ГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК G21F9/32 F23G7/00 

Изобретение относится к технике для обращения с радиоактивными отходами (РАО), а именно с горючими РАО, компактирование которых осуществляют за счет их термической переработки.

В настоящее время наиболее распространенным методом термической переработки горючих РАО является сжигание (см. например, Соболев И. А. Хомчик Л. М. "Обеззараживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах". М. Энергоатомиздат. 1983, с. 19 35).

При этом свыше 90 радионуклидов остается в зольном остатке, который известными способами: цементированием, стеклованием и др. кондиционируют и отправляют на захоронение.

Однако известные способы сжигания имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что дымовые газы требуют очистки от радионуклидов (остальных до 10 от содержащихся в отходах), а большой объем газов, получаемых при сжигании, увеличивает габариты и затраты на систему газоочистки.

Газификацию можно рассматривать как один из методов компактирования твердых горючих отходов, который в сравнении с сжиганием позволяет значительно сократить объемы газоочистки. В этом случае очистке подлежат не дымовые газы со значительным избытком воздуха, а генераторный газ, получаемый с недостатком воздуха, объемный выход которого примерно в 2 раза меньше объема дымовых газов от одинакового количества исходного материала.

Известны различные газогенераторы для переработки горючих отходов. Например, в статье Саламова А. А. "Установка для сжигания и газификации древесных отходов", журнал "Промышленная энергетика".N 2, 1985, с. 52 54.

Однако в известных газогенераторах не предусмотрена переработка радиоактивных отходов, велик процент недожега, что увеличивает объем подлежащих захоронению радиоактивных веществ и увеличивает расходы на кондиционирование и захоронение зольного остатка.

Известны также газогенераторы с вращающимися фрезерными (или другого типа) решетками, которые обеспечивают непрерывное удаление золы и шлака и тем самым повышают показатели по качеству газа, производительности и выжигу остатков, например газогенераторы, описанные в книге Гинзбург Д.Б. "Газификация твердого топлива". М. Госстройиздат. 1958, с. 24 30, рис. 2, 4.

Однако и в этих конструкциях недожег составляет 5 12 (см. там же, с. 97), что ведет как к потерям энергетическим, так и к увеличению расходов на захоронение РАО.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к изобретению является газогенератор, приведенный в пояснительной записке к "Техническому предложению по технологии газификации органических (древесных) радиоактивных остатков РАО и выбору конструкции газогенератора", АНК ИТМО им. А. В. Лыкова. Минск. 1991, с. 61, рис. 24, принятый за прототип.

Принятый за прототип газогенератор для переработки горючих радиоактивных отходов содержит загрузочное устройство, шахту, форсунку розжига, вращающуюся фрезерную решетку, установленную с зазором в корпусе и с помощью вала соединенную с приводом, патрубки подачи воздуха и отвода генераторного газа, устройство золоудаления и устройства обеспечения газовой плотности.

Принятый за прототип газогенератор работает по комбинированному процессу с двойной подачей воздуха и дожиганием топлива снизу, что позволяет обеспечить при сравнительно небольших габаритах переработку РАО, получение генераторного газа и малое количество твердых радиоактивных отходов, поступающих на захоронение.

Однако, как показали выполненные исследования (см. приведенную в качестве прототипа пояснительную записку АНК ИТМО, с. 50 52) в газогенераторах с твердым шлако-золоудалением неустранимый недожег углерода составляет 5 10 Это объясняется неравномерностью дутья по сечению шахты, ограниченностью процесса по времени, когда производительность генератора задана, а высота шахты (в особенности при выполнении газогенераторной установки транспортабельной из условия работы в зоне поражения катастрофой на Чернобыльской АЭС) ограничена, кроме того, недожег вызван неравномерностью кусков топлива, что характерно для отходов.

Недожег увеличивает объем твердых РАО, поступающих на захоронение, что увеличивает эти расходы, а избыточное вторичное дутье в зону дожигания, хотя и снижает недожег, но приводит при этом к выжиганию генерируемого газа, что понижает экономические показатели газогенератора.

Техническим решением, достигаемым при реализации изобретения, является снижение механического недожега газогенератора.

Для достижения данного результата в газогенераторе для переработки горючих радиоактивных отходов, содержащем загрузочное устройство, шахту, форсунку розжига, вращающуюся фрезерную решетку, установленную с зазором в корпусе и с помощью вала соединенную с приводом, патрубки подачи воздуха и отвода генераторного газа, устройство золоудаления и устройства обеспечения газовой плотности, ниже вращающейся решетки установлена неподвижная решетка, на которую засыпаны шары из жаропрочного износостойкого материала и над которой смонтированы соединенные с валом привода радиальные профильные планки, при этом диаметр шаров выполнен по величине равным от 1/30 до 1/1 величины зазора между фрезерной решеткой и корпусом, высота засыпки выполнена такой, что шары укладываются в ней от 3 до 6 слоев, а высота профиля планки над уровнем неподвижной решетки выполнена не менее, чем диаметр шаров.

Отличительной особенностью заявляемой конструкции газогенератора является засыпка на неподвижную решетку шаров из жаропрочного износостойкого материала и установкой над этой решеткой вращающихся профильных планок, с помощью которых засыпка из шаров приводится в движение. При этом засыпка выполняет одновременно функцию измельчителя провалившихся через зазор крупных кусков и функцию инертного слоя, в котором происходит догорание недожега.

Из реализации этих функций вытекают предельные величина характеристик этой дополнительной конструкции, а именно: диаметр шаров выполнен по величине равным от 1/30 до 1/1 величины зазора между фрезерной решеткой и корпусом, высота засыпки выполнена такой, что шары укладываются в ней от 3 до 6 слоев, а высота профиля планки над уровнем неподвижной решетки выполнена не менее, чем диаметр шаров.

Выполнение диаметра шаров больше, чем величина зазора между фрезерной решеткой и корпусом, нецелесообразно в связи с тем, что упомянутый зазор как правило выполняют по величине равным 1/3 радиуса корпуса, а с учетом того, что часть сечения под фрезерной решеткой занято валом привода, при диаметре шара больше, чем 1/3 радиуса, в сечении между валом и корпусом укладывается не более, чем 2 ряда шаров, что приводит к неплотному их размещению, образованию увеличенных правильных размеров, быстрому проскоку несгоревших кусков топлива через засыпку. При этом увеличение числа слоев в засыпке не компенсирует этот недостаток, а дополнительно увеличивает габариты топочной части и приводит к большим потерям энергии привода на перемещение шаров.

При уменьшении диаметра шаров менее, чем 1/30 зазора, величина этого диаметра при существующих диаметрах газогенераторов приблизительно 1 м становится меньше 1 см, что приводит к потере эффекта измельчения несгоревших кусков шарами и в то же время к появлению опасности образования корки шлака поверх шаров из-за уменьшения величины их подвижки. При этом, опять-таки, увеличение числа слоев засыпки не дает результата, а только усугубляет отрицательный эффект коркообразования. В связи с вышеизложенным оптимальным размером диаметра шаров для газогенератора с диаметром топочной части 1 м будет размер 50 60 мм, который находится в указанных пределах 1/30 1/1 5 160 мм.

Количество слоев шаров в засыпке по высоте от 3 до 6 и высота профиля планки над уровнем неподвижной решетки определены из оптимума затрат энергии привода на перемещение шаров (при засыпке свыше 6 слоев шевелить эту массу становится невыгодно: затраты большие, а смещение верхнего слоя уже малоэффективно для процесса захвата и измельчения крупных кусков топлива, провалившихся в зазор между фрезерной решеткой и корпусом) и возможного проскока несгоревших кусков через топку засыпки (при засыпке менее 3 слоев несгоревшие куски из слоя над шарами могут проскочить непосредственно под планку при перекатывании через нее шаров).

Из того же расчета высота профиля планки более чем диаметр шаров приведет к нежелательному увеличению потерь на приводе и к эффекту сгребания шаров с возможностью проскока за планкой несгоревших остатков сразу на выход. При высоте планки менее диаметра шаров эффект шевеления недостаточен для захвата крупных несгоревших и провалившихся в зазор кусков, т. е. не используется возможность измельчения несгоревших кусков шарами засыпки.

Таким образом, благодаря отличительным особенностям, в данном газогенераторе топочная часть, в отличие от прототипа, позволяет дополнительно измельчать недожег и удерживать частицы несгоревшего топлива в засыпке до их полного озоления, что исключает попадание в зольный остаток дополнительного количества вещества, сводя таким образом количество твердых радиоактивных отходов к возможному минимуму, что снижает расходы на захоронение в сравнении с другими известными установками по переработке горючих радиоактивных отходов.

На фиг. 1 изображен схематичный разрез заявляемого газогенератора; на фиг. 2 и фиг. 3 в увеличенном масштабе засыпка из жаропрочных шаров. Зазор между фрезерной решеткой и корпусом обозначен Δ, высота профиля планки над уровнем неподвижной решетки h, а диаметр шаров засыпки d. При этом на фиг. 2 куски топлива изображены в виде многоугольников, шары в виде окружностей, а профильная планка приведена в виде пластины; на фиг. 3 профильная планка приведена в виде клина. Количество слоев шаров на фиг. 2 и фиг. 3 равно трем.

Описываемый газогенератор содержит загрузочное устройство 1, шахту 2, форсунку розжига 3, вращающуюся фрезерную решетку 4, установленную в корпусе 5 с зазором D, вал 6, с помощью которого фрезерная решетка соединена с приводом и через который подают дополнительный воздух на дожигание, патрубки подачи воздуха 7 и отвода генераторного газа 8. В состав газогенератора входят также устройства золоудаления и обеспечения газовой плотности в виде сборников золы 9 с шиберами 10, шибера 11 на патрубке подачи РАО и клапан 12, обеспечивающие газовую плотность при подаче РАО, гидрозатвор 13, обеспечивающий плотность вращающегося вала 6, и другие устройства на трубопроводах и разъемах конструкций.

Ниже вращающейся фрезерной решетки 4 установлена неподвижная решетка 14, на которую засыпаны шары 15 из жаропрочного износостойкого материала, например из чугуна или специальных спекаемых материалов. Над неподвижной решеткой 14 установлены и соединены с валом 6 радиальные профильные планки 16 (на фиг. 1 засыпка показана со снятой передней стенкой корпуса, планки изображены пунктиром и видом в торец).

Диаметр d шаров 15 выполнен при этом по величине равным от 1/30 до 1 величины D зазора между фрезерной решеткой 1 и корпусом 5.

Высота профиля планки 16 над уровнем h неподвижной решетки 14 выполнена не менее, чем диаметр d шаров 15
h ≥ d
А высота засыпки шарами выполнена такой, что шары укладываются в ней от 3 до 6 слоев (на фиг. 1, 2 и 3 показана засыпка в 3 слоя шаров).

Описываемый газогенератор работает следующим образом.

В загрузочное устройство 1, открыв шибер 11, загружают горючие радиоактивные отходы, например щепу от обработки стволов деревьев, пораженных радиоактивными выбросами во время катастрофы на Чернобыльской АЭС. Подачу РАО в шахту 2 осуществляют при закрытом шибере 11, открывая клапан 12, и тем самым предупреждают возможный выход газов, содержащих радиоактивные аэрозоли через загрузочный люк.

Розжиг газогенератора ведут известным способом, используя форсунку розжига 3 (см. например, упомянутую монографию Ганзбурга Д. Б. "Газификация твердого топлива". М. Госстройиздат. 1958, с. 87 88), при этом может быть использовано "чистое" топливо. При достижении заданной высоты слоя горящего топлива заполняют гидрозатвор 13, пускают воздушное дутье в патрубки 7, включают привод, вал 6 начинает вращать фрезерную решетку 4 и газогенератор выходит на рабочий режим с отводом получаемого газа через патрубок 8 на газоочистку.

При этом воздух, предварительно подогретый в рубашке корпуса 5 подают в шахту 2 сверху, зона горения размещена в корпусе 5 и за счет выделяемого тепла в шахте 2 происходит подсушка и сухая перегонка топлива при этом выделяющиеся из топлива смолистые вещества полностью разлагаются в зоне высокой температуры, что облегчает очистку получаемого генераторного газа.

Генераторный газ образуется при взаимодействии между углеродом топлива и подаваемым в газогенератор дутьем в раскаленном слое топлива, удерживаемом в корпусе 5, и отводится на газоочистку из его верхней части через патрубок 8. С помощью вращающейся фрезерной решетки 4 осуществляют разрыхление спекшегося кокса и угля, перемешивание и распределение топлива, разрушение комьев шлака и удаление золы. При этом часть подаваемого через вал 6 дополнительного воздуха поступает в центральную зону корпуса 5, обеспечивая распределение дутья и стабильность режима газификации.

Несгоревшие кокс и уголь, крупные куски обугленного топлива вместе с золой и шлаком проваливаются под фрезерную решетку 4, максимальный размер кусков при этом определяется зазором между решеткой 4 и корпусом 5.

Весь провал попадает на слои засыпки из шаров 15, через который продувают остальную часть подаваемого через вал 6 дополнительного дутья. Засыпка из шаров 15 постоянно шевелится профильными планками 16, которые укреплены на валу 6 над неподвижной решеткой 14.

Зола и мелкие частицы других твердых компонентов пересыпаются по промежуткам между шарами, при этом углерод доокисляется и на неподвижную решетку 14 поступают уже зольные остатки без недожега. Зольные остатки беспрепятственно проходят через неподвижную решетку 14, т. к. находятся в измельченном состоянии и поступают в сборники золы 9, которые периодически опорожняют в транспортные контейнеры через шиберы 10.

Захват более крупных кусков несгоревшего топлива в промежуток между шарами 15 происходит при прохождении под ними профильной планки 16 и образования ступеньки в шаровой засыпке, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3. Так как высота профиля планки h выполнена не менее диаметра d шаров, при прохождении планки 16 под очередным рядом шаров высота засыпки меняется скачком на величину h, т. е. разрывается взаимодействие слоев шаров по вертикали, шары 15 как бы раздвигаются и захватывают куски топлива, соизмеримые с диаметром шаров, как это изображено на фиг. 2 и фиг. 3. При этом возможны случаи, когда более крупные куски попадают между шарами и в следующие за верхним промежутки между слоями, как это показано на фиг. 2. В любом случае, находясь в промежутке между разогретыми шарами, взаимодействуя с ними при их перемещениях и взаимодействуя с поддуваемым в засыпку воздухом, куски недожега активно окисляются. Образующаяся на поверхности кусков зола активно стирается шарами и уходит через решетку 14 в сборники золы, размеры кусков уменьшаются до их полного сгорания.

При этом куски недожега, превышающие по размерам диаметр шаров, остаются на поверхности засыпки до тех пор, пока не обгорят, начнут разрушаться и попадать в пространство между шарами, как это описано выше.

Уменьшение диаметра шаров засыпки приводит к снижению потерь на их шевеление соответствующей профильной планкой, однако при этом появляется возможность сводообразования зольных остатков над шаровой засыпкой с нарушением режима работы газогенератора. Эксперименты показали, что такое сводообразование возможно при высоте профильной планки h, равной 5 мм и менее, что составляет примерно 1/30 зазора D между фрезерной решеткой 4 и корпусом 5 существующих конструкций газогенераторов.

Увеличение диаметра шаров d более, чем величина зазора D, который определяет размеры несгоревших кусков топлива, нецелесообразно, так же как и увеличение свыше 6 слоев толщины засыпки шарами, из-за увеличения затрат на шевеление засыпки. Как показали выполненные проверки и расчеты для газогенератора, работающего на древесных отходах или щепе с габаритами и характеристиками близкими к газогенератору, приведенному в качестве прототипа, оптимальной будет засыпка шарами диаметром 50 60 мм и 3 4 слоя над неподвижной решеткой. При этом обеспечивается практически полное выгорание недожега, что уменьшает соответственно объем зольного остатка.

Таким образом, в сравнении с прототипом, заявляемый газогенератор работает с более полной переработкой поступающих горючих материалов за счет снижения механического недожега от 5 10 до величины менее 1 2 (по проведенным расчетам на основании модельных экспериментов), что при большом количестве радиоактивных отходов, образовавшихся в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС и подлежащих переработке, приводит к значительному снижению расходов на их захоронение.

Использование: средства термической переработки горючих радиоактивных отходов. Сущность изобретения: для снижения количества твердых отходов, поступающих после переработки на захоронение, под вращающейся фрезерной решеткой, размещенной в нижней части корпуса газогенератора с зазором, установлена неподвижная решетка, на которую слоями засыпаны шары из жаропрочного износостойкого материала при числе слоев от 3 до 6, и на которой размещены радиальные профильные планки, высота которых составляет не менее диаметра шаров. Диаметр шаров составляет не более величины зазора между фрезерной решеткой и корпусом газогенератора и не менее 1/30 этой величины. 3 ил.

Газогенератор для переработки горючих радиоактивных отходов, содержащий шахту, расположенную в верхней части корпуса газогенератора, в нижней части которого с зазором установлена вращающаяся фрезерная решетка, имеющая приводной вал, являющийся одновременно устройством подачи воздуха в центральную зону корпуса, при этом над шахтой расположено загрузочное устройство, под которым в шахте размещена форсунка розжига, а под фрезерной решеткой расположено устройство золоудаления, отличающийся тем, что между вращающейся фрезерной решеткой и устройством золоудаления установлена неподвижная решетка, на которую слоями засыпаны шары из жаропрочного износостойкого материала, диаметр которых составляет не более величины зазора между фрезерной решеткой и корпусом газогенератора и не менее 1/30 этой величины при числе слоев 3 6, при этом на неподвижной решетке размещены соединенные с приводным валом радиальные профильные планки, высота которых составляет не менее диаметра шаров.