УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК F23G7/00 F27D3/14 

Заявляемое устройство относится к области переработки твердых радиоактивных отходов, а также других плавких типов отходов, не относящихся к классу радиоактивных. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при переработке золы сожженных радиоактивных отходов с целью ее перевода в монолитное состояние, удобное для последующего долгосрочного хранения.

Наиболее близким к заявляемому устройству является печь для плавления радиоактивных отходов, включающая направляющую цилиндрическую шахту, через которую происходит загрузка радиоактивных отходов, корпус печи с водоохлаждаемым подом, покрытые теплоизоляционным материалом, поднимаемые или опускаемые плазменные горелки для плавления отходов, размещенные перпендикулярно поверхности расплава по периметру корпуса печи, две плазменные горелки, обеспечивающие слив расплава в приемное устройство, само приемное устройство, а также газоход для отвода отходящих газов.

Недостатками известного устройства является:
повышенная сложность конструкции, связанная с наличием дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава радиоактивных отходов и приемного устройства для грануляции расплава;
пониженная надежность и безопасность работы печи, связанная с наличием подвижных плазменных горелок, предназначенных для плавления радиоактивных отходов, т.к. общеизвестно, что в условиях работы с радиоактивными или токсичными материалами по мере возможности следует избегать наличия в используемых устройствах каких-либо движущихся элементов их конструкций;
повышенная энергоемкость печи, связанная с наличием дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава отходов в приемное устройство, а также с неудачным размещением плазменных горелок, плавящих радиоактивные отходы и их конструкцией;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала, связанная с тем, что водоохлаждаемый под печи, в котором происходит плавление радиоактивных отходов, выполнен неподвижным, вследствие чего в нем постоянно будет присутствовать некоторое количество отходов, чья самопроизвольная выгрузка из-за расположения сливного отверстия на стенке пода будет невозможна. Опасность работы печи в этом случае будет выражаться в повышенном радиационном фоне, создаваемом неразгружаемой частью радиоактивных отходов;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала и окружающей среды вследствие неконтролируемости начала процесса слива расплава радиоактивных отходов, обусловленной расположением сливного отверстия на стенке водоохлаждаемого пода. Эта неконтролируемость проявляется в том, что обычно сливное отверстие бывает закрыто "пробкой" застывшего расплава и после включения плазменных горелок, обеспечивающих его слив, в момент расплавления "пробки" истечение расплавленных радиоактивных отходов может происходить бурно с выбросом;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала и окружающей среды, связанная с разбрызгиванием массы расплава радиоактивных отходов, т.к. плазменные горелки, обеспечивающие слив расплава, размещены таким образом, чтобы в процессе слива именно и происходило разбрызгивание (в прототипе формой конечного продукта переработки радиоактивных отходов являются гранулы, которые с точки зрения мер безопасности для окружающей среды при длительном хранении значительно уступают захораниваемому продукту в форме монолита).

Преимуществами заявляемого устройства для плавления радиоактивных отходов являются упрощение его конструкции, понижение энергоемкости, а также повышение безопасности его работы для обслуживающего персонала и окружающей среды.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемое устройство содержит направляющую цилиндрическую шахту для загрузки расплавляемых радиоактивных отходов, крышку плавильной камеры, на которой размещены плазменные горелки, снабженные топливными вставками (узлами ввода топлива), расположенные таким образом, что направление распространения плазменного факела находится под углом к поверхности расплава и газоход для отвода отходящих газов, опрокидывающийся со смещаемым центром тяжести теплоизолированный и водоохлаждаемый под V-образной несимметричной формы, снабженный противовесом, а также кожух, соединенный с крышкой плавильной камеры, между которыми этот под находится, и имеющий канал для слива расплава радиоактивных отходов.

Для определения момента начала слива расплава противовес соединен с датчиком давления, по показаниям которого происходит опрокидывание и опорожнение теплоизолированного и водоохлаждаемого пода D-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести.

Сущность устройства для плавления радиоактивных отходов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 - аксонометрия V-образного пода несимметричной формы со смещаемым центром тяжести; на фиг. 3 конструкция плазменной горелки, снабженной топливной вставкой.

Устройство для плавления радиоактивных отходов состоит из цилиндрической шахты 1, крышки плавильной камеры 2, плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, газохода 5, пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6, противовеса 7, кожуха 8, канала для слива расплава 9, датчика давления 10, водоохлаждаемой рубашки 11 и слоя теплоизоляционного материала 12.

Под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 имеет в своем составе расположенное по периметру уплотняюще-опорное ребро 13, сливной желоб 14 и опорную ось 15.

Плазменная горелка 3, снабженная топливной вставкой 4, состоит из водоохлаждаемого катода 16, металлической вставки 17, водоохлаждаемого анода 18, газовводного кольца-изолятора 19, водоохлаждаемых рубашек 20, и патрубок подачи топлива 21.

Устройства работает следующим образом.

Непосредственно перед загрузкой радиоактивных отходов включают плазменные горелки 3, снабженные топливными вставками 4, и разогревают все устройство до температуры 500-700^oC.

Упаковки с радиоактивными отходами (отходы черных и цветных металлов, зола, бумага, картон, стеклобой, использованная теплоизоляция и т.п.) загружают в цилиндрическую шахту 1 после чего в топливные вставки 4 через патрубки подачи топлива 21 подают окислитель (воздух или кислород) и горючий углеводород (C_n H_m) и поднимают температуру до 1550-1600^oC, причем подъем температуры осуществляют со скоростью 300-400^oC в час. В результате подъема температуры до вышеуказанной величины происходит сгорание горючей части радиоактивных отходов и плавление их негорючей части, а также продуктов сгорания. Последующие порции радиоактивных отходов сгорают и плавятся уже на поверхности расплава, накапливающегося в объеме пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6. Водоохлаждаемая рубашка 11 и слой теплоизоляционного материала 12 защищают металлический корпус пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 от разрушения при высоких температурах в объеме, ограниченном кожухом 8, выполненном также из теплоизоляционного материала и крышкой плавильной камеры 2. Под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 установлен в указанном объеме на опорной оси 15, фиксируемой стопором таким образом, что с помощью уплотняюще-опорного ребра 13 он герметично изолирует верхнюю часть объема, расположенную под крышкой плавильной камеры 2 от его нижней части, ограниченной кожухом 8, предотвращая тем самым возможность контакта зоны сгорания и плавления с окружающей средой через канал для слива расплава 9. По мере наполнения пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 расплавом радиоактивных отходов за счет его несимметричности возникает крутящий момент (указан стрелкой на фиг. 2), стремящийся опрокинуть под и создающий давление, передаваемое с помощью противовеса 7 на датчик давления 10. После достижения некой критической величины давления, фиксирующей с помощью датчика давления 10 момент начала выгрузки расплава, опорную ось 15 снимают со стопора, под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 опрокидывается и расплав радиоактивных отходов через сливной желоб 14 и канал для слива расплава 9 выливают в контейнер для приема радиоактивных отходов. Газы, образующиеся в процессе сгорания и плавления радиоактивных отходов, через газоход 5 поступают в систему газоочистки и затем на выброс в атмосферу.

После опорожнения под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 под действием противовеса 7 возвращается в исходное горизонтальное положение, а опорная ось 15 вновь фиксируется стопором. При этом слой расплава, оставшийся на сливном желобе 14 оплавляется и стекает в объем пода, т.е. происходит самоочистка сливного желоба 14.

Для обеспечения возможности самоопрокидывания пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 по мере его наполнения расплавом радиоактивных отходов опорная ось 15 смещена в сторону меньшей грани днища пода.

Плазменные горелки 3, установленные симметрично друг относительно друга на крышке плавильной камеры 2 конической формы, снабжены, как уже говорилось, топливными вставками 4 обеспечивающими более равномерное распределение температур по всей длине плазменного факела. При работе плазменной горелки 3 без топливной вставки 4 возникает электрическая дуга 22, создающая плазменный факел, температура в котором в зависимости от его длины (L) определяется кривой 1 (фиг. 4). В случае включения в работу плазменной горелки 3 топливной вставки 4 эта температура будет определяться уже кривой 2. Сравнение этих двух кривых показывает, что применение топливной вставки 4 обеспечивает более равномерное распределение температур, а также их более высокие значения в рабочей зоне плазменного факела (зона L между 100 и 300 мм).

Коническая форма крышки плавильной камеры 2 делает возможным расположение плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, под углом к поверхности расплава радиоактивных отходов, что обеспечивает распространение плазменного факела вдоль поверхности расплава, а следовательно, и более эффективный его обогрев, а также исключает необходимость делать их подвижными. Общее количество плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, составляет не менее 2.

Самоопрокидывающийся под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 исключает наличие дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава радиоактивных отходов, упрощая конструкцию и понижая энергоемкость устройства, повышает безопасность работы устройства за счет контролируемости момента начала слива расплава и предотвращения его разбрызгивания при сливе, а также повышает безопасность работы устройства за счет предотвращения накопления неразгружаемой части расплава радиоактивных отходов.

Испытания подтвердили наличие вышеуказанных преимуществ заявляемого устройства по сравнению с прототипом, а также показали, что его производительность выше, чем у устройства согласно прототипа в 2-3 раза.

Область применения: обработка твердых горючих радиоактивных отходов сжиганием с последующим плавлением зольного остатка. Сущность изобретения: устройство содержит направляющую цилиндрическую шахту кожух печи с каналом для слива расплава, теплоизолированный и водоохлаждаемый самоопрокидывающийся под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести, коническую крышку плавильной камеры с расположенными на ней плазменными горелками, а также газоход для отвода отходящих газов. Устройство позволяет упростить конструкцию, понизить энергоемкость, повысить безопасность работы, а также повысить производительность его работы. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Устройство для плавления радиоактивных отходов, содержащее кожух печи с каналом для слива расплава и с размещенным внутри него подом со слоем теплоизоляции, направляющую цилиндрическую шахту для загрузки радиоактивных отходов, нижняя стыковочная с кожухом часть которой выполнена расширенной, плазменные горелки для плавления радиоактивных отходов, а также газоход для отвода отходящих газов, отличающееся тем, что плазменные горелки в количестве не менее 2-х снабжены топливными вставками и вмонтированы в стенку расширенной части шахты с расположением их продольных осей под углом к горизонтальной плоскости, под выполнен водоохлаждаемым, а по периметру с уплотняюще-опорным ребром и с центральной частью V-образной несимметричной формы, имеющей наклонные грани разной длины, под размещен внутри кожуха на оси с возможностью поворота при самоопрокидывании и возврата в исходное положение, при котором уплотняюще-опорное ребро со стороны более длинной грани, выполненной со сливным желобом, сопряжено с нижней плоскостью расширенной части шахты, а со стороны менее длинной грани пода сопряжено своей нижней плоскостью с кожухом, при этом под со стороны меньшей грани снабжен противовесом, соединенным с датчиком давления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плазменные горелки вмонтированы перпендикулярно поверхности стенки расширенной части шахты.