СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА НА ОСНОВЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2003 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем их фиксации в устойчивой твердой среде. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть реализовано при приготовлении цементного раствора для заливки или пропитки им твердых РАО, помещенных в контейнеры или находящихся в специальных хранилищах. В качестве жидкой фазы для приготовления цементного раствора при цементировании твердых РАО с использованием заявляемого устройства на ряду с водой возможно использование гомогенных жидких РАО (протечки, растворы от регенерации, дезактивации, отходы атомных электростанций и радиохимических производств). Кроме того, заявляемое смесительное устройство может быть рекомендовано для использования на установках цементирования РАО периодического действия, в которых предполагается порционная подача требуемых твердых компонентов в устройство для приготовления цементного раствора (например, с помощью шнековых питателей или шлюзовых питателей) при малых скоростях вращения перемешивающего устройства (до 200 об/мин).

Известен способ отверждения радиоактивных жидкостей и суспензий, содержащих бораты, включающий приготовление цементного раствора на основе цемента, гашеной извести, ЖРО и, в случае необходимости, других добавок (жидкое стекло, кизельгур, кремневая или фосфорная кислоты). Способ реализуется на установке, включающей в себя смесительное устройство, в состав которого входят смесительная емкость объемом 0,5 м³; основная мешалка, служащая для перемешивания цементного раствора в объеме смесительной емкости; дополнительная мешалка, служащая для перемешивания твердых компонентов раствора на поверхности приготовляемого цементного раствора; узел выгрузки цементного раствора. Приготовление цементного раствора на установке заключается в подаче в смесительное устройство ЖРО, гашеной извести и добавок, гомогенизации смеси, после чего производится подача в смесительное устройство с помощью шнекового конвейера цемента. Цементный раствор после гомогенизации через узел выгрузки подается в приемный контейнер (1).

Недостатками известного смесительного устройства являются его пониженная надежность работы, связанная с повышенным загрязнением крышки смесительного устройства и возможностью быстрого налипания цементного раствора на стенки смесителя, повышенное энергопотребление и стоимость смесителя, связанные с использованием двух перемешивающих устройств.

Известно устройство для перемешивания коллоидальной суспензии, в том числе и для перемешивания цементного раствора с целью иммобилизации РАО, состоящее из цилиндрического резервуара, вертикальной 2-х скоростной мешалки с лопастями и устройства слива суспензии из резервуара. При большой скорости вращения мешалка вызывает наружное радиальное смещение перемешивающей среды и образует вихревую воронку, которая позволяет хорошо перемешать приготовляемую суспензию, а при низкой скорости поддерживается подвижность приготовленной суспензии. Выгрузка суспензии осуществляется через устройство слива. При переработке РАО, перемещаясь по трубопроводу, перемешанный в устройстве цементный раствор подается в контейнер с твердыми РАО, расположенный на вибрирующей площадке (2).

Недостатком известного устройства является то, что в случае применения его для приготовления цементного раствора для иммобилизации РАО при большой скорости вращения мешалки возможно быстрое налипание цементного раствора на стенки резервуара, а при маленьких скоростях возможна плохая гомогенизация раствора, а также понижение качества цементного раствора за счет не полного перемешивания поступающего в резервуар цемента.

Известна установка для цементирования РАО с перемешиванием в смесителе периодического действия, включающая в себя бункер цемента, сосуд кубового остатка РАО, шнековый питатель, смеситель, представляющий собой емкость с быстроходной лопастной мешалкой и сливным устройством (шланговым затвором), бетонный контейнер на тележке и систему газоочистки. Приготовление цементного раствора на установке заключается в подаче жидких отходов и цемента в смеситель и их перемешивании с помощью лопастной быстроходной мешалки. Подача цемента в смеситель в силу конструкционных особенностей шнекового питателя осуществляется порциями. После полной гомогенизации при работающей мешалке через шланговый затвор осуществляется выгрузка радиоактивного цементного раствора в контейнер, который на тележке направляют в хранилище (3).

Недостатками смесителя, входящего в состав известного устройства, являются пониженная производительность, связанная с длительностью единичного цикла гомогенизации кубового остатка РАО и цемента из-за низкой перемешивающей способности лопастной мешалки, пониженная надежность работы, связанная с возможностью забивки и схватывания цементного раствора в месте входа цемента в смеситель, и пониженное качество конечного продукта (цементного камня), связанное с неравномерностью свойств по его объему из-за низкой перемешивающей способности данной конструкции мешалки и возможности неполного перемешивания поступающего в смеситель цемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является смесительный узел для приготовления цементного раствора, входящий в состав устройства для цементирования жидких РАО. Смесительный узел состоит из герметичной емкости, включающей расположенную на вертикальном валу мешалку, патрубки входа цемента, твердых добавок, жидких РАО и циркулирующего цементного раствора, кроме того, смесительный узел содержит вихревой аппарат, циркуляционную магистраль, включающую в себя вентиль и насос, и сливное устройство, расположенное в нижней части смесительного устройства.

Известный смесительный узел работает следующим образом. Жидкие РАО, с введенными в них жидкими добавками (пластификаторами цемента), при включенной мешалке герметичной емкости и вихревом аппарате, открытом вентиле циркуляционной магистрали и выключенном насосе подают в герметичную емкость до заполнения рабочего объема смесительного узла. После заполнения рабочего объема смесительного узла включают насос и перемешивают жидкие РАО с помощью мешалки емкости, вихревого слоя вихревого аппарата, а также за счет циркуляции по циркуляционной магистрали. В перемешиваемые жидкие РАО через соответствующие патрубки герметичной емкости дозируют цемент и твердые добавки; образующуюся смесь перемешивают до полной гомогенизации, далее выключают насос и закрывают вентиль, после чего осуществляют выгрузку готового цементного раствора через сливное устройство (4).

Недостатками известного смесительного устройства являются:
- пониженная производительность смесительного устройства, связанная с длительностью единичного цикла гомогенизации ЖРО, цемента и твердых добавок из-за наличия дополнительных устройств для перемешивания (вихревой аппарат, циркуляционная магистраль);
- пониженная надежность работы смесительного устройства, связанная с тем, что, в силу своих конструкционных особенностей в смесительном устройстве могут образовываться застойные зоны, а также связанная с повышенным загрязнением крышки смесительного устройства из-за циркуляции раствора и с возможностью быстрого налипания цементного раствора и неперемешанного цемента на стенки смесителя, причем результатом этого будет остановка работы всей установки;
- повышенное энергопотребление и сложность конструкции, связанная с наличием нескольких энергопотребляющих устройств (мешалка, вихревой аппарат, насос).

Технической задачей предлагаемого технического решения является:
-повышение производительности устройства;
- повышение надежности работы устройства;
- пониженное энергопотребление и упрощение конструкции.

Указанная техническая задача решается за счет того, что заявляемое смесительное устройство представляет собой герметичную емкость, включающую расположенную на вертикальном валу мешалку, патрубки входа цемента, твердых добавок, воды или жидких РАО, дезактивирующего раствора, а также сливное устройство, расположенное в нижней части указанной герметичной емкости, вышеупомянутая мешалка герметичной емкости выполнена в виде пропеллера, расположенного стационарно в нижней части герметичной емкости, и, кроме того, на этом же вертикальном валу установлена дополнительная мешалка с подвижным крепежным устройством, помимо того, герметичная емкость содержит дополнительный патрубок для ввода дезактивирующего раствора.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что мешалка герметичной емкости выполнена в виде пропеллера, расположенного стационарно в нижней части герметичной емкости, и, кроме того, на этом же вертикальном валу установлена дополнительная мешалка с подвижным крепежным устройством; помимо того, герметичная емкость содержит дополнительный патрубок для ввода дезактивирующего раствора.

Пропеллерная мешалка является основным перемешивающим устройством. При работе она создает преимущественно осевые потоки перемешивающей среды и, как следствие этого, - большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания по сравнению с другими перемешивающими устройствами (например, лопастными или винтовыми мешалками). Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер - устройство с тремя фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта, и расположенное на дне герметичной емкости.

Дополнительная мешалка является вспомогательным перемешивающим устройством. Основное ее предназначение - устранение комков цемента, образующихся на поверхности раствора при непрерывной подаче цемента и малых количествах оборотов вала мешалки (до 200 об/мин), и перемешивание их. Конструкция ее может представлять собой любой из известных типов мешалок, позволяющих устранять комки цемента и перемешивать приготовляемый цементный раствор. К таким типам можно отнести, например, лопастные и пропеллерные мешалки.

Крепежное устройство дополнительной мешалки к валу - подвижное. Оно позволяет перемещать и устанавливать мешалку на вертикальном валу таким образом, чтобы мешалка вращалась в области раздела фазы цементного раствора и воздушной фазы при требуемой на один замес загрузке герметичной емкости. Подвижное крепежное устройство вспомогательной мешалки позволяет эффективно использовать ее при разных объемах приготовляемого цементного раствора.

Привод мешалок размещен на крышке смесителя. Соединение патрубков с подводящими трубопроводами воды или жидких РАО, цемента, твердых добавок и дезактивирующего раствора - фланцевое. Сливное устройство выполнено в виде шлангового затвора.

Сущность заявляемого устройства иллюстрируется чертежом.

Устройство состоит из герметичной емкости 1, привода мешалок 2, вала 3, пропеллерной мешалки 4, дополнительной мешалки 5, патрубка входа цемента 6 в герметичную емкость 1, патрубка входа жидких РАО 7 в герметичную емкость 1, патрубка входа твердых добавок 8 в герметичную емкость 1, сливного устройства 9, патрубка для ввода дезактивирующего раствора 10 в герметичную емкость 1 и крепежного устройства 11 дополнительной мешалки 5.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы, исходя из предполагаемого рабочего объема одного замеса цементного раствора и объема герметичной емкости 1, выставляют с помощью крепежного устройства 11 дополнительную мешалку 5 таким образом, чтобы мешалка вращалась в области раздела фазы цементного раствора и воздушной фазы. В герметичную емкость 1 через патрубок входа жидких РАО 7 подают требуемое количество воды или жидких РАО, после чего включают привод мешалок 2. Вращение через вал 3 перемешивающего устройства передается на пропеллерную мешалку 4 и дополнительную мешалку 5. Далее начинают подачу цемента в герметичную емкость 1 через патрубок входа цемента 6. Цемент, попадая в герметичной емкости 1 на поверхность жидкой фазы, захватывается дополнительной мешалкой 5 и осевыми потоками, образуемыми пропеллерной мешалкой 4, и перемешивается. Таким образом, исключается образование застойных зон и комков из неперемешанного цемента на поверхности приготовляемого цементного раствора. В объеме цементного раствора перемешивание осуществляется за счет вращения пропеллерной мешалки 4, а на поверхности раствора - за счет вращения дополнительной мешалки 5. После подачи в герметичную емкость 1 всего требуемого количества цемента на один замес производят перемешивание цементного раствора в течениe 3-5 минут. Далее, при технологической необходимости, производят подачу твердых добавок в герметичную емкость 1 через патрубок входа твердых добавок 8, после чего цементный раствор перемешивают в течениe 2-3 минут и производят его выгрузку из герметичной емкости 1 через сливное устройство 9. После выгрузки цементного раствора в герметичную емкость 1 подают жидкие отходы и повторяют вышеописанный цикл необходимое количество раз. По окончании работ герметичную емкость 1 дезактивируют путем подачи через патрубок для ввода дезактивирующего раствора 10 специального раствора.

Испытания заявляемого смесительного устройства, проводимые с использованием мешалки лопастного типа в качестве дополнительной, показали, что:
- производительность заявляемого устройства за счет использования в качестве основного перемешивающего устройства пропеллерной мешалки, а вспомогательной - лопастной мешалки превышает производительность устройства согласно прототипу в 1,2 -1,4 раза;
- в процессе работы в течение 30 суток не наблюдалось образования в смесительном устройстве застойных зон, на поверхности приготовляемого цементного раствора - комков из неперемешанного цемента, а также остановки всего устройства вследствие невозможности перемешивания массы раствора;
- энергопотребление заявляемого устройства по сравнению с прототипом уменьшилось в 15 раз (потребляемая мощность заявляемого устройства составляет - 4,5 кВт, а прототипа - 67,5 кВт);
- по своему качеству получаемый на заявляемом устройстве конечный продукт, за счет использования вспомогательного перемешивающего устройства, позволяющего полностью гомогенизировать цемент, жидкие РАО и сыпучие добавки, не уступает конечному продукту, полученному на устройстве согласно прототипу, что подтверждалось равномерностью его прочностных характеристик и водоустойчивостью по всему объему.

Для изготовления предлагаемого устройства не требуется специального оборудования и материалов.

Источники информации
1. Патент ФРГ 2603116, G 21 F 9/16, заявл. 28.03.76.

2. Патент Великобритании 2196548-В, В 28 С 5/16, заявл. 09.10.87, 023792, опубл. 09.05.90-В.

3. Давыдов В.И., Костин В.В., Савин Л.Н., Брюханов А.Г., Симонов В.И., Добрыгин П.Г., Куликов В.А. "УСТАНОВКИ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ", Атомная энергия, т.79, вып.6, декабрь 1995, с. 430-431.

4. Патент России 2132095, G 21 F 9/16, заявл. 03.12.97, 97120065/25, опубл. 20.06.99, бюл. 17.

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов (РАО) методом отверждения. Сущность изобретения: смесительное устройство состоит из герметичной емкости 1, расположенной на вертикальном валу мешалки 4, выполненной в виде пропеллера, и дополнительной мешалки 5 с подвижным крепежным устройством 11. Устройство также снабжено патрубками входа цемента 6, твердых добавок 8, жидких радиоактивных отходов 7, а также сливным устройством 9, расположенным в нижней части герметичной емкости 1. Для ввода дезактивирующего раствора в герметичную емкость 1 предусмотрен патрубок 10. Преимущества изобретения заключаются в повышении производительности устройства, надежности работы, пониженном энергопотреблении и упрощении конструкции. 1 ил.

Смесительное устройство для приготовления цементного раствора на основе радиоактивных отходов, содержащее герметичную емкость, включающую расположенную на вертикальном валу мешалку, патрубки входа цемента, твердых добавок, жидких радиоактивных отходов, а также сливное устройство, расположенное в нижней части указанной герметичной емкости, отличающееся тем, что упомянутая мешалка герметичной емкости выполнена в виде пропеллера, расположенного стационарно в нижней части герметичной емкости, и, кроме того, на этом же вертикальном валу установлена дополнительная мешалка с подвижным крепежным устройством; помимо того, герметичная емкость содержит дополнительный патрубок для ввода дезактивирующего раствора.