УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ И ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/32 F23G5/18 

Заявляемая установка относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных и токсичных отходов. Наиболее эффективно заявляемая установка может быть использована при сжигании радиоактивных отходов (РАО) и токсичных отходов, содержащих целлюлозу, полимеры, резину, поливинилхлорид (ПВХ), а также такие негорючие компоненты, как стекло и металлы, с последующим плавлением образующихся продуктов сгорания до получения монолитного конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Известна установка для переработки РАО [1] с устройством для дожигания отходящих газов, высокотемпературным теплообменником и рукавным фильтром.

Недостатками известной установки для переработки РАО являются:
- невысокая производительность, связанная с пониженной производительностью рукавного фильтра;
- пониженная надежность, связанная с возможностью нарушения целостности фильтрующих элементов рукавного фильтра.

- повышенная опасность работы из-за наличия в составе сбрасываемых в атмосферу отходящих газов кислых агрессивных компонентов вследствие отсутствия в составе установки устройств для их улавливания.

Известна установка для переработки РАО [2], включающая двухкамерную печь, в которой одна из камер предназначена для сжигания твердых РАО, а другая представляет собой устройство для дожигания отходящих газов, последовательно соединенную с высокотемпературным теплообменником, низкотемпературным теплообменником, рукавным фильтром, фильтром тонкой очистки и колонной нейтрализации. В составе установки также имеется бункер для шлама, соединенный с рукавным фильтром, а также с камерой сжигания твердых РАО печи.

Недостатками известной установки для переработки РАО являются:
- невысокая производительность, связанная с пониженной производительностью рукавного фильтра;
- пониженная надежность, связанная с возможностью нарушения целостности рукавов рукавного фильтра.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является установка для переработки радиоактивных и токсичных отходов [3], включающая последовательно соединенные плазменную шахтную печь, содержащую узел выгрузки конечного продукта, состоящий из двух сливных устройств с приемными емкостями, устройство для дожигания отходящих газов, снабженное выпускным отверстием, (устройство для дожигания отходящих газов должно обязательно иметь, по меньшей мере, выгрузочное отверстие для удаления образующихся в нем твердых продуктов дожигания, т.к. в противном случае может произойти забивка ими вышеуказанного устройства и прекращение работы известной установки), систему охлаждения (водный испаритель), содержащий выгрузочный бункер, рукавный фильтр (все рукавные фильтры содержат, как минимум, один выгрузочный бункер, обычно выполняемый в форме конического днища, необходимый для обеспечения их периодической разгрузки [4]), теплообменник, скруббер и емкость, которая в свою очередь соединена через теплообменник с газосбросной магистралью и через теплообменник со скруббером.

Недостатками известной установки для переработки радиоактивных и токсичных отходов являются:
- повышенные габариты, обусловленные наличием в составе установки системы охлаждения (водного испарителя) и теплообменника, подсоединенного к рукавному фильтру;
- пониженное качество получаемых твердых продуктов дожига отходящих газов и твердых продуктов фильтрации, образующихся в устройстве для дожигания отходящих газов и рукавном фильтре и представляющих собой немонолитные сыпучие материалы, непригодные для долгосрочного хранения;
- невысокая производительность, связанная с пониженной производительностью рукавного фильтра;
- пониженная надежность, связанная с возможностью нарушения целостности фильтрующих элементов рукавного фильтра.

Преимуществами установки для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов являются снижение ее габаритов, повышение качества твердых продуктов дожигания и фильтрации отходящих газов, а также повышение производительности и надежности ее работы.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемая установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов содержит последовательно соединенные плазменную шахтную печь, содержащую узел выгрузки конечного продукта, состоящий из двух сливных устройств с приемными контейнерами, устройство для дожигания отходящих газов, снабженное выпускным отверстием, фильтр, скруббер и емкость, которая в свою очередь соединена с газосбросной магистралью и через теплообменник со скруббером.

Фильтр состоит из соединенных между собой металлических высокотемпературной и низкотемпературной секций, снабженных форсункой и охлаждающей рубашкой, окружающей высокотемпературную секцию. Внутренняя поверхность высокотемпературной секции футерована слоем огнеупорного материала. Внутри высокотемпературной и низкотемпературной секций расположены образованные перфорированными экранами высокотемпературной и низкотемпературной секций и подвижным слоем фильтрующих материалов между ними фильтровальные перегородки высокотемпературной и низкотемпературной секций, причем вход и выход перфорированных экранов высокотемпературной секции, а также вход и выход перфорированных экранов низкотемпературной секции соединены между собой циркуляционными магистралями.

Фильтр содержит два выгрузочных бункера, один из которых представляет собой выгрузочный бункер высокотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам высокотемпературной секции, а второй - выгрузочный бункер низкотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам низкотемпературной секции, перфорированные экраны высокотемпературной секции выполнены из огнеупорного материала, низкотемпературной секции - из стали, в качестве фильтрующего материала высокотемпературной секции используют гранулированный алюмосиликат, а низкотемпературной секции - гранулированный кислотоулавливающий материал (гранулированную марганцевую руду, или гранулированную смесь алюмосиликата с соединениями кальция, представляющими собой окись кальция, или гидроокись кальция, или карбонат кальция). Устройство для дожигания отходящих газов соединено с фильтром, а своим выпускным отверстием - с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, фильтр своими выгрузочным бункером высокотемпературной секции и выгрузочным бункером низкотемпературной секции также соединен с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, а охлаждающая рубашка фильтра соединена с газосбросной магистралью.

Заявляемая установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов
- имеет гораздо меньшие габариты по сравнению с установкой наиболее близкого аналога за счет того, что вместо системы охлаждения, соединенной с рукавным фильтром и теплообменником, в ней установлен фильтр вышеуказанной конструкции;
- обеспечивает повышение качества получаемых твердых продуктов дожигания отходящих газов и твердых продуктов их фильтрации за счет их перевода плавлением в монолитное состояние, вследствие того, что устройство для дожигания отходящих газов своим выпускным отверстием, а также фильтр через выгрузочный бункер высокотемпературной секции и выгрузочный бункер низкотемпературной секции соединены с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи;
- обладает более высокой производительностью и надежностью по сравнению с установкой наиболее близкого аналога, обусловленной более высокой производительностью и надежностью фильтра вышеуказанной конструкции по сравнению с рукавным фильтром.

Установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1.

Фильтр иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 2.

Установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов состоит из плазменной шахтной печи 1 с узлом 2 выгрузки конечного продукта, содержащим приемные контейнеры 3, устройства 4 для дожигания отходящих газов, фильтра 5, скруббера 6, емкости 7, теплообменника 8 и газосбросной магистрали 9.

Фильтр 5 состоит из высокотемпературной секции 10, слоя 11 огнеупорного материала, фильтровальной перегородки 12 высокотемпературной секции, состоящей из перфорированных экранов 13 высокотемпературной секции и слоя 14 фильтрующего материала высокотемпературной секции, циркуляционной магистрали 15 высокотемпературной секции, низкотемпературной секции 16, фильтровальной перегородки 17 низкотемпературной секции, состоящей из перфорированных экранов 18 низкотемпературной секции и слоя 19 фильтрующего материала низкотемпературной секции, циркуляционной магистрали 20 низкотемпературной секции, вибросит 21, форсунки 22, выгрузочного бункера 23 высокотемпературной секции, выгрузочного бункера 24 низкотемпературной секции и охлаждающей рубашки 25.

Отличительными признаками заявляемой установки для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов является то, что
- в ней в качестве фильтра используют фильтр, состоящий из соединенных между собой металлических высокотемпературной и низкотемпературной секций, снабженных форсункой и охлаждающей рубашкой, окружающей высокотемпературную секцию, внутренняя поверхность высокотемпературной секции футерована слоем огнеупорного материала, внутри высокотемпературной и низкотемпературной секций расположены образованные перфорированными экранами высокотемпературной и низкотемпературной секций и подвижными слоями фильтрующих материалов между ними фильтровальные перегородки высокотемпературной и низкотемпературной секций, причем вход и выход перфорированных экранов высокотемпературной секции, а также вход и выход перфорированных экранов низкотемпературной секции соединены между собой циркуляционными магистралями высокотемпературной и низкотемпературной секций, фильтр дополнительно содержит второй выгрузочный бункер, один из которых представляет собой выгрузочный бункер высокотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам высокотемпературной секции, а второй - выгрузочный бункер низкотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам низкотемпературной секции, перфорированные экраны высокотемпературной секции выполнены из огнеупорного материала, низкотемпературной секции - из стали, в качестве фильтрующего материала высокотемпературной секции используют гранулированный алюмосиликат, а низкотемпературной секции - гранулированный кислотоулавливающий материал (гранулированную марганцевую руду или гранулированную смесь алюмосиликата с соединениями кальция, представляющими собой окись кальция, или гидроокись кальция, или карбонат кальция);
- устройство для дожигания отходящих газов соединено с фильтром, а своим выпускным отверстием - с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, фильтр своими выгрузочным бункером высокотемпературной секции и выгрузочным бункером низкотемпературной секции также соединен с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, а охлаждающая рубашка фильтра соединена с газосбросной магистралью.

Заявляемая установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов работают следующим образом.

После вывода плазменной шахтной печи 1 на рабочий режим в нее загружают упаковки с радиоактивными и токсичными отходами в контейнерах из полипропилена, полиэтилена или картона, причем уровень заполнения плазменной шахтной печи 1 отходами поддерживают в процессе ее работы постоянным.

По мере работы плазменной шахтной печи 1 происходит сгорание радиоактивных и токсичных отходов и плавление шлака, концентрирующего в себе основную часть радионуклидов и токсичных элементов. Образующиеся в плазменной шахтной печи 1 отходящие газы поступают в устройство 4 для дожигания отходящих газов, где они подвергаются дожиганию, после чего газообразные продукты дожигания из устройства 4 для дожигания отходящих газов поступают в фильтр 5, причем перед их поступлением в фильтр 5 в нем включают форсунку 22, а в охлаждающую рубашку 25 подают охлаждающий воздух.

В фильтре 5 газообразные продукты дожигания сначала поступают в высокотемпературную секцию 10, футерованную слоем огнеупорного материала 11, где происходит первая стадия их очистки на фильтровальной перегородке 12 высокотемпературной секции, состоящей из перфорированных экранов 13 высокотемпературной секции и слоя 14 фильтрующего материала высокотемпературной секции (слоя гранулированного алюмосиликата), который движется по замкнутому контуру, образованному перфорированными экранами 13 высокотемпературной секции и циркуляционной магистралью 15 высокотемпературной секции.

На этой стадии очистки газообразные продукты дожигания очищаются от летучих радиоактивных и токсичных соединений, а также от летучих твердых продуктов дожигания отходящих газов, причем охлаждение высокотемпературной секции 10 фильтра 5 путем подачи охлаждающего воздуха в охлаждающую рубашку 25 предотвращает его термическую коррозию. Затем в очищенные в высокотемпературной секции 10 газообразные продукты дожигания с помощью форсунки 22 впрыскивают распыленную охлаждающую жидкость, обеспечивающую снижение их температуры и конденсацию проскочивших через слой фильтрующего материала высокотемпературной секции паров летучих токсичных соединений, после чего охлажденные газообразные продукты дожигания поступают в низкотемпературную секцию 16, где подвергаются второй стадии очистки на фильтровальной перегородке 17 низкотемпературной секции, состоящей из перфорированных экранов 18 низкотемпературной секции и слоя 19 фильтрующего материала низкотемпературной секции (слоя гранулированного кислотоулавливающего материала, в качестве которого используют гранулированную марганцевую руду или гранулированную смесь алюмосиликата с соединениями кальция, представляющими собой окись кальция, или гидроокись кальция, или карбонат кальция), который движется по замкнутому контуру, образованному перфорированными экранами 18 низкотемпературной секции и циркуляционной магистралью 20 низкотемпературной секции. На этой стадии очистки газообразные продукты дожига доочищаются от радионуклидов и токсичных компонентов, а также подвергаются очистке от кислых газообразных летучих соединений.

Из фильтра 5 очищенные от радионуклидов, токсичных и кислых компонентов отходящие газы поступают в скруббер 6, где они окончательно доочищаются от кислых газов. Орошающий раствор скруббера 6, представляющий собой раствор натриевой щелочи с pH 8 - 10 и температурой 45 - 50^oC, подается в него из емкости 7 через теплообменник 8, причем в процессе работы отработанная часть орошающего раствора удаляется из емкости 7 в промканализацию, а образующийся дефицит орошающего раствора восполняется вводом в емкость 7 свежей натриевой щелочи и воды.

Очищенные газы из скруббера 6 вместе с орошающим раствором поступают в емкость 7, где разделяются, после чего отделенные очищенные газы поступают в газосбросную магистраль 9, в которой они смешиваются с горячим воздухом, выходящим из охлаждающей рубашки 25 (для предотвращения возможной конденсации водяных паров), и сбрасываются в атмосферу.

Твердые продукты фильтрации фильтра 5 через выгрузочный бункер 23 высокотемпературной секции и выгрузочный бункер 24 низкотемпературной секции, а также твердые нелетучие продукты дожигания отходящих газов из устройства 4 для дожигания отходящих газов через его выпускное отверстие пневмотранспортом по трубопроводным магистралям подают в узел выгрузки 2 конечного продукта плазменной шахтной печи 1, где они в приемных контейнерах 3 плавятся, смешиваясь с выгружаемым в них шлаковым расплавом, причем выгрузку твердых продуктов фильтрации фильтра 5 осуществляют с помощью вибросит 21. После заполнения приемных емкостей 3 их отправляют на охлаждение, а на их место устанавливают новые пустые приемные емкости 3.

Испытания показали, что заявляемая установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов
- имеет габаритные размеры в 1,5 раза меньшие по сравнению с установкой наиболее близкого аналога;
- позволяет получить твердые продукты дожигания отходящих газов, образующиеся в устройстве для дожигания отходящих газов, и твердые продукты фильтрации, образующиеся в фильтре в форме монолитных материалов, пригодных для долгосрочного хранения;
- обладает более высокой надежностью по сравнению с установкой наиболее близкого аналога и превышает ее производительность в 1,2 - 1,4 раза;
- может быть использована в промышленных условиях, из чего следует, что она обладает промышленной применимостью.

Источники информации
1. Соболев И.А., Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 27 - 28.

2. Соболев И.А., Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 28 - 29.

3. Патент РФ N 2107347, МКИ⁶ G 21 F 9/32, оп. в Бюл. N 8, 1998.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968, с. 333 - 334.

Сущность изобретения: устройство содержит плазменную шахтную печь 1 с узлом выгрузки конечного продукта 2, состоящим из двух сливных устройств с приемными контейнерами 3, устройство для дожигания отходящих газов 4, которое соединено с фильтром 5 и своим выпускным отверстием - с узлом выгрузки конечного продукта 2. Фильтр 5 состоит из соединенных между собой металлических высокотемпературной и низкотемпературной секций и имеет два выгрузочных бункера, которые также соединены с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи 2. Фильтр 5 последовательно соединен со скруббером 6 и емкостью 7, которая соединена с газосбросной магистралью 9 и через теплообменник 8 - со скруббером 6. Преимуществами изобретения являются снижение габаритов установки, повышение качества твердых продуктов дожигания и фильтрации отходящих газов, а также повышение производительности и надежности работы. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Установка для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов, включающая содержащую узел выгрузки конечного продукта с приемными контейнерами плазменную шахтную печь, соединенную со снабженным выпускным отверстием устройством для дожигания отходящих газов, а также фильтр, последовательно соединенный со скруббером и емкостью, которая, в свою очередь, соединена с газосбросной магистралью и через - теплообменник со скруббером, отличающаяся тем, что фильтр состоит из соединенных между собой металлических высокотемпературной и низкотемпературной секций, снабженных форсункой и охлаждающей рубашкой, окружающей высокотемпературную секцию, внутренняя поверхность высокотемпературной секции футерована слоем огнеупорного материала, внутри высокотемпературной и низкотемпературной секций расположены образованные перфорированными экранами высокотемпературной и низкотемпературной секций и подвижными слоями фильтрующих материалов между ними, фильтровальные перегородки высокотемпературной и низкотемпературной секций, причем вход и выход перфорированных экранов высокотемпературной секции, а также вход и выход перфорированных экранов низкотемпературной секции соединены между собой циркуляционными магистралями высокотемпературной и низкотемпературной секций, фильтр дополнительно содержит второй выгрузочный бункер, один из которых представляет собой выгрузочный бункер высокотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам высокотемпературной секции, а второй - выгрузочный бункер низкотемпературной секции, подсоединенный через вибросито к перфорированным экранам низкотемпературной секции, перфорированные экраны высокотемпературной секции выполнены из огнеупорного материала, низкотемпературной секции - из стали, в качестве фильтрующего материала высокотемпературной секции используют гранулированный алюмосиликат, а низкотемпературной секции - гранулированный кислотоулавливающий материал, причем устройство для дожигания отходящих газов соединено с фильтром, а своим выпускным отверстием - с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, фильтр своими выгрузочным бункером высокотемпературной секции и выгрузочным бункером низкотемпературной секции также соединен с узлом выгрузки конечного продукта плазменной шахтной печи, а охлаждающая рубашка фильтра соединена с газосбросной магистралью. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве гранулированного кислотоулавливающего материала используют гранулированную марганцевую руду или смесь алюмосиликата с соединениями кальция, представляющими собой окись кальция, или гидроокись кальция, или карбонат кальция.