ПЛАЗМЕННАЯ ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК F27B1/00 G21F9/32 

Изобретение относится к атомной энергетике и технологии, а именно к устройствам для переработки радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности и может быть использована для преобразования твердых и жидких отходов в химически устойчивый, твердый и подлежащий захоронению продукт, а также для рециклинга ценных компонентов.

Известна шахтная плазменная печь для ликвидации радиоактивных отходов, содержащая вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту с зонами сушки, пиролиза, сжигания и узлом шлакообразования, расположенные в зоне сжигания устройство подвода окислителя и плазменный генератор, а также устройство для вывода и сбора шлака сообщающееся с узлом шлакообразования [1]
В данной печи вывод и сбор шлака осуществляется струей с грануляцией в контейнеры, поэтому ухудшаются прочностные характеристики отливок и повышается способность выщелачиваемости радионуклидов, что понижает радиационную безопасность. В печи не реализуются условия для контролируемого вывода и охлаждения расплавленной шлакометаллической смеси, а условия заполнения контейнеров не обеспечивают равномерность кристаллизации и оптимальную текстуру отливок, из-за непостоянной температуры, скорости заливки и состава расплава. В данной печи зола, собранная на выходе газов из шахты, вновь подается в печь через узел загрузки отходов, что снижает радиационную безопасность, так как в этой зоне присутствуют радионуклиды, сорбированные на твердые частицы сажи, золы, солей и других соединений, обладающих низкой температурой испарения и легко газифицирующихся, поэтому повышается нагрузка на системы очистки газов. Сбор перегретого в узле шлакообразования шлака в контейнеры приводит к разрушению их стенок и попаданию радиационно загрязненного расплава в устройство для вывода и сбора шлака, что значительно снижает радиационную безопасность печи.

Целью настоящего изобретения является повышение радиационной безопасности при переработке отходов за счет вывода расплава регулируемого по температуре и составу, и получения полых текстурированных отливок с утилизацией в них вторичных радиоактивных отходов.

Для достижения данной цели в известной плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащей узел загрузки, шахту с наклонным подом, соединенную с шахтой камеру дожигания газов с системой охлаждения и фильтром, устройство подвода окислителя, плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором, устройство нагрева шлака, устройство образования отливок и устройство шлакоудаления в виде герметичной камеры и механизма выгрузки, она снабжена соединенным с камерой шлакоудаления и системой охлаждения камеры дожигания газов, устройством подачи цементного раствора, устройство образования отливок выполнено в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в камере шлакоудаления кокиля с литником, соединенного с камерой дожигания газов, фильтром и через патрубок с камерой гомогенизации, камера гомогенизации выполнена с подом наклонным навстречу поду шахты, а устройство нагрева шлака выполнено в виде индукторов, размещенных на внешних поверхностях патрубка, подов шахты и камеры гомогенизации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов в разрезе.

Печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки 1 и шахту 2 с наклонным подом 3. Шахта 2 снабжена устройством подвода окислителя 4 и плазменными генераторами 5, и сообщается с горизонтальной камерой гомогенизации шлака 6, а в верхней части 7 через патрубок 8 с камерой дожигания газов 9, соединенной через систему охлаждения 10 с фильтром 11. Камера гомогенизации 6 имеет в верхней части 12 плазменный реактор 13 и выполнена с подом 14 наклонным навстречу поду 3 шахты 2. Устройство шлакоудаления 15 включает патрубок 16, соединяющий камеру гомогенизации 6 с герметичной камерой 17, в которой установлены механизм выгрузки 18 с контейнерами 19. Устройство нагрева шлака 20 выполнено в виде плоских индукторов 21, размещенных на внешних поверхностях наклонного пода 3 шахты 2 и пода 14 камеры гомогенизации 6, и кольцевого индуктора 22 размещенного вокруг патрубка 16. Индукторы 21 и 22 последовательно или параллельно подключены к двум источникам питания 23 и 24, подводящих энергию соответственно для нагрева и транспортирования расплава. Для охлаждения индукторы 21 и 22 подключены также к источнику водоснабжения 25. Камера гомогенизации 6 соединена через патрубок 16 с литником 26 устройства образования отливок 27, установленного в герметичной камере 17. Устройство образования отливок 27 выполнено в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в устройстве шлакоудаления 15 кокиля 28, установленного на опорных роликах 29, приводимых во вращение двигателем 30. В торце кокиля 28 установлен литник 26, соединенный с помощью патрубка 31 с камерой дожигания газов 9 и фильтром 11. Устройство подачи цементного раствора 33 соединено с системой охлаждения 10 камеры дожигания газов 9 и, для подачи смеси шлака с цементным раствором, сообщается через патрубок 32, установленный над контейнерами 19, расположенных на механизме выгрузки 18, с герметичной камерой 17 устройства шлакоудаления 15. Под позицией 34 показаны отходы, расположенные в шахте 2. Под позицией 35 изображен расплав шлака и металла на поверхности подов 3 и 14. Под позицией 36 показан плазменный факел генерируемый плазменным реактором 13. Под позицией 37 изображен слиток формируемый в кокиле 28 устройства образования отливок 27. Под позицией 38 показан сформированный слиток, установленный в контейнере 19. Под позицией 39 изображена полость в слитке 38, в которую через патрубок 32 подается смесь водяного шлама из системы охлаждения 10 и цемента из устройства подачи раствора 33.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывно или периодически загружаются твердые радиоактивные отходы 34. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 5, плазменного реактора 13, кокиля 28, индукторов 21 и 22 подается охлаждающая вода от источника водоснабжения 25. С помощью дымососа (на чертеже не показан), установленного после фильтра 11, в шахте 2 через патрубок 8 в верхней части 7, создается разрежение на уровне 200 Па. При помощи устройства 4 для подачи окислителя через плазменные генераторы 5 подается окислитель. Плазменные генераторы 5 известными методами генерируют высокотемпературные потоки поступающие в шахту 2. Твердые отходы 34 проходя по шахте 2 последовательно подвергаются сушке, пиролизу, газификации, горению горючих компонентов и плавлению золы, и негорючих компонентов с образованием расплава 35, который стекает в камеру гомогенизации 6 и собирается на подах 3 и 14. Образующиеся в шахте 2 газообразные продукты по патрубку 8, установленному в верхней части 7 шахты 2, поступают в камеру дожигания 9, известной конструкции, например вертикальную прямоточную или циклонную, где осуществляется дожигание и термическое разложение горючих составляющих и химически агрессивных веществ с частичным отделением крупной золы. Далее газы поступают в систему охлаждения 10, например, в кожухотрубчатый или скрубберный теплообменник, где понижается температура до 200-300^oC. Затем газы очищаются в фильтре 11, например, в металлокерамическом фильтре тонкой очистки, с полным отделением золы и аэрозолей, и сбрасывается в атмосферу. На плазменный реактор 13 известной конструкции, например, прямоструйный с камерой смешения, установленный в верхней части 12 камеры гомогенизации 6, подаются окислитель и жидкие горючие отходы, а затем дожигается плазменная дуга от источника постоянного тока (на чертеже не показаны). Жидкие горючие отходы конвертируются в плазменном реакторе 13 с заданным коэффициентом избытка воздуха и поступают в камеру гомогенизации 6, обогревая ванну расплава 35 плазменным факелом 36. В момент запуска печи и при накоплении расплава 35 на подах 3 и 14 патрубок 16 закрыт временной пробкой, а в герметичной камере 17 создается разрежение на уровне 200 Па. Далее от источника питания 23 на индукторы 21 и 22 подается переменный ток, например, от машинного генератора, и проводится дополнительный индукционный нагрев расплава 35 и расплавление временной пробки в патрубке 16. Затем от источника 24 подается на индукторы 21 и 22 переменный ток транспортирующей частоты (200-500 Гц), и проводится вывод расплава 35 через патрубок 16 на литник 26. На устройстве нагрева 20, выполненном например, в виде электромагнитного желоба, расплав шлака или металла 35 подвергается воздействию бегущего магнитного поля и движется в виде безнапорного потока с преодолением сил гидравлического сопротивления и тяжести. Свободная поверхность расплава 35 подогревается плазменным факелом 36. Регулируя частоту и амплитуду индукции бегущего магнитного поля можно изменять глубину проникновения электромагнитных сил в расплав 35 и таким образом селективно транспортировать расплавы с разной проводимостью. Регулируя наклон пода 14 возможно отделение от металлов малопроводящих расплавов, например шлаков. Для компенсации тепловых потерь через футеровку при охлаждении индукторов 21 и 22 используется индукционный подогрев расплава 35 от источника 23. При этом может использоваться двухчастотный нагрев на один индуктор или применение двухобмоточного индуктора 21, а также подбор компромиссной частоты, обеспечивающей необходимый подогрев и транспортирующий эффект. Электромагнитные силы, создаваемые бегущим магнитным полем, обеспечивают транспортирование расплава 35 с наклонного пода 14 через патрубок 16 в литник 26, а также могут компенсировать статическое давление расплава 35 в камере гомогенизации 6 и воспрепятствовать вытеканию расплава 35 через открытый патрубок 16, находящийся ниже уровня расплава 35. Этот позволяет регулировать состав и расход расплава 35 поступающего в устройство образования отливок 27 и герметизировать сливное отверстие патрубка 16 при периодическом выпуске расплава 35, за счет реверсирования движения бегущего магнитного поля. Расплав 35 на наклонном поде 14 подвергается воздействию электромагнитных сил, способствующих ускоренному разделению шлака и металла, что позволяет очищать металл от радионуклидов с реализацией последующего рециклинга. Герметизация сливного канала патрубка 16 может осуществляться кристаллизацией расплава 35 в патрубке 16 при отключении греющего источника 23, с последующим расплавлением полученной пробки. Футеровка наклонного пода 14 и патрубка 16 выполняется из огнеупорного материала с низкой или нулевой электропроводностью. Используя закономерности магнитной гидродинамики, расплав 35 через литник 26 поступает в кокиль 28 устройства образования отливок 27, установленного в герметичной камере 17. При этом кокиль 28 приводится во вращение на опорных роликах 29 с помощью двигателя 30. Расплав 35 под действием центробежных сил распределяется равномерным слоем по внутренней поверхности кокиля 28. Заливка расплава 35 также может осуществляться в горизонтальный, вертикальный или расположенный под некоторым углом кокиль 28, причем на его внутреннюю поверхность предварительно наносится песочное покрытие толщиной 2 мм или устанавливается контейнер 19 (на чертеже не показаны). Отливка 37 может формироваться из шлака, металла или послойно со шлакометаллической структурой. Одновременно с подачей расплава 35 через литник 26 в кокиль 28 осуществляется постоянная или периодическая подача золы через патрубок 31, с помощью механического или пневматического транспорта, от камеры дожигания 9 и фильтра 11. Зола под действием центробежных сил сепарируется на кокиль 28 и иммобилизуется в структуру отливки 37 с минимальной газификацией радионуклидов. Скорость вращения кокиля 28 определяется составом и температурой расплава 35. При использовании вертикального кокиля 28 возможно формирование глуходонной отливки 37. После достижения заданной толщины слоя отливки 37 прекращается подача расплава 35. Вращение кокиля 28 прекращается после затвердевания отливки 37 при температуре 300-600^oC. Скорость затвердевания зависит от температуры расплава 35 и толщины отливки 37. После затвердевания отливки 37 осуществляется ее удаление из кокиля 28 с помощью выталкивателя (на чертеже не показан), например, гидравлического толкателя, на механизм выгрузки 18, например конвейер, где используя известные устройства, например, крановые захваты, электромагниты или манипуляторы, отливки 38 устанавливаются в контейнеры 19 и транспортируются по механизму выгрузки 18 под патрубок 32 таким образом, чтобы смесь шлама, возникающего при охлаждении газов в системе 10 с цементом из растворного узла 33, поступает в полость центробежной отливки 38. Заключительной операцией является герметизация контейнера 19 крышкой (на чертеже не показана) известными методами, например сваркой.

Производились сравнительные исследования по определению радиационной безопасности при переработке радиоактивных отходов в печи по прототипу и в предложенной плазменной печи. В обоих случаях переработке подвергались твердые отходы 34 в виде смеси древесины с влажностью 20% и зольностью 5% а также стального лома в количестве 30% В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия, раствором которой насыщались брикеты отходов 34 моделируя активность низкого уровня. Производительность обоих печей по твердым отходам составляет 60 кг/ч. Суммарная электрическая мощность, подводимая к плазменным генераторам 5, плазменному реактору 13 составляет 70 кВт. Расход жидких горючих отходов в виде солярки составляет 2 г/с. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/с. Общее время работы каждой печи 200 часов. В печи по прототипу шлакометаллический расплав формировался в отливки методом вакуумного всасывания. Количество 200 кг отливок полученных в обоих случаях равнялось 26. В предложенной печи в качестве устройства подачи цементного раствора 33 использовался турбулентный бетоносмеситель типа СБ-43Б, с производительностью 65 л/ч раствора. В качестве вяжущего в цементном растворе использовался портландцемент марки 600. Раствор затворялся на водяном шламе из системы охлаждения газов 10 и водяных дезактивационных растворов, возникающих при эксплуатации печи с соотношением к заполнителю, в качестве которого использовался отработавший формовочный песок из устройства образования отливок 27, примерно 1:3 и соотношением твердая фаза:цемент 1:0,7. Индуктор 21 бегущего магнитного поля выполнялся в виде развернутого статора с питанием трехфазным током. Обмотка индукторов 21 и 22 имеет трубчатое водяное охлаждение, число пар полюсов 60, число последовательных витков в фазе 120, тип соединений однослойный волновой треугольник. Одинаковая электрическая мощность подводится к индукторам 21, 22 от источников питания 23, 24 и в прототипе к двум индукторам, и составляет 30 кВт. В качестве источника 23 использовался машинный преобразователь серии ВПЧ с частотой нагревающего тока 2400 Гц, а в качестве источника 24 трансформаторный преобразователь с частотой транспортирующего тока 300 Гц. Скорость разливки расплава 35 регулировалась амплитудой и частотой электромагнитного бегущего поля. Под 14, камеры гомогенизации 6 и патрубок 16 футерованы шамотографитовыми блоками. В устройстве образования отливок 27 кокиль 28 выполнялся стальным разъемным с водяным струйным охлаждением. Температура расплава 35 на выходе из литника 26 изменялась в диапазоне 1300-1500^oC. Внутренний диаметр кокиля 28 0,3 м; длина 1 м; скорость вращения 250 об/мин. В системе охлаждения 10 использовался кожухотрубчатый теплообменник и гравитационный шламоотделитель. Металлокерамический фильтр 11 обеспечивает коэффициент очистки равный 10⁶. Зола от камеры дожигания 9 и фильтра 11 содержит частицы диаметром 0,01-5 мм.

Радиационная безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отходящих из печи, а также по выносу имитатора из устройства шлакоудаления 15. В прототипе зола из камеры дожигания 9 и фильтра 11, а также шлам из системы охлаждения 10 подавался в кристаллизатор при формировании отливок вакуумным всасыванием, а в предложенной печи соответственно через патрубок 31 в устройство образования отливок 27 и через патрубок 32 в полость 39 отливки 38. Дополнительно оценивались степень выщелачиваемости шлаков, предел механической прочности отливок, коэффициент уменьшения объема отходов, глубина рециклинга металлов, содержащихся в отходах. Результаты сравнительных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки модельных отходов, применение предложенной плазменной шахтной печи позволяет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом, за счет уменьшения выноса радионуклидов с отходящими газами в режимах:
1) без ввода вторичных отходов на 7% путем более эффективной герметизации печи и устранения неконтролируемых подсосов воздуха через устройство шлакоудаления;
2) после ввода золы и шлама на 27% путем исключения газификации легколетучих радионуклидов из вторичных отходов.

Максимальное повышение радиационной безопасности достигается при сокращении выноса радионуклидов в устройстве шлакоудаления на 40% за счет организации регулируемого электромагнитными силами вывода расплава и проведение высокоскоростной кристаллизации отливки с помощью центробежного устройства образования отливок. Дополнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов является уменьшение скорости выщелачиваемости шлака в 4 раза, за счет скоростной кристаллизации и импрегнирования легколетучей золы и армированную матрицу отливки. Повышается предел механической прочности отливок в 2,5 раза за счет более плотной структуры и армирования металлом. Возрастает коэффициент уменьшения объема отходов в 2,4 раза, за счет организации компактной отливки с введением в нее вторичных радиоактивных отходов. В данной печи повышается глубина рециклинга металлов из отходов в 2 раза, за счет рафинирования и селектирования электромагнитными силами.

Снабжение печи устройством подачи цементного раствора соединенным с камерой шлакоудаления и системой охлаждения камеры дожигания газов, повышает радиационную безопасность, за счет утилизации вторичных радиоактивных летучих отходов, собираемых в виде водяного шлама в системе охлаждения газов, путем их цементирования и иммобилизации и полость центробежной отливки. Использование полой шлакометаллической отливки в качестве контейнера для захоронения цементированных вторичных легколетучих радиоактивных отходов позволяет реализовать замкнутый технологический цикл с комплексной переработкой отходов, что повышает радиационную безопасность.

Выполнение устройства образования отливок в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в камере шлакоудаления кокиля с литником, соединенного с камерой дожигания газов, фильтром и через патрубок с камерой гомогенизации, позволяет повысить радиационную безопасность при переработке отходов за счет эффективной иммобилизации вторичных радиоактивных отходов в виде легколетучей золы в структуру формируемых с высокой скоростью центробежных шлакометаллических отливок. Применение эффекта центробежного литья повышает кристаллизационную способность расплава, снижает температуру кристаллизации литого материала, способствует созданию мелкой и плотной структуры отливок, улучшает радиационно-химические свойства металлошлакового литья. Достигаемый эффект организованной слоистости существенно улучшает физико-механические свойства отливок с получением уникального комплекса свойств и макрогетерогенной композиционной структурой, повышающими радиационную безопасность при транспортировании и захоронении переработанных радиоактивных отходов. При центробежном формировании отливок из расплава с диспергированными в радиационно неактивном металле частицами активного шлака, включения шлака, имеющие плотность меньшую плотности металла, всплывают под действием центробежных сил и при этом образуются радиационно загрязненные шлаковые отливки с металлическим неактивным литым кожухом, что повышает радиационную безопасность при последующих контейнеризации, транспортировании и захоронении. При переработке отходов с щелочными радионуклидами (например, цезий 137) надежная фиксация достигается в шлаке с основностью менее 1, однако, отливки из таких шлаков отличаются высокой хрупкостью из-за термонапряжений, поэтому реализуемое в данной печи центробежное литье повышает механическую прочность и химическую стойкость отливок при армировании металлом. Ввод вторичной золы из камеры дожигания и фильтра в кристаллизующийся с высокой скоростью расплав шлака препятствует газификации радионуклидов и обеспечивает их надежную фиксацию в металлошлаковом композиционном материале.

Выполнение камеры гомогенизации с подом наклонным навстречу поду шахты и выполнение устройства нагрева шлака в виде индукторов, размещенных на внешних поверхностях патрубка, подов шахты и камеры гомогенизации, повышает радиационную безопасность за счет электромагнитного транспортирования расплава через патрубок, находящийся выше уровня расплава, что предотвращает аварийные выбросы радиационно загрязненных материалов. Использование электромагнитных индукторов позволяет повысить уровень радиационной безопасности при проведении операций вывода и сбора шлака и металла за счет механизации и автоматизации работ, связанных с радиационным облучением. С помощью электромагнитного наклонного пода возможно фракционирование отходов, выделение ценных неделящихся элементов с перспективной их последующей утилизации при высокой степени рециклинга металлов. На наклонном поде проводится электромагнитное селектирование радиоактивных компонентов, используя разницу в электропроводности, регулирование по температуре и составу выводимого через патрубок расплава. Реверсированием электромагнитного поля на наклонном поде осуществляется гидравлическая герметизация отверстия патрубка во время работы печи. Герметизация сливного отверстия патрубка также реализуется при отключении индуктора вокруг патрубка и кристаллизации расплава в нем с образованием временной пробки, с последующим ее расплавлением при организации вывода расплава.

Использование: переработка отходов низкого и среднего уровня активности и преобразование твердых и жидких отходов в химически устойчивый, твердый и подлежащий захоронению продукт, а также рециклинг ценных компонентов. Сущность изобретения: после плазменной переработки отходов 34 в шахте 2 шлакометаллический расплав (Р) 35 собирается в камере 6 гомогенизации и нагревается плазменным факелом 36 от плазменного реактора 13 и на электромагнитном устройстве 20 от источника 23. Затем включают источник 24 и Р 35 через патрубок 16 подают в машину 27 центробежного литья с одновременной подачей через патрубок 31 золы от камеры дожигания 9 и фильтра 11 с формированием слитка (С) 37. Далее в контейнере 19 помещается С в кокиле 38, а в полость 39 через патрубок 32 подается шлам из системы охлаждения 10 в смеси с цементом из растворного узла 33. Печь позволяет повысить уровень радиационной безопасности за счет вывода расплава регулируемого по температуре и составу, и получения полых текстурированных отливок с утилизацией в них вторичных радиоактивных отходов. 1 ил., 1 табл.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности, содержащая узел загрузки, шахту с наклонным подом, соединенную с шахтой камеру дожигания газов с системой охлаждения и фильтром, устройство подвода окислителя, плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором, устройство нагрева шлака, устройство образования отливок и устройство шлакоудаления в виде герметичной камеры и механизма выгрузки, отличающаяся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности, она снабжена устройством подачи цементного раствора, соединенным с камерой шлакоудаления и системой охлаждения камеры дожигания газов, устройство образования отливок выполнено в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в камере шлакоудаления коккиля с литником, соединенного с камерой дожигания газов, фильтром и через патрубок с камерой гомогенизации, камера гомогенизации выполнена с подом, наклонным навстречу поду шахты, а устройство нагрева шлака выполнено в виде индукторов, размещенных на внешних поверхностях патрубка, подов шахты и камеры гомогенизации.