СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G21F9/30 

Группа изобретений относится к атомной и металлургической промышленности и может быть использована при переработке металлических отходов, в частности радиоактивных металлических отходов.

Известен способ обработки радиоактивных несортированных отходов низкого и среднего уровня активности в плазменной шахтной печи, в котором отходы загружаются сверху в шахту, опускаясь вниз, проходят последовательно зоны сушки, пиролиза, сжигания и шлакообразования. Образующийся шлак сливается в контейнеры и после отверждения и отжига направляется на захоронение. Содержащиеся в общей массе отходов металлические отходы при этом попадают в контейнер в виде металлошлакового композита. Образующиеся отходящие газы, поднимаясь 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 (см. С.А. Дмитриев, С.В.Стефановский, И.А.Князев, Ф.А.Лифанов. Плазмохимическая переработка твердых радиоактивных отходов. // Физика и химия обработки материалов. - 1993, - №4, - С 65-73).

Известно устройство, описанное в этом же источнике, в котором осуществляется данный способ, представляющее собой плазменную шахтную печь, включающую загрузочное устройство, шахту, наклонную подину, устройство контейнерного шлакообразования, плазменные генераторы и устройство подвода окислителя, камеру дожигания, систему охлаждения и очистки газов.

К причинам, препятствующим получению указанного ниже технического результата при использовании известного способа и устройства, относится то, что в известном способе ценный металл не возвращается в хозяйственный оборот, безвозвратно теряясь в виде шлака - радиоактивного продукта.

Наиболее близким способом и устройством для его осуществления того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ обработки радиоактивных металлических отходов и печь для его осуществления, включающий плавку металлических отходов в присутствии рафинирующего шлака с погружением загружаемых металлических отходов в расплав на подину печи. В качестве источника нагрева используется углеродное топливо (уголь, газ, мазут). Для сгорания топлива через дутьевые устройства вводится воздух или кислородно-воздушная смесь. Очищаемый металл непрерывно контактирует с перегретым шлаком, содержащим уголь, радиоактивные примеси и кислородно-воздушную смесь (см. Патент РФ №2148865, кл. G 21 F 9/30).

К причинам, препятствующим достижению указанного результата при использовании способа и устройства печи, следует отнести совмещение зоны нагрева шлака, плавления и разделения шлака, что вызывает постоянное контактирование содержащего радионуклиды шлака и очищенного металла. Газо-насыщенный поток шлака при этом может изменить состав очищаемого металла по ценным нерадиоактивным компонентам (например, титану, хрому, железу).

За счет использования углеродного топлива для нагрева шлака может происходить науглероживание и газонасыщение перерабатываемого металла, что приводит к невозможности повторного использования перерабатываемого металла без дополнительных металлургических переделов.

Загрузка металлических отходов без ограничительной перфорированной решетки позволяет проскакивать металлическим отходам в расплав металла, что снижает эффективность его дезактивации за счет исключения процесса плавления без контакта со шлаком.

Имеет место повышение тепловых потерь в конструкции прототипа за счет охлаждения шлака в газлифтном устройстве. При этом необходимо значительно перегревать шлак для сохранения температурного режима расплава металла, что, в свою очередь, повышает износ футеровочных материалов и расход топлива.

Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является повышение производительности и непрерывности процесса переработки металлических отходов, эффективности дезактивации радиоактивных металлических отходов, а также снижение эксплуатационных затрат.

Технический результат - исключение постоянного контактирования очищенного металла и шлака, содержащего радионуклиды, исключение науглероживания очищаемого металла, кроме того, обеспечение повторного использования перерабатываемого металла без дополнительных металлургических переделов, а также снижение тепловых потерь.

Указанный единый технический результат при осуществлении данной группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе переработки металлических (в том числе радиоактивных) отходов, включающем плавку металлических отходов под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака с последующим отделением шлака от расплавленного металла, обезвреживание, очистку и отвод газов, отличительной особенностью является то, что плавку металлических отходов ведут в присутствии рафинированных шлаков на перфорированной перегородке в специально выделенной зоне плавления.

Кроме того, особенность способа заключается в том, что для поддержания требуемой температуры шлака используется электродуговой нагрев и в газо-воздушную смесь вводятся вспомогательные окислительно-восстановительные добавки, способствующие поддержанию концентрации ценных компонентов, а также очистке металлов от примесей, в том числе и радиоактивных.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что в известной печи для переработки металлических отходов (в том числе и радиоактивных), включающей рабочую камеру, приспособление для загрузки металлических отходов, устройство для газоотвода, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом, отличительной особенностью является то, что рабочая камера печи содержит специально выгороженные зоны: зону нагрева шлака, зону транспортировки шлака и зону плавления металлических отходов, причем последняя снабжена горизонтальной перфорированной перегородкой.

Кроме того, особенность предлагаемой печи заключается в том, что зоны плавления и транспортировки выполнены съемными с возможностью их дистанционной замены, а зона нагрева шлака снабжена кессонированными элементами.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - печь для переработки металлических (в том числе и радиоактивных) отходов - предназначена для осуществления другого заявленного объекта группы способа переработки металлических отходов (в том числе радиоактивных).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников информации, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта-способа, так и для объекта-печи для его осуществления, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для печи заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам как способа, так и печи заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и для устройства (печи), как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипом признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку заявителем не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата.

На чертеже представлено устройство в заявленной группе изобретений, представляющее собой печь для переработки металлических отходов (в том числе и радиоактивных).

Печь состоит из рабочей камеры, которая разделена на зону нагрева шлака А, зону плавления металлических отходов Б и зону транспортировки шлака В из зоны плавления Б в зону нагрева А. Зона нагрева шлака А представляет собой электродуговую печь 1 с графитовыми электродами 2. Печь отделена перегородками 3 и 4. Зона нагрева А оснащена газоходом 5 для удаления печных газов и загрузки шлака и сливным каналом 6.

Зона плавления Б включает бункер 7 для подачи исходных металлических отходов, газоход 8 для удаления газов, перфорированную перегородку 9, зону разделения шлака и металла 10 и сливной канал 16 для очищенного металла.

Зона транспортировки В отделена от зоны плавления Б перегородкой 12 и состоит из газлифтного устройства 13, содержащего водоохлаждаемую трубу 14 с дутьевыми устройствами 15, газоотводящий канал 16 и сливной канал 17 для шлака.

Применение модульного исполнения зон плавления и транспортировки в случае переработки радиоактивных металлических отходов позволяет производить дистанционную замену отработавшей камеры.

Печь работает следующим образом.

Шлак расплавляется и нагревается до требуемой температуры в электродуговой печи 1 зоны плавления Б и перетекает через перегородку 18 в зону плавления Б, где на перфорированную перегородку 9 подаются металлические отходы, которые оплавляются, омываются перегретым шлаком и стекают в зону разделения шлака и металла 10.

При этом происходит удаление радионуклидов и других вредных примесей. Очищенный металл непрерывно или периодически удаляется через сливной канал 11, а шлак с примесями переливается через перегородку 12 в зону транспортировки В. В камере транспортировки при подаче вспомогательного газа, содержащего окислительно-восстановительные добавки или без них, происходит образование парожидкостной эмульсии шлака, которая перекачивается в камеру нагрева шлака. Отделившиеся нерастворенные в шлаке газы улетучиваются через газоотводящий канал 16. После многократного циркулирования шлака и накопления в нем установленного уровня радиоактивных или других вредных примесей шлак удаляется через сливной канал 17.

При отводе отходящих газов из печи через газоотводы 5, 8, 16 производится раздельная газоочистка и обезвреживание газов, что снижает удельные затраты на переработку отходов.

Расход электроэнергии на проведение процесса составляет 650-800 кВт·ч/т переплавляемых металлических отходов.

Окислительно-восстановительные добавки, вводимые в шлак в камере транспортировки, предназначены для регулирования окислительно-восстановительного потенциала в системе шлак - металл и способствуют сохранению макросостава перерабатываемых отходов по ценным компонентам и улучшению очистки металла от примесей.

Пример. На переработку в печь предлагаемым способом поступают радиоактивные металлические отходы низкого и среднего уровня активности, представляющие собой куски нержавеющей стали с температурой плавления около 1460°С.

В камеру нагрева подается измельченный шлак и небольшое количество стружки из нержавеющей стали той же марки, что и очищаемый металл, для инициирования процесса плавления шлака. После получении жидкого шлака требуемой температуры в количестве, достаточном для осуществления перелива его в камеру плавления и начала циркулирования шлака через камеру транспортировки, начинают подавать газовую аргоно-воздушную смесь через дутьевые устройства с интенсивностью дутья 100-120 нм³/(м²·мин). После установления непрерывного режима циркулирования начинают подавать в камеру плавления металлические отходы. Причем скорость подачи отходов определяется опытным путем так, чтобы происходило оплавление и стекание металла через перфорированную перегородку и не образовывалась пробка из непроплавленного металла на перфорированной перегородке.

Очищенный металл и шлак после накопления определенного количества примесей выводятся раздельно через сливные отверстия периодически или непрерывно.

После осуществления пробоотбора очищенного металла и установления отклонения содержания ценных компонентов или примесей от заданного значения изменяют состав газовой смеси, подаваемой в дутьевые устройства.

Так, если обнаружено повышенное содержание радиоактивных примесей в очищенном металле, повышают концентрацию окислителя (например, кислорода) в смеси.

Удельный расход электроэнергии на переплав 1 т металлических отходов из нержавеющей стали составляет 650-800 кВт·ч.

Расход шлака на 1 т металлических отходов составляет 20-60 кг. Удельная производительность печи по металлическим отходам 170-220 т/(м²·сут).

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявленной группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для переработки металлических отходов металлургической промышленности и атомной промышленности, в частности для переработки радиоактивных металлических отходов;

- для заявленной группы изобретений в том виде, как она охарактеризована в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке методов и средств.

Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”

Группа изобретений относится к методам дезактивации загрязненных радионуклидами металлических отходов. Сущность изобретения: способ переработки металлических, в том числе радиоактивных отходов включает плавку отходов под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака. Затем отделяют шлак от расплавленного металла, обезвреживают и осуществляют отвод газов. Плавку металлических отходов ведут в специально выгороженной зоне на перфорированной перегородке в присутствии шлака, рафинированного за счет подаваемой в дутьевые устройства воздушно-газовой смеси, которая содержит окислительно-восстановительные добавки. Печь для переработки металлических отходов включает рабочую камеру, бункер для загрузки металлических отходов, устройство для отвода газов, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом. При этом рабочая камера печи содержит специально выгороженные зоны: зону нагрева шлака, зону транспортировки шлака и зону плавления металлических отходов, которая снабжена перфорированной перегородкой. Преимущества изобретения заключаются в повышении производительности и непрерывности процесса переработки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки металлических, в том числе радиоактивных, отходов, включающий плавку металлических отходов расплавом циркулирующего рафинирующего шлака под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока перегретого в газлифтном потоке шлака с последующим отделением шлака от расплавленного металла, обезвреживание, очистку и отвод газов, отличающийся тем, что плавку металлических отходов ведут в специально выгороженной зоне на перфорированной перегородке в присутствии шлака, рафинированного за счет подаваемой в дутьевые устройства воздушно-газовой смеси, которая содержит окислительно-восстановительные добавки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавку осуществляют электродуговым способом.3. Печь для переработки металлических отходов, включающая рабочую камеру, бункер для загрузки металлических отходов, устройство для газоотвода, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом, отличающаяся тем, что рабочая камера печи содержит специально выгороженные зоны: зону нагрева шлака, зону транспортировки шлака и зону плавления металлических отходов, которая снабжена перфорированной перегородкой.4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что зоны плавления и транспортировки выполнены съемными с возможностью их дистанционной замены.5. Печь по п.4, отличающаяся тем, что зона нагрева шлака снабжена кессонированными элементами.