannten Nachverbrennungskammer genügend lange Zeit auf Temperaturen von
über 8000C erhitzt werden. Diese Maßnahme ist apparativ aufwendig und erfordert
erhebliche Mengen Zusatzenergie (DE-GM 69 17 912).
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Die Totaloxydation der organischen Störstoffe in einer vorgeschalteten
katalytischen Verbrennungsanlage ist zwar bei niedrigeren Temperaturen möglich,
jedoch ist der erforderliche apparative Aufwand noch größer als bei der thermischen
Nachverbrennung (DE-AS 12 15 442).
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
Filterelemente zur Reinigung staubbeladener und organische Restverunreinigungen
enthaltender radioaktiver Abgase aus Verbrennungsanlagen zu finden, wobei die Abgase
über Filterelemente geleitet werden, auf denen sich keine organischen Verunreinigungen
absetzen sollten, um die Reinigungsintervalle zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abgase
über Filterelemente geleitet werden, die mit katalytisch wirksamen Substanzen beaufschlagt
sind. Vorzugsweise verwendet man als katalytisch wirksame Substanzen Platin und/oder
Platinmetalle, wie Palladium oder Rhodium. Als Filterelemente können Platten, Rohre,
Kerzen,
Wolle, sonstige Formkörper oder Schüttungen aus keramischen
oder metallischen Werkstoffen verwendet werden.
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Die Menge der aufgebrachten katalytischen Substanz beträgt vorteilhafterweise
0,05 bis 5 Ge 4 des Filterelements. Die Filterelemente befinden sich vorzugsweise
in einem Anlagenbereich mit Temperaturen oberhalb 3500C.
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Es wurde gefunden, daß es in überraschend einfacher Weise möglich
ist, die Abscheidung organischer Stoffe in den Filterelementen zu vermeiden, indem
ein Teil oder die gesamte Oberfläche der Filterelemente mit katalytisch wirksamen
Substanzen überzogen wird. hierzu eignen sich grundsätzlich alle Stoffe, die auch
für die katalytische Nachverbrennung von Automobil- und/oder industriellen Abgasen
verwendet werden, wie beispielsweise die Oxide unedler Metalle, insbesondere Kupfer,
Mangan, Chrom, Nickel, Vanadin und ihrer Mischungen. Besonders bewährt hat sich
jedoch Platin beziehungsweise andere Platinmetalle in reiner Form oder als Miscnung
untereinander.
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Das Aufbringen der katalytisch aktiven Substanzen erfolgt in an sich
bekannter Weise. So wird beispielsweise zum Aufbringen der Unedelmetalloxide das
Filterelement mit einer entsprechenden Nitratlösung imprägniert und nach dem Trocknen
zur ersetzung der Nitrate bei Temperaturen um 4000C kalziniert. Die Platinmetalle
werden ebenfalls durch Imprägnierung mit geeigneten Lösungen aufgetragen. Nach dem
Trocknen werden die Verbindungen bei erhöhter Temperatur zum Beispiel mit Wasserstoff,
Formaldehyd, Natriumformiat oder Hydrazin zum Metall reduziert.
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Durch Zusätze von Oxiden der Metalle aus der 2. hauptgruppe des Periodensystems
können die Katalysatoren zusätzlich stabilisiert werden.
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Die katalytische Verbrennung der organischen Verunreinignngsstoffe
auf dem katalytisch aktivierten Filterelementen setzt bereits bei Temperaturen um
250 0C ein. Bei Temperaturen über 350 0C läuft die Umsetzung mit ausreichender Geschwindigkeit
ab.
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Die Anspringtemperatur und die katalytische Aktivität der beschichteten
Filterelemente kann durch Versuche bestimmt werden. Hierzu mischt man geringe Mengen
Propan oder Propen mit Luft und leitet die erwärmte Mischung mit bestimmter Geschwindigkeit
über die zu untersuchenden Filterelemente. Aus dem Umsatz kann auf die Aktivität
des Katalysators geschlossen werden.
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Die wesemtlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der
erfindungsgemäßen Filterelemente sind insbesondere zu sehen in der Standzeitverlängerung
der Filter, der Druckverlustverminderung in der Anlage und der Verringerung der
Schadstoffmissionen. Außerdem werden die Betriebskosten vermindert, der Abbrand
und damit der Umweltschutz verbessert und da seltener auszutauschen, die Strahlendosisbelastung
des Wartungspersonals erheblich reduziert.
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Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:
Einer
Anlage zur Verbrennung fester schwachradioaktiver Abfälle sind Filterkerzen zur
Staubabscheidung aus dem heißen Rauchgas nachgeschaltet. Der Ofen wird diskontinuierlich
beschickt, die Filter müssen normalerweise etwa alle 500 Stunden ausgetauscht werden.
Sie bestehen aus Siliziumkarbid mit einem Porenvolumen von 0,326 ml/ml und haben
folgende Abmessungen: Länge über alles 1.012 mm Flanschdicke 15 mm Innendurchmesser
40 mm Außendurchmesser 59 mm Flanschdurchmesser 74 mm Gesamtgewight 3.350 g materialvolumen
1.550 ml Wasseraufnahme 0,212 ml/ml 67 g Palladium wurden als Palladiumchlorid in
einer wäbrigen Kaliumchloridlösung als K2PdCl4 gelöst und mit Wasser auf 3,3 Liter
aufgefüllt.
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Mit dieser Lösung wurden 10 Filterkerzen imprägniert und nach dem
Abtropfen überschüssiger Lösung im Trockenschrank bei 1200C getrocknet. Da praktisch
die gesamte Lösung aufgesaugt worden war, betrug der Palladiumgehalt der Filterkerzen
o,2 Gewichts-% Anschließend wurden die Filterkerzen in eine 60 C warme liege Hydrazinhydratlösung
getaucht, wobei das Kaliumpalladiumchlorid zum metallischen Palladium reduziert
wurde. Nach dem Waschen der Kerzen mit entsalztem Wasser und erneutem Trocknen waren
die Filterkerzen einsatzbereit.
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Die Filterkerzen wurden in die Apparatur eingebaut und einem Langzeittest
unterzogen. Hierbei zeigte sich eine Verlängerung der Standzeit von ursprünglich
ca. 500 Stunden auf über 1200 Stunden.