УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Советский патент 1995 года по МПК G21F9/04 

Предлагаемое изобретение относится к области техники, занимающейся переработкой радиоактивных отходов. Оно касается усовершенствования установок сжигания жидких калорийных (горючих) радиоактивных отходов, образующихся в производстве ядерного топлива для АЭС.

Таким видом отходов является в основном отработанный экстрагент, представляющий собой раствор трибутилфосфата (ТБФ) в керосине, жидких парафинах и т.д.

С ростом количества действующих АЭС соответственно возрастает производство ядерного топлива и количество указанных отходов. Складирование и накопление отходов в баках создает угрозу загрязнения окружающей среды вследствие возможной их утечки.

Отходы необходимо переработать, так как они пожароопасны и, кроме того, содержат некоторое количество ядерного топлива, которое необходимо возвратить в производственный цикл.

Известен метод переработки жидких калорийных отходов путем сжигания в специальных установках. Сложность создания таких установок применительно к отработанному экстрагенту заключается в необходимости обеспечить требования ядерной безопасности и высокой надежности работы.

Первое требование обусловлено наличием в экстрагенте ядерного топлива. При сжигании экстрагента образуются твердые частицы, в которых и концентрируется ядерное топливо. Они могут накапливаться в установке и вызвать самопроизвольную цепную реакцию (СЦР), если составляющие установку аппараты выполнены не ядерно-безопасными или не предусмотрены меры, исключающие возможность накопления ядерного топлива.

Второе требование обусловлено образованием фосфорных кислот в процессе горения ТБФ, которые взаимодействуют с горячими частями установки и вызывают их интенсивное разрушение.

Известна установка для обезвреживания сжиганием жидких малозольных калорийных промышленных отходов, включающая оборудование подготовки и подачи отходов на сжигание, циклонную топку (печь), футерованную изнутри огнеупорным кирпичом, центробежные циклоны для отделения летучей золы, мокрый скруббер (теплообменник) для охлаждения и очистки дымовых газов. Сжигание ведут при избытке воздуха на горение 1,02-1,2 от стехиометрического.

Недостатком этой установки при сжигании отработанного экстрагента, содержащего радиоактивные вещества, является накопление футеровкой этих веществ и разрушение футеровки под действием соединений фосфора (фосфорные кислоты), образующихся в процессе горения. Кроме того, используемые аппараты очистки дымовых газов не обеспечивают ядерной безопасности и применены быть не могут. Это обстоятельство не позволяет судить об эффективности переработки (сжигания) жидких радиоактивных отходов.

Известна установка типа "Вихрь" для турбобарботажного сжигания жидких горючих отходов.

Установка включает расположенную вертикально кольцевую или цилиндрическую камеру сгорания с воздушной рубашкой для охлаждения камеры вторичным воздухом.

В нижней части камеры расположены устройства подвода топлива и первичного воздуха на горение. Через верхнюю часть камеры дымовые газы сбрасываются в атмосферу без очистки.

Коэффициент избытка воздуха, необходимый для устойчивости работы установки, равен 1,5-2.

Недостатком этой установки является образование при ее работе большого количества дымовых газов. Расход газа на газоочистное оборудование должен быть в 1,5-2 раза больше, чем в установке, описанной выше.

Сбрасывать в атмосферу дымовые газы, содержащие радиоактивные вещества, недопустимо. Отсутствие очистки дымовых газов на установке не позволяет использовать ее для сжигания отработанного экстрагента и произвести оценку эффективности ее работы.

Наиболее близким к заявляемой установке по технической сущности является установка для сжигания жидких радиоактивных отходов, содержащая вертикально расположенную печь, устройство для промывки дымовых газов и теплообменник.

Печь выполнена с вертикальным цилиндрическим корпусом с водяной рубашкой. В верхней части корпуса печи расположены форсунка подачи отходов и запальное устройство. Нижняя часть корпуса печи соединена газоходом с отстойником скруббера для промывки газа водой. Скруббер выполняет одновременно функцию теплообменника.

Недостатком известной установки является низкая надежность ее работы при сжигании отработанного экстрагента. Это обусловлено тем, что при сжигании ТБФ образуются водяной пар и оксид фосфора (Р₂О₅). Эти вещества взаимодействуют друг с другом при температуре около 800^оС, в результате чего образуется фосфорная кислота. Она присутствует в дымовых газах в виде пара и тумана с диаметром капель около 10^-7 м и массовой долей до 10 г/м³.

Пары кислоты и воды конденсируются на внутренней поверхности охлаждаемого корпуса печи, и конденсат (кислота) стекает в нижнюю часть корпуса, где расположен газоход, нагретый до температуры 600-800^оС дымовыми газами. Кислота соприкасается с раскаленным газоходом и интенсивно разрушает его.

Остановка по причине разрушения газохода становится неизбежной. Замена его в плановом порядке снижает количество переработанных отходов, т.е. уменьшает эффективность работы.

Другой недостаток заключается в возможности образования отложений в скруббере и развития СЦР, так как конструкция скруббера не является ядерно-безопасной.

Установка имеет значительные габариты вследствие ее компоновки из отдельных аппаратов, установленных в цепочку и соединены между собой газоходом.

Цель изобретения заключается в повышении эффективности работы установки, уменьшении габаритов при выполнении требований ядерной безопасности.

Поставленная цель достигается тем, что установка для сжигания жидких радиоактивных отходов, содержащая вертикально расположенную печь, теплообменник и устройство для промывки дымовых газов, дополнительно снабжена охватывающей печь перегородкой с охлаждающей рубашкой, верхняя часть перегородки выполнена цилиндрической с отверстиями для прохода дымовых газов, а нижняя конической, с трубой для слива жидкости, печь и перегородка вставлены в теплообменник с коническим дном, которое сообщается с устройством для промывки газов, выполненным в виде кольцевого бака с горизонтальной газораспределительной решеткой, причем печь, перегородка, теплообменник и кольцевой бак расположены коаксиально.

Такое выполнение установки позволяет предотвратить отложение твердых веществ из газа на поверхности теплообмена.

На фиг.1 показан схематически вертикальный разрез установки, а на фиг.2 поперечное сечение по А-А.

Установка (фиг. 1) включает вертикальную печь 1 цилиндрической формы с корпусом 2 и рубашкой 3. Нижние концы корпуса 2 и рубашки 3 соединены между собой, а верхние присоединены к фланцу 4. На фланец 4 установлена крышка 5 с форсункой подачи топлива и жидких радиоактивных отходов, устройством подачи воздуха на горение и запальным устройством (на фиг.1 и 2 не показаны).

Вертикальные перегородки 6 и 7 (фиг.2) присоединены вплотную к коpпусу 2, рубашке 3 и фланцу 4.

Нижние концы перегородок 6 и 7 не доходят до места соединения корпуса 2 с рубашкой 3, а образующийся между ними зазор (на фиг.1,2 не показан) предназначен для прохода охлаждающей воды.

К рубашке 3 верхней ее части присоединен фланец 8.

Печь 1 размещена коаксиально в теплообменнике 9 с корпусом 10 цилиндрической формы, фланцем 11 и коническим дном 12. Снаружи теплообменника 9 имеется рубашка 13, верхний конец которой присоединен к фланцу 11, а нижний к стакану 14. Стакан 14 имеет дно 15, а к боковой его поверхности присоединен патрубок 16.

Между печью 1 и теплообменником 9 расположена кольцевая перегородка 17 с фланцем 18, корпусом 19, конусом 20. Конус 20 соединен с трубой 21.

Перегородка 17 снабжена рубашкой 22, присоединенной к фланцу 18 и к вертикально расположенной стенке трубы 21.

Между корпусом 19 и рубашкой 22 вплотную к ним расположены вертикальные перегородки 23 и 24 (фиг. 2). Их верхний конец прилегает к фланцу 18, а нижний опущен примерно до середины конуса 20 (фиг.1).

К рубашке 22 в верхней ее части присоединен фланец 25, с помощью которого перегородка 17 крепится к фланцу 11 теплообменника 9.

В корпусе 19 и рубашке 22 выполнены отверстия "а", расположенные под фланцем 25.

Печь 1 с помощью фланца 8 крепится к фланцу 18 перегородки 17.

Рубашка 13 теплообменника 9 и рубашка 22 перегородки 17 в верхней части соединены трубой 26.

Рубашка 22 соединена трубой 27 с верхней частью рубашки 3 печи 1, а с противоположной стороны к рубашке 3 подсоединен патрубок 28.

Теплообменник 9 коаксиально размещен над устройством для промывки дымовых газов.

Устройство для промывки дымовых газов представляет собой кольцевой бак 29, образованный внутренней обечайкой 30, наружной обечайкой 31, к которым присоединено дно 32 и крышка 33. Внутри кольцевого бака 29 расположены горизонтальная газораспределительная кольцевая решетка 34 и трубы водяного холодильника 35 (патрубки подачи охлаждающей воды к холодильнику 35 и ее слива на фиг.1 и фиг.2 не показаны). Снаружи к обечайке 32 присоединено устройство (труба) 36 для слива промывной жидкости с патрубком 37. Емкость кольцевого бака 29 сообщена отверстием "б" с устройством (трубой) для слива жидкости 36. Отверстие "б" расположено примерно на уровне верхнего ряда труб водяного холодильника 35. Печь 1, перегородка 17, теплообменник 9 и кольцевой бак 29 расположены коаксиально.

К обечайке 31 в верхней ее части присоединен патрубок 38 для выхода газа.

Теплообменник 9 сообщен с кольцевым баком 29 газоходом 39, присоединенным к коническому дну 12 и внутренней обечайке 30 ниже распределительной решетки 34.

Газоход 39 имеет рубашку 40, которая присоединена к рубашке 13. Другой конец рубашки 40 пpимыкает вплотную к внутренней обечайке 30. К нему присоединен патрубок 41. Число газоходов 39 должно быть более одного. В описываемом варианте их установлено четыре.

Коническое дно 12 теплообменника 9 дополнительно соединено с емкостью кольцевого бака 29 трубой 42. Труба 42 проходит через дно 15 стакана 14 и присоединена одним концом к вершине конического дна 12, а другим к обечайке 30 ниже места присоединения газохода 39. В трубе 42 расположена труба 21, верхний конец которой соединен с перегородкой 17, а нижний конец трубы 21 расположен ниже уровня присоединения газохода 39 к обечайке 30.

Установка работает следующим образом.

В печь 1 подают через форсунку топливо, например керосин, а также воздух на горение и включают запальное устройство. Топливо загорается и установку разогревают до рабочей температуры. Затем через форсунку подают жидкие радиоактивные отходы, например отработанный экстрагент (трибутилфосфат с разбавителем), а подачу топлива прекращают.

При сгорании экстрагента образуются дымовые газы, включающие водяной пар и оксид фосфора.

В результате химической реакции оксида фосфора с водяным паром и последующего охлаждения получается тонкодисперсный туман фосфорных кислот.

Образующиеся при горении дымовые газы движутся вниз и выходят из печи 1 в кольцевое пространство между рубашкой 3 и корпусом 19 перегородки 17. Далее дымовые газы поднимаются и попадают через отверстия "а" в перегородке 17 в кольцевое пространство между корпусом 10 теплообменника 9 и рубашкой 22 перегородки 17.

Затем дымовые газы движутся вниз, откуда по газоходам 39 поступают в устройство для промывки 29.

Здесь дымовые газы "выдавливают" часть промывной жидкости на кольцевую решетку 34 и барботируют через эту жидкость. При барботаже дымовые газы охлаждаются до температуры 65-75^оС и насыщаются водяным паром. Одновременно при барботаже происходит улавливание части аэрозольных частиц. Подготовленные таким образом дымовые газы далее через патрубок 38 направляются на доочистку, например, в скруббер Вентури и стекловолокнистые фильтры тонкой очистки (на фиг.1 и фиг.2 не показаны).

Охлаждающую воду подают через патрубок 41 в рубашку 40 и охлаждают газоходы 39. Охлаждающую воду также подают через патрубок 16 в стакан 14 и охлаждают верхнюю часть трубы 42. В рубашке 13 потоки объединяются и вода движется вверх, охлаждая дно 12 и корпус 10 теплообменника 9. Далее охлаждающая вода по трубе 26 поступает в верхнюю часть рубашки 22 перегородки 17, а затем движется вниз внутри перегородки 17, в кольцевом пространстве, ограниченном вертикальными перегородками 23 и 24. В нижней части перегородки 17 вода проходит под перегородками 23 и 24 и движется вверх к трубе 27.

По трубе 27 охлаждающая вода поступает в верхнюю часть рубашки 3 и движется вниз, в кольцевом пространстве рубашки 3, ограниченном вертикальными перегородками 6 и 7. Затем охлаждающая вода проходит под перегородками 6, 7 и движется вверх, к патрубку 28. Через патрубок 28 охлаждающую воду отводят из установки и направляют, например, в систему оборотного водоснабжения.

Дымовые газы на всем пути движения до кольцевого бака 29 контактируют с охлаждаемыми водой поверхностями печи 1, перегородки 17, теплообменника 9 и газохода 39. Температура этих поверхностей не превышает 40^оС и скорость коррозии материала перечисленных частей установки составляет около 0,05 мм в год. Это обеспечивает длительную работоспособность установки по условиям коррозии (не менее 10 лет).

Трубы 21 и 42 не имеют рубашек для охлаждения. Однако они работают при удовлетворительных температурных условиях вследствие того, что дымовые газы по ним не проходят. Трубы "закрыты" для прохода дымовых газов, но "открыты" для отвода конденсата, образующегося при охлаждении дымовых газов. Это достигается взаимным расположением труб 21 и 42 (труба 21 вставлена в трубу 42), а конец трубы 21 и присоединенный к кольцевому баку 29 конец трубы 42 расположены ниже уровня входа газоходов 39 в кольцевой бак 29. Поэтому нижние концы труб 21 и 42 заполнены промывной жидкостью, что исключает проход дымовых газов по трубам 21 и 42 и их разогрев.

При сжигании радиоактивных отходов образуются твердые частицы из веществ, содержащихся в отходах. Они могут отлагаться на внутренних поверхностях установки сжигания радиоактивных отходов. Образование отложений нежелательно, так как увеличивает уровень радиации и повышает вероятность возникновения самопроизвольной цепной реакции (СЦР). Практически полное исключение образования отложений на охлаждаемых поверхностях обеспечивает коаксиальное расположение печи 1, теплообменника 9 и перегородки 17. Оно обеспечивается наличием у печи 1 вертикально расположенного корпуса 2. Образованию отложений на поверхности конуса 20 препятствует конденсат, образующийся на самой поверхности конуса 20, а также конденсат, стекающий сверху с охлаждаемых поверхностей печи 1 и корпуса 19.

Образованию отложений на поверхности корпуса 12 также препятствует конденсат, образующийся на самой поверхности корпуса 12, и конденсат, стекающий с поверхности корпуса 10.

Коаксиальное расположение печи 1, теплообменника 9 и перегородки 17 позволяет исключить газоходы как самостоятельные элементы, где могут образовываться отложения твердых частиц, что повышает ядерную безопасность работы установки. Кроме того, интенсифицируется охлаждение дымовых газов, так как без дополнительных затрат металла увеличивается поверхность охлаждения: используется поверхность рубашки 3 и рубашки 22.

Коаксиальное расположение печи 1, перегородки 17, теплообменника 9 и кольцевого бака 29 позволяет значительно сократить производственную площадь, занимаемую установкой (практически ограничиться площадью, занимаемой кольцевым баком 29), значительно сократить длину газоходов между теплообменником 9 и кольцевым баком 29. При этом улучшается условие промывки дымовых газов в кольцевом баке 29 вследствие равномерного распределения газа по его сечению, так как длина всех газоходов одинакова.

Использование предлагаемой установки в производстве создает ряд преимуществ в сравнении с существующим в настоящее время хранением отработанного экстрагента в баках.

Предлагаемая установка дает социальный эффект, так как сжигание отходов исключает возможность их утечки и предотвращает загрязнение окружающей среды.

Обеспечение требований ядерной безопасности в предлагаемой установке исключает возможность СЦР и радиационного поражения обслуживающего персонала.

Экономический эффект складывается из уменьшения габаритов установки, снижения металлоемкости и возвращения ядерного топлива в производственный цикл.

УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, содержащая вертикально расположенную печь, устройство для промывки дымовых газов и теплообменник, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы установки, уменьшения габаритов при выполнении требований ядерной безопасности, она снабжена охватывающей печь перегородкой с охлаждающей рубашкой, верхняя часть перегородки выполнена цилиндрической с отверстиями для прохода дымовых газов, а нижняя конической, с трубой для слива жидкости, а печь и перегородка вставлены в теплообменник, коническая часть которого сообщается с устройством для промывки газов, выполненным в виде кольцевого бака с горизонтальной газораспределительной решеткой, причем печь, перегородка, теплообменник и кольцевой бак расположены коаксиально.