УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК G21F9/32 F23G7/00 

Изобретение относится к области техники 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 [1] 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 [2]
Однако, в известных газогенераторах не предусмотрена переработка радиоактивных отходов, велик процент недожега, что увеличивает объем подлежащих захоронению радиоактивных веществ и увеличивает расходы на кондиционирование 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 [3]
Однако, и в этих конструкциях недожег составляет 5-12% (там же [3] с. 97).

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому является изобретение [4] принятое авторами за прототип.

Принятое за прототип устройство может быть использовано для переработки горючих радиоактивных отходов и содержит корпус, к которому подключена камера для разделения продуктов переработки, оснащенная патрубками для отвода образующегося в результате переработки газа и для выгрузки золы, установку для подачи отходов снизу вверх, снабженную шнековым питателем, вал которого соединен с приводом, а также патрубки для подачи первичного и вторичного воздуха, расположенные соответственно снизу и сверху.

Принятое за прототип устройство обеспечивает высокую полноту сгорания при переработке отходов в виде древесной пыли. Однако, при переработке радиоактивных отходов дополнительные операции по обработке и измельчению загрязненного материала не всегда целесообразны, и тогда проявляется существенный недостаток принятого за прототип устройства, заключающийся в появлении механического недожега, который увеличивает расходы на захоронение радиоактивных отходов, получаемых в виде золы. Кроме того, принятая за прототип установка дает большой объем подлежащих очистке газов, т.е. сжигание в кипящем слое, как это предусмотрено в прототипе, требует избыточного количества воздуха.

Целью изобретения является снижение расходов на захоронение радиоактивных отходов, что может быть достигнуто путем уменьшения механического недожега.

Цель достигается тем, что в устройстве для переработки горючих токсичных отходов, содержащем корпус, к которому подключена камера для разделения продуктов переработки, оснащенная патрубками для отвода образующегося в результате переработки газа и для выгрузки золы, установку для подачи отходов снизу вверх, снабженную шнековым питателем, вал которого соединен с приводом, а также патрубки для подачи первичного и вторичного воздуха, расположенные соответственно снизу и сверху, согласно изобретению, при переработке радиоактивных отходов вертикально установленная шахта выполнена расширяющейся вверх и снабжена установленным вверху накопителем золы, а сверху на корпусе установлен совмещенный с патрубком для подачи вторичного воздуха и соединенный с приводом вал с каналом, на котором закреплена с возможностью вращения расположенная ниже накопителя золы воздухораспределительная планка, отверстия для выхода воздуха которой соединены с каналом вала, а патрубок для подачи первичного воздуха выполнен в виде пустотелого вала шнекового питателя, который установлен вертикально снизу шахты.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что при переработке радиоактивных отходов вертикально установленная шахта выполнена расширяющейся вверх и снабжена установленным вверху накопителем золы, а сверху на корпусе установлен совмещенный с патрубком для подачи вторичного воздуха и соединенный с приводом вал с каналом, на котором закреплена с возможностью вращения расположенная ниже накопителя золы воздухораспределительная планка, отверстия для выхода воздуха которой соединены с каналом вала, а патрубок для подачи первичного воздуха выполнен в виде пустотелого вала шнекового питателя, который установлен вертикально снизу шахты.

Такая особенность конструкции шахты позволяет обеспечивать устойчивость процесса газогенерации при использовании исходного сырья горючих отходов в широком диапазоне размеров его кусков. Профилирование сечения газогенераторной шахты известно, например, в обзоре [5] приведена конструкция газогенераторной установки ЛТА им. Кирова, в которой выполнено два сужения поперечного сечения шахты в дополнение к зольнику над колосниковой решеткой. Однако, такое решение недостаточно эффективно при большом разбросе размеров кусков топлива из-за возникающего разрыва в расположении по высоте расчетных зон газификации и фактически протекающих процессов для конкретных, различных по размеру кусков. Смещение от расчетной зоны окисления и восстановления приводит к увеличению недожега и к выжиганию генераторного газа. В заявляемой конструкции благодаря движению топлива снизу вверх по расширяющейся кверху шахте появляется устойчивое равновесие скорости поступления горючего вещества и скорости процесса газогенерации, т.е. образующийся из горючего вещества газ покидает зону окисления и восстановления, а твердое вещество (невыгоревшее топливо и зола) силой тяжести удерживается в этой зоне. При этом накопитель золы в верхней части шахты выполняет роль компенсатора неравномерности поступающей в зону окисления и восстановления массы топлива, вызванной неравномерностью размеров его кусков.

Другой отличительной особенностью конструкции заявляемого устройства является установка шурующего устройства вверху шахты, а не снизу, как это общепринято. В заявляемом газогенераторе это устройство выполнено в виде соединенного с приводом вала, установленного сверху на корпусе, при этом вращающаяся распределительная планка размещена в шахте ниже накопителя золы и ее отверстия соединены сверлениями по валу с патрубком подачи вторичного воздуха. Такая конструкция позволяет подать вторичный воздух к кускам несгоревшего топлива, очищенным от золы при взаимодействии с вращающейся планкой, а в накопителе золы организовать процесс в кипящем слое, что обеспечивает практически полное выгорание недожега. Несгоревшие куски топлива увлекаются силой тяжести вниз на вращающуюся планку до тех пор, пока их размер не станет достаточно малым, чтобы быть подхваченным потоком газа, при этом времени прохождения таких частиц через накопитель золы достаточно для их догорания.

Еще одной отличительной особенностью конструкции является установка шнекового питателя вертикально снизу шахты и подача через его пустотелый вал первичного воздуха. Такое решение позволяет подавать в шахту отходы с различными размерами кусков и в то же время обеспечить самоуплотнение материала в шахте за счет того, что сила веса и движущая сила питателя направлены навстречу друг другу. Подача первичного воздуха через вал исключает перегрев последнего и повышает надежность работы питателя.

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

На чертеже приведена схема заявляемого устройства для переработки горючих токсичных отходов.

Устройство оснащено установкой подачи отходов, включающей загрузочный бункер 7 и шнековый питатель 8, установленный вертикально снизу шахты 5. Пустотелый вал 9 питателя соединен с приводом 10 и подключен к патрубку подачи первичного воздуха. Сверху на корпусе 1 установлен соединенный с приводом 11 вал 12, на котором закреплена размещенная в шахте 5 ниже накопителя 6 вращающаяся распределительная планка 13, отверстия 14 которой соединены сверлениями 15 по валу 12 с патрубком подачи вторичного воздуха. К этому же патрубку в схеме обвязки газогенератора подключена запальная линия, не показанная на чертеже. На чертеже не показан также регенеративный теплообменник, которым обычно оборудованы газогенераторы. По греющей стороне теплообменника пропущен получаемый газогенераторный газ, а по нагреваемой стороне первичный воздух.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В бункер 7 установки подачи отходов загружают куски горючих радиоактивных отходов, включают привод 10 и с помощью шнекового питателя 8 заполняют шахту 5. К патрубку вторичного воздуха подключают запальную линию, воспламеняют запальную смесь газа с воздухом и подают ее через сверления 15 и отверстия 14 в шахту, разжигая топливо. Через патрубок первичного воздуха по пустотелому валу 9 подают основное дутье и ведут розжиг газогенератора.

После достижения расчетных параметров газогенераторного процесса включают привод 11, с помощью вала 12 приводят во вращение планку 13, а по сверлению 15 подают к отверстиям 14 вторичный воздух.

За счет взаимодействия кусков топлива с вращающейся планкой угольки освобождаются от золы и вторичный воздух непосредственно соединяется с недожегом. Образующаяся зола вытесняется подаваемым снизу топливом в накопитель 6 и образует компенсационный объем вверху шахты 5.

Горючий материал в виде кусков поступает снизу вверх. Первичный воздух, подогретый в регенеративном теплообменнике (на чертеже не показан), подсушивает материал, кроме того, двигаясь по расширяющейся шахте 5 вверх, куски укладываются более упорядоченно за счет того, что сила их тяжести направлена навстречу перемещению. В результате, попадая в зону газификации (окисления и восстановления), горючий материал размещается по сечению более равномерно, оказывается подготовленным к переработке, и скорость его перемещения уменьшена, что обеспечивает устойчивость процесса газификации и равномерность его по сечению шахты. Образующаяся при переработке горючих отходов зола постепенно переполняет накопитель 6 и пересыпается в корпус 1. Газ, образующийся при газогенераторном процессе, создает эффект кипящего слоя в накопителе 6, препятствуя тем самым спеканию золы и облегчая ее перетекание через бурт накопителя. При этом куски несгоревшего топлива (до тех пор, пока они достаточно велики) силой тяжести увлекаются вниз и попадают на вращающуюся планку 13 в зону подачи вторичного воздуха. Когда эти куски станут достаточно малыми и их подхватит поток восходящего газа, то, проходя через слой разогретой золы в накопителе 6, они полностью успевают сгореть, тем самым недожег горючего материала при любых размерах исходных его кусков стремится к минимальной величине.

Генераторный газ и зола из накопителя 6 поступают по кольцевому зазору между стенкой корпуса 1 и шахтой 5 в камеру 2 разделения продуктов переработки. За счет размещения камеры 2 на периферии конструкции скорости в ней наименьшие и происходит инерционное разделение газа и твердых частиц золы. Генераторный газ через патрубок 3 отводят на газоочистку, пропуская его предварительно через регенеративный теплообменник, в котором подогревают первичный воздух, а золу через патрубок 4 ссыпают в контейнер и направляют на захоронение. Так как в золе практически отсутствует несгоревшее горючее вещество, объем золы является минимальным от исходных отходов, что снижает расходы на захоронение.

Таким образом, в сравнении с прототипом, заявляемое устройство работает с более полной переработкой поступающих горючих материалов за счет снижения механического недожега от 5-10% до величины менее 1-2% (по расчетам авторов 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 захоронение.

Использование: для переработки горючих радиоактивных отходов. Сущность изобретения: устройство содержит вертикально установленную шахту, выполненную расширяющейся вверх и снабженную установленным вверху накопителем золы. Камера для разделения продуктов переработки, оснащенная патрубками, подключена к корпусу, на котором сверху установлен совмещенный с патрубком для подачи вторичного воздуха и соединенный с приводом вал с каналом. На валу с возможностью вращения закреплена ниже накопителя золы воздухораспределительная пленка, отверстия для выхода воздуха которой соединены с каналом вала. Патрубок для подачи первичного воздуха выполнен в виде пустотелого вала шнекового питателя, который установлен вертикально снизу шахты и обеспечивает подачу отходов снизу вверх. 1 ил.

Устройство для переработки горючих токсичных отходов, содержащее корпус, к которому подключена камера для разделения продуктов переработки, оснащенная патрубками для отвода образующегося в результате переработки газа и для выгрузки золы, установку для подачи отходов снизу вверх, снабженную шнековым питателем, вал которого соединен с приводом, а также патрубки для подачи первичного и вторичного воздуха, расположенные соответственно снизу и сверху, отличающееся тем, что при переработке радиоактивных отходов вертикально установленная шахта выполнена расширяющейся вверх и снабжена установленным вверху накопителем золы, а сверху на корпусе установлен совмещенный с патрубком для подачи вторичного воздуха и соединенный с приводом вал с каналом, на котором закреплена с возможностью вращения расположенная ниже накопителя золы воздухораспределительная планка, отверстия для выхода воздуха которой соединены с каналом вала, а патрубок для подачи первичного воздуха выполнен в виде пустотелого вала шнекового питателя, который установлен вертикально снизу шахты.