СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G21F9/30 

Изобретение относится к ядерной технологии, в частности к области переработки радиоактивных металлических отходов (РМО).

Известен способ обработки несортированных радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности в плазменной шахтной печи. Отходы загружаются сверху в шахту, опускаясь вниз, проходят последовательно зоны сушки, пиролиза, сжигания и шлакообразования. Образующийся шлак сливается в контейнеры и после отвердения и отжига направляется на захоронение. Содержащиеся в общей массе отходов РМО при этом попадают в контейнеры и поступают на захоронение в виде металлических включений в шлаке или в виде металлошлакового композита. Образующиеся отходящие газы, поднимаясь в шахте из зоны горения, проходят слой радиоактивных отходов, дожигаются, охлаждаются и подвергаются очистке, после чего выбрасываются в атмосферу. Выход отходящих газов составляет 140-160 м³/ч при производительности по радиоактивным отходам 50-60 кг/ч.

Способ осуществляется в плазменной шахтной печи, содержащей загрузочное устройство, шахту, наклонную подину, устройство контейнерного шлакоудаления, плазменные генераторы и устройство подвода окислителя, камеру дожигания, систему охлаждения и очистки газов (Дмитриев С.А., Стефановский С.В., Князев И. А. , Лифанов Ф.А. Плазмохимическая переработка твердых радиоактивных отходов. //Физика и химия обработки материалов. - 1993, - N 4, - С. 65-73.).

Основным недостатком способа и устройства является то, что ценный металл не возвращается в хозяйственный оборот, безвозвратно теряясь в виде шлако-металлического радиоактивного продукта.

Известен способ переработки демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, включающий фрагментацию оборудования и индукционную переплавку в присутствии ошлаковывающих флюсов с последующим отделением образовавшегося радиоактивно загрязненного шлака от расправленного металла и его отверждением.

Комплекс, в котором осуществляется переработка демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, содержит установку фрагментации оборудования, установку индукционной переплавки с устройствами для разливки расплавленного металла и его отверждения, а также установки для обезвреживания и очистки газов. (Патент РФ N 2075126, кл. C 21 F 9/30, 1993 - прототип.

К недостаткам способа и устройства следует отнести низкую производительность, высокий удельный расход электроэнергии, осуществление процесса в периодическом режиме, значительные удельные эксплуатационные затраты. Все это снижает эффективность процесса.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и печь, является повышение эффективности процесса за счет его непрерывности, повышения производительности при уменьшении технологических операций, снижения расхода электроэнергии удельных эксплуатационных затрат.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, включающем плавку отходов в присутствии ошлаковывающих флюсов с последующим отделением образовавшегося радиоактивно загрязненного шлака от расплавленного металла, обезвреживание и очистку газов, согласно изобретению плавку осуществляют с продувкой расплава и образованием газлифтного и нисходящего потоков шлакового расплава, загрузку радиоактивных металлических отходов производят в нисходящей поток расплава, а плавку лежащих на подине радиоактивных металлических отходов осуществляют под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака.

При этом отвод газов из зоны загрузки осуществляют отдельно от других отходящих газов процесса.

А жидкие радиоактивные отходы вводят в печь через дутьевые устройства.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в известной печи для обработки радиоактивных металлических отходов, содержащей рабочую камеру, приспособление для загрузки и устройства для газоотвода, согласно изобретению рабочая камера разделена перегородками, не доходящими до свода и подины, на сообщающиеся между собой в верхней и нижней части плавильную камеру, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом, причем приспособление для загрузки выполнено в виде шлюзовой камеры, а на подине газлифтной камеры вблизи перегородки, разделяющей плавильную и газлифтную камеры, ниже ее расположена ограничительная перегородка.

При этом плавильная камера снабжена индивидуальным газоходом.

Кроме того, перегородка, разделяющая плавильную и газлифтную камеры, снабжена сливным козырьком, над которым расположена сводовая перегородка с образованием между ними переливного окна.

Отношение объемов плавильной и газоотделительной камер выдержано в пределах 0,25 - 0,8.

Печь для обработки радиоактивных металлических отходов представлена на чертеже.

Печь содержит плавильную камеру 1 с загрузочной шлюзовой камерой (шлюз) 2, газлифтную камеру 3 с дутьевыми устройствами 4, газоотделительную камеру 5 с газоотводом 6, расположенную на подине 7 ограничительную перегородку 8, газоотвод 9 плавильной камеры, приспособления 10 и 11 для выпуска шлака и металла, загрузочное окно 12 для угля и флюсов. Перегородка 13, разделяющая плавильную и газлифтную камеры, снабжена козырьком 14, над которым опущена со свода сводовая перегородка 15 с образованием переливного окна 16, расположенного ниже верхней кромки перегородки 17, разделяющей газлифтную и газоотделительную камеру. В ограничительной перегородке выполнен канал 18 для перетока металла из плавильной камеры в газлифтную.

Печь работает следующим образом.

В шлаковую ванну ниже поверхности расплава через дутьевые устройства (фурмы или топки) 4 вводится дутье (воздух, кислородно-воздушная смесь, горячие продукты сжигания топлива и др) и жидкие радиоактивные отходы с образованием в камере 3 газлифтного потока шлакового расплава, поднимающегося выше перегородки 13 и переливающегося через окно 16 в плавильную камеру 1. Через шлюз 2 в плавильную камеру 1 в нисходящий поток шлакового расплава загружаются РМО, опускающиеся на подину 7 камеры 1 в металлическую ванну под слой шлака. Шлак может непрерывно или в периодическом режиме выпускаться из печи через приспособления 11. Поток перегретого шлака, стекая с козырька 14, опускается вниз и проходит с высокой скоростью над РМО, лежащими на подине, обеспечивая их нагрев и плавление. Подовая ограничительная перегородка препятствует выносу РМО из плавильной камеры. Выплавляемый металл перетекает через канал 18 в камеры 3 и 5 и периодически или непрерывно выводится из печи через приспособление 10.

Рафинирующие флюсы и уголь, при необходимости, загружаются в печь через окно 12 в шлаковый поток, смачиваются и захватываются им. Флюсы в потоке шлака нагреваются и плавятся с образованием рафинирующего шлака. Уголь также нагревается при прохождении через плавильную камеру, выносится снизу на уровень фурменного пояса и сгорает в газлифтном потоке при коэффициенте избытка кислорода α < 1. Часть загружаемого угля сразу сгорает в камере 3, не попадая в плавильную камеру. Уголь и флюсы могут загружаться на плавку также через шлюз 2 совместно с РМО.

Отходящие газы из камеры 3 проходят над перегородкой 17 в газоотделительную камеру 5, где происходит сепарация капель расплава, вынесенных газовым потоком из камеры 3 и поглощение их ванной расплава. Газы, резко меняя направление, выводятся через газоотвод 6.

Газы могут выводиться из плавильной камеры (зоны загрузки РМО) по индивидуальному газоотводу 9. При этом газы из газлифтной камеры 3 не попадают в плавильную камеру благодаря наличию между камерами при переливании шлака через окно 16 гидравлического затвора.

При контакте в печи загружаемых РМО и образующегося металлического расплава с рафинирующим шлаком происходит аккумулирование основной части поступающих с РМО в печь радионуклеидов в шлаке.

При введении жидких радиоактивных отходов в печь происходит испарение воды и отвод ее из печи с отходящими газами, а твердый остаток, включая радионуклеиды, плавится и аккумулируется рафинирующим шлаком.

Продувка расплава с образованием газлифтного и нисходящего потоков расплава с циркуляцией шлака через камеры 1 и 3 создает необходимые благоприятные условия для осуществления процесса.

Загрузка РМО в нисходящий поток перегоретого в камере 3 шлакового расплава в плавильную камеру обеспечивает быстрое смачивание и погружение РМО на подину печи в металлическую ванну под слой шлака. Переход радионуклеидов в газовую фазу при таком способе загрузки минимальный, так как этот процесс кратковременный, а имеющиеся на поверхности металлических кусков (листов) РМО радионуклеиды смываются нисходящим потоком шлака вниз, уносятся в толщу шлаковой ванны, где происходит их шлакование.

Плавка лежащих на подине РМО под значительным слоем интенсивно рециркулирующего над ними потока перегретого шлака обеспечивает высокую удельную производительность процесса плавки.

При отводе отходящих газов из плавильной камеры отдельно от других отходящих газов процесса могут быть снижены затраты на очистку газов от радионуклидов, т. к. при повышенной активности тех или других отводимых из печи отходящих газов, более тщательной очистке подвергаются не все газы, а имеющие большую активность. Подача жидких радиоактивных отходов через дутьевые устройства в печь позволяют попутно с РМО перерабатывать в печи жидкие радиоактивные отходы при минимальных затратах.

Разделение рабочей камеры печи перегородками, не доходящими до свода и подины, на сообщающиеся между собой в верхней и нижней части плавильную камеру, газлифтную камеру с газоотводом обеспечивает возможность продувки расплава с образованием газлифтного и нисходящего потоков шлака, а также низкий пыле- и брызгоунос из печи. Выполнение приспособления для загрузки в виде шлюза предотвращает неорганизованный выход отходящих газов из печи через приспособление для загрузки.

Размещение на подине в газлифтной камере вблизи перегородки, разделяющей плавильную и газлифтную камеры, ниже ее ограничительной перегородки обеспечивает плавление РМО на подине плавильной камеры под значительным слоем рециркулирующего над ним потока перегретого шлака в условиях интенсивного массо- и теплообмена с высокой удельной производительностью процесса плавки. При отсутствии ограничительной перегородки 8 нерасплавленные РМО могут выноситься в камеры 3 и 5, что значительно снизит интенсивность их плавления и показатели процесса.

Ограничительная перегородка должна быть расположена ниже перегородки, разделяющей плавильную и газлифтную камеры, иначе может нарушиться процесс перетока шлака в печи, что недопустимо.

Снабжение плавильной камеры индивидуальным газоходом позволяет отводить отходящие газы из плавильной камеры отдельно от отходящих газов газлифтной камеры печи.

Снабжение перегородки 13 сливным козырьком позволяет загружать РМО в потоки шлака и ускорять процесс смачивания и погружения их на под печи.

Наличие сводовой перегородки над сливным козырьком с образованием переливного окна обеспечивает получение гидрозатвора и препятствует выходу отходящих газов из плавильной в газлифтную камеру и наоборот.

Отношение объемов плавильной и газоотделительной камер поддерживают в пределах 0,25 - 0,8. При величине менее 0,25 объем плавильной камеры не обеспечивает необходимую удельную производительность процесса. При величине отношения больше 0,8 низкая скорость нисходящего потока шлака через плавильную камеру приведет к существенному снижению удельной производительности процесса плавки, что нежелательно.

Пример. На обработку в печи предлагаемым способом поступают после дезактивации жидкостным методом РМО низкого и среднего уровня активности, представляющие собой куски нержавеющей стали температурой плавления в пределах 1460^oC.

Через дутьевые устройства (фурмы) в газлифтную камеру в толщу рафинирующего силикатного шлакового расплава непрерывно подается кислородно-воздушная смесь с предварительно подогретым воздухом, содержащая 50-60% кислорода, с интенсивностью дутья 100-120 нм³/(м²•мин). Через одну из фурм в печь вводятся жидкие радиоактивные отходы низкого уровня активности в количестве 3-6% от весового количества перерабатываемых РМО. В печь загружаются уголь и флюсы (песчаник, компоненты, содержащие оксиды натрия, бора, кальция и фосфора). Сжигание угля в печи производится при α = 0,75 - 0,95. Поддержание величины α в указанном интервале производится изменением расхода угля или кислорода. Загрузка РМО и флюсов производится дозировано как в периодическом, так и в непрерывном режиме в соответствии с требованиями технологии. Процесс плавки идет непрерывно. Шлак в нисходящем потоке имеет температуру 1420-1550^oC при температуре его плавления 1200-1250^oC.

Выплавленный металл и шлак выводятся из печи раздельно в непрерывном или периодическом режиме. Отходящие газы из плавильной и газоотделительной камер выводятся раздельно и после дожигания поступают на газоочистку. Общий выход отходящих газов не превышает 1,0 - 1,2 нм³/1 кг РМО. Пылеунос из печи с отходящими газами составляет 0,5 - 1,0%. Общий расход флюсов для наведения рафинирующего шлака составляет 30-50 кг/т РМО. При плавке отношение объема шлаковой фазы к объему металлической фазы в печи находится в пределах 1,5 - 3,0. Удельный расход условного топлива составляет 150-190 кг/т выплавленной стали. Удельная производительность печи по РМО - 170-220 т/(м²•сут).

Выпускаемый из печи шлак после отверждения и отжига направляют на захоронение. Выплавленный металл направляется для использования в атомной промышленности или для бесконтрольного использования в народном хозяйстве.

Осуществление предлагаемого способа и устройства для плавки РМО при большом количестве шлака в печи и под значительным слоем его при интенсивном движении потока шлака над РМО создает благоприятные условия для извлечения радионуклеидов в рафинирующий шлаковый расплав на стадии загрузки в плавильной камере и быстрое плавление РМО.

Процесс имеет значительно более высокую удельную производительность по сравнению с прототипом. При этом возможно создание высокопроизводительной плавильной установки на базе одной печи (до 50-100 т/ч и более), что практически невозможно при использовании способа-прототипа. Процесс не требует значительного расхода электроэнергии. Плавка осуществляется за счет сжигания дешевого топлива. Использование высокопроизводительной установки с работой в непрерывном режиме на дешевом топливе снижает удельные эксплуатационные затраты.

Обеспечивается также попутная переработка в печи жидких радиоактивных отходов.

Все это в конечном счете повышает эффективность предлагаемого процесса обработки РМО по сравнению с прототипом и обеспечивает решение поставленной задачи.

Использование: для переработки радиоактивных металлических и жидких отходов. Сущность: способ обработки радиоактивных металлических отходов (РМО) заключается в их плавке в присутствии рафинирующего шлака с погружением загружаемых РМО в расплав. Способ включает также отвод и очистку отходящих газов. Продувку расплава в печи осуществляют с образованием газлифтного и нисходящего потоков шлакового расплава. Загрузку РМО производят в нисходящий поток расплава. Плавку лежащих на подине РМО осуществляют под слоем интенсивного рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака. Отвод газов из зоны загрузки осуществляют отдельно от других отходящих газов процесса. Жидкие радиоактивные отходы вводят в печь через дутьевые устройства. Печь для обработки РМО содержит рабочую камеру, приспособление для загрузки, приспособление для подачи дутья и газоотводы. Рабочая камера разделена перегородками, не доходящими до свода и подины, на сообщающиеся между собой в верхней и нижней части плавильную камеру, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом. Приспособление для загрузки выполнено в виде шлюзовой камеры. На подине газлифтной камеры вблизи перегородки, разделяющей плавильную и газлифтную камеры, ниже ее расположена ограничительная перегородка. Плавильная камера снабжена индивидуальным газоотводом. Перегородка, разделяющая плавильную и газлифтную камеры, снабжена сливным козырьком. Над ним расположена сводная перегородка с образованием между ними переливного окна. Отношение объемов плавильной и газоотделительной камер выдерживают в пределах 0,25 - 0,8. Технический результат: повышение эффективности за счет непрерывности процесса, повышение производительности при уменьшении технологических операций, снижение расхода электроэнергии и удельных эксплуатационных затрат. 2 с и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки радиоактивных металлических отходов, включающий их плавку в присутствии ошлаковывающих флюсов с последующим отделением образовавшегося радиоактивно загрязненного шлака от расплавленного металла, обезвреживание и очистку газов, отличающийся тем, что плавку осуществляют с продувкой расплава и образованием газлифтного и нисходящего потоков шлакового расплава, загрузку радиоактивных металлических отходов производят в нисходящий поток расплава, а плавку лежащих на подине радиоактивных металлических отходов осуществляют под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отвод газов из зоны загрузки осуществляют отдельно от других отходящих газов процесса. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкие радиоактивные отходы вводят в печь через дутьевые устройства. 4. Печь для обработки радиоактивных металлических отходов, содержащая рабочую камеру, приспособление для загрузки и устройства для газоотвода, отличающаяся тем, что рабочая камера разделена перегородками, не доходящими до свода и подины, на сообщающиеся между собой в верхней и нижней части плавильную камеру, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом, причем приспособление для загрузки выполнено в виде шлюзовой камеры, а на подине газлифтной камеры вблизи перегородки, разделяющей плавильную и газлифтную камеры, ниже ее расположена ограничительная перегородка. 5. Печь по п.4, отличающаяся тем, что плавильная камера снабжена индивидуальным газоотводом. 6. Печь по п.4, отличающаяся тем, что перегородка, разделяющая плавильную и газлифтную камеру, снабжена сливным козырьком, над которым расположена сводная перегородка с образованием между ними переливного окна. 7. Печь по п. 4, отличающаяся тем, что отношение объемов плавильной и газоотделительной камер выдержано в пределах 0,25 - 0,8.