ПЛАЗМЕННАЯ ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Советский патент 1994 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к атомной энергетике и технологии, а именно к устройствам для переработки радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности, и может быть использовано для преобразования твердых и жидких отходов в химически устойчивый и твердый, подлежащий захоронению конечный продукт.

Цель изобретения - повышение радиационной безопасности путем уменьшения уноса радионуклидов и ликвидации аварийных выбросов.

На фиг. 1 изображена предлагаемая печь, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Плазменная шахтная печь включает в себя вертикально и последовательно установленные узел 1 загрузки, шахту 2, имеющую зону 3 сушки с газоходом 4 в ее верхней части, зону 5 пиролиза, снабженную кольцевым питателем 6 для ввода жидких негорючих радиоактивных отходов (ЖНРО) через каналы 7, зону 8 сжигания, снабженную устройством 9 для подвода окислителя через плазменный генератор 10. В шахте 2 по высоте выполнен байпасный канал 11, соединенный с помощью одного или нескольких отверстий 12, герметично закрывающихся клапанами 13, через стенку 2 с зонами сушки 3, пиролиза 5, сжигания 8. В нижней части шахты 2 за зоной 8 сжигания расположен узел 14 шлакообразования, снабженный горизонтально расположенной камерой 15 гомогенизации шлака, сообщающейся с плазменным реактором 16 для ввода жидких горючих радиоактивных отходов (ЖГРО), который содержит последовательно и соосно установленные катод 17, диэлектрическое газовое кольцо 18, анод 19 и камеру 20 смещения, изолированную от анода изолятором 21 и от камеры 15 изолятором 22. В нижней части камеры 15 гомогенизации установлен подовый электрод 23, соединенный с отрицательным полюсом дополнительного источника 24 постоянного тока; положительный полюс присоединен к аноду 19 плазменного реактора 16. В нижней части камеры 15 гомогенизации выполнено устройство 25 для вывода и сбора шлака. Позицией 26 обозначены твердые радиоактивные отходы (ТРО), позицией 27 - жидкий шлак, позицией 28 - плазменная дуга, горящая между катодом 17 и анодом 19, позицией 29 - плазменный факел.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел 1 в шахту 2 непрерывно или периодически загружаются неидентифицированные ТРО 26. Герметично закрывающиеся отверстия 12 в байпасном канале 11 при этом герметично закрыты клапанами 13. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 10 и плазменного реактора 16 подается охлаждающая вода. С помощью вытяжного вентилятора или дымососа, установленных после систем дожигания и очистки газов (не показаны) в шахте 2 создается разрежение на уровне 200 Па. При помощи устройства 9 через плазменные генераторы 10 подается газовый или парообразный окислитель, в качестве которого могут быть использованы воздух, кислород, водяной пар, углекислый газ. На плазменные генераторы 10 подается напряжение от источника тока (не показан), например постоянного, переменного или высокочастотного, и генерируются известными методами плазменные потоки окислителя, истекающие в зону 8 сжигания шахты 2. На плазменный реактор 16 через газовое кольцо 18 подается окислитель, например воздух, кислород, водяной пар. На катод 17 и анод 19 подается напряжение от источника постоянного тока (не показан) и зажигается плазменная дуга 28. Из кольцевого питателя 6 через каналы 7 подаются ЖНРО, например водяные растворы и взвеси из системы мокрой газоочистки печи, в зону 5 пиролиза шахты 2. Затем в плазменный реактор 16, в камеру 20 смешения подаются ЖГРО, например радиоактивно загрязненные масла, дезактиваторы, топлива, с расходом, обеспечивающим их конвертирование в потоке окислителя, подаваемого через газовое кольцо 18 с коэффициентом избытка окислителя, равным 0,3-0,5. В результате из плазменного реактора 16 через камеру 20 смешения в камеру 15 гомогенизации поступает плазменный факел 29, состоящий из высокотемпературных конвертированных газов, создающих восстановительную атмосферу в узле 14 шлакообразования. На подовый электрод 23, расположенный в нижней части камеры 15 гомогенизации, подается отрицательный потенциал дополнительного источника 24 тока, а положительный потенциал этого источника подается к аноду 19 плазменного реактора 16. Причем анод 19 соединен с камерой 20 смешения с помощью изолятора 21, а камера 20 изолирована от камеры 15 с помощью изолятора 22. При этом между анодом и подовым электродом 23, а по мере появления и шлаком 27 через плазменный факел 29 возникает несамостоятельный электрический разряд, создающий наведенное электрическое поле на поверхности шлака 27. При выходе печи на стационарный режим работы ТРО 26 попадают через узел 1 загрузки в зону 3 сушки шахты 2, где происходит удаление свободной влаги под действием продуктов пиролиза и перегретого пара, поступающего из зоны 5 пиролиза. Смесь водяных паров и газообразных продуктов пиролиза не ниже точки росы для данного состава газов выводится через газоход 4 печи на дожигание и очистку. Далее высушенные ТРО 26 поступают в зону 5 пиролиза, где при 200-800^оС происходит их термическое и химическое разложение под действием газообразных продуктов окисления, поступающих из зоны 8 сжигания, с образованием газообразных и жидких продуктов пиролиза и смеси коксового остатка с негорючими компонентами. Подача ЖНРО в зону 5 пиролиза от кольцевого питателя 6 через каналы 7 в станке шахты 2 позволяет поддерживать постоянными границы зон сжигания 8 и пиролиза 5 независимо от содержания горючих компонентов в ТРО и их теплотворной способности. Разбрызгивание ЖНРО в зоне 5 пиролиза препятствует выносу радионуклидов с газообразными и парообразными продуктами пиролиза ТРО в аэрозольной форме. При этом ЖНРО подвергаются выпариванию, сушке и кальцинации с одновременным поглощением радионуклидов жидкими и твердыми продуктами пиролиза ТРО. Смесь коксового остатка и негорючих компонентов ТРО с продуктами кальцинации ЖНРО поступает в зону 8 сжигания, куда от устройства 9 через плазменные генераторы 10 подается высокотемпературный окислитель и осуществляется сжигание коксового остатка ТРО и газообразных продуктов конверсии ЖГРО, поступающих из узла 14 шлакообразования. Причем за счет расхода окислителя и электрической мощности, подводимой к плазменным генераторам 10, в зоне 8 сжигания поддерживается температура ниже температуры плавления негорючих компонентов ТРО, что препятствует их расплавлению в окислительной атмосфере и исключает возникновение условий интенсивного испарения и уноса радионуклидов с газообразными продуктами сжигания. Далее твердая смесь золы коксового остатка и негорючих компонентов ТРО с продуктами кальцинации ЖНРО поступает в узел 14 шлакообразования. При переработке ТРО, дающих высокий выход вязких и липких продуктов пиролиза, или при наличии высокого содержания негорючих компонентов (например, при переработке отработавших ионообменных или металлокерамических фильтров из систем очистки газов и воды) наблюдается периодическое сводообразование, подвисание слоя ТРО и закупоривание шахты 2 жидкими продуктами, которые устраняются форсированием режима работы плазменных генераторов 10 за счет увеличения расхода окислителя или электрической мощности. Для устранения нарушения нормального схода слоя ТРО в шахте 2 и ухудшения фильтрации отходящих газов при повышении давления в зоне 8 сжигания шахта 2 по высоте снабжена байпасным каналом 11, соединенным с помощью одного или нескольких герметично закрывающихся клапанами 13 отверстий 12 через стенку шахты 2 с зонами сушки 3, пиролиза 5 и сжигания 8. При этом благодаря соответствующему открыванию и закрыванию отверстий 12 клапанами 13 по байпасному каналу 11 транспортируется газ из зоны с высоким давлением в зону, свободную для прохода газов, минуя зону гидравлической пробки из располагающихся отходов. Выполнение диаметра d_от отверстий 12 равным 0,05-0,12 диаметра D_ш шахты 2 в сечении их выхода в соответствующую зону позволяет эффективно транспортировать газы через байпасный канал 11 без увеличения выноса радионуклидов и закупоривания отверстий 12 продуктами разложения ТРО. Устранение сводообразования и закупоривания шахты 2 осуществляется прожиганием образовавшихся пробок плазменными потоками окислителя, получаемыми генераторами 10, и созданием гидравлических ударов, генерируемых в шахте 2 с помощью байпасного канала 11 при резком периодическом открывании и закрывании соответствующих отверстий 12 клапанами 13, . После устранения аварийного сводообразования в шахте 2 клапаны 13 вновь герметично закрывают отверстия 12 и печь переходит на нормальный режим работы. Твердая смесь золы коксового остатка и негорючих компонентов ТРО с продуктами кальцинации ЖНРО, поступающая из зоны 8 сжигания, начинает плавиться в узле 14 шлакообразования и окончательно расплавляется в камере 15 гомогенизации с образованием шлака 27 в восстановительной атмосфере продуктов конверсии ЖГРО, получаемых в плазменном реакторе 16 при взаимодействии окислителя с коэффициентом избытка 0,3-0,5, подаваемого через газовое кольцо 18 и нагреваемого плазменной дугой 28, горящей между катодом 17 и анодом 19, с ЖГРО, подаваемыми в камеру 20 смешения. Образующийся на выходе из камеры 20 смешения плазменный факел 29 создает восстановительную атмосферу, препятствующую испарению и уносу радионуклидов, и обеспечивает быстрое получение жидкотекучего шлака 27. Для понижения испарения с поверхности шлака 27 радионуклидов камера 15 гомогенизации в нижней части снабжена подовым электродом 23, соединенным с отрицательным полюсом дополнительного источника 24 постоянного тока, положительный полюс которого подключен к аноду 19. При этом анод 19 изолирован от камеры 20 смешения изолятором 21, а камера 20 изолирована от корпуса камеры 15 изолятором 22. В этом случае, при подаче напряжения от источника 24, имеющего высокое внутреннее сопротивление, между анодом 19 и поверхностью расплавленного электропроводящего шлака 27, контактирующего с подовым электродом 23, через плазменный факел 29 продуктов конверсии ЖГРО инициируется несамостоятельный электрический разряд, создающий на поверхности шлака 27 электрическое поле, препятствующее диффузии и испарению радионуклидов в ионном виде из жидкого шлака 27. Полученный в восстановительной атмосфере продуктов конверсии ЖГРО и при наличии продуктов кальцинации ЖНРО шлак 27 ТРО, при температуре 1400-1600^оС, обладающий высокой жидкотекучестью и степенью гомогенизации, удаляется из печи через устройство 25 для вывода и сбора шлака 27 и направляется на захоронение.

Экспериментально исследовалась радиационная безопасность при переработке радиоактивных отходов в шахтной печи по прототипу и в предлагаемой шахтной плазменной печи. Сжиганию подвергались твердые органические отходы, представляющие собой смесь бумаги и древесины с исходной влажностью 14-30% и с содержанием негорючих компонентов 5-10% , которые моделировали реальные неидентифицированные отходы среднего и низкого уровня активности. В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия, раствором которой насыщали брикеты, моделируя отходы низкого уровня активности. Размеры брикетов после прессования 100 x 100 x 250 мм. Производительность обеих печей по ТРО 50 кг/ч. Расход жидких горючих радиоактивных отходов, представляющих смесь машинного масла и солевого водного раствора, моделирующего радионуклиды, 2 г/с. Суммарная электрическая мощность, подводимая на плазменные генераторы и реактор, 70 кВт. Ввод ЖГРО в плазменный реактор осуществляется тангенциальной пленкой на внутреннюю поверхность камеры смещения, что исключало образование сажи. Средние температуры: в узле шлакообразования 1500^оС, в зоне сжигания 1200^оС, в зоне пиролиза 700^оС. Ввод жидких негорючих радиоактивных отходов, представляющих собой водный раствор имитатора, осуществлялся постоянно с расходом 0,5 г/с. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/с. Шахта печи выполнялась из хромомагнезитового кирпича. В прототипе ТРО, ЖГРО, ЖНРО и окислитель подавались через верхнюю часть шахты. Внутренний диаметр шахты D_ш равен в обоих случаях 300 мм. Общее время работы печей 200 ч.

Экспериментальное исследование высокотемпературной переработки модельных радиоактивных отходов в предлагаемой плазменной шахтной печи осуществлялось при отношениях диаметров герметично закрывающихся отверстий к диаметру шахты, соответствующих соотношению, указанному в формуле изобретения, и за пределами интервала соотношений, с определением размеров в относительных и абсолютных величинах. Радиационная безопасность оценивалась по содержанию имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отходящих из печи, по числу возникновения аварийных режимов за счет сводообразования и закупоривания шахты, а также по времени, затрачиваемому на ликвидацию аварийных режимов данного типа. Результаты сравнительных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки радиоактивных отходов, по которым производилась оценка радиационной безопасности печей, за пределами предлагаемого интервала, соотношений диаметров герметичных отверстий и диаметра шахты поставленная цель не достигается. Например, при d_от = 0,02D_ш (d_от = 6 мм) содержание имитатора в отходящих газах в период возникновения и ликвидации аварийного режима 831 мг/м³, а среднее время, затрачиваемое на ликвидацию аварийного режима, 221 с; при d_от = = 0,18D_ш (d_от = 54 мм). Эти данные соответственно равны 926 мг/м³ и 443 с, что приближается к соответствующим параметрам прототипа. Это объясняется, в первом случае, уменьшением диаметра отверстий ниже допустимого, что лимитирует сводоразрушающее воздействие на пробку отходов при создании гидравлических ударов, с уменьшением проходного сечения отверстий возрастает скорость газов, поступающих в байпасный канал, вследствие чего растет унос радионуклидов; во втором случае увеличение диаметров отверстий выше допустимого приводит к уменьшению удельного импульса струй при создании гидравлических ударов и повышенному уносу радионуклидов через байпасный канал.

Таким образом, изобретение позволяет повысить уровень радиационной безопасности при переработке отходов в печи за счет уменьшения выноса радионуклидов в нормальном режиме с отходящими газами в 12 раз, за счет уменьшения выноса радионуклидов в аварийном режиме в 13 раз, уменьшения числа возникновений аварийных режимов в 8 раз, сокращения среднего времени, затрачиваемого на ликвидацию аварийного режима, в 24 раза. Радиационная безопасность также возрастает на конечном этапе переработки при захоронении за счет уменьшения степени выщелачиваемости отшлакованных отходов в 30 раз.

Предлагаемая конструкция печи позволяет организовать разложение термически неустойчивых соединений с подавлением процессов аэрозолеобразования и перехода соединений радионуклидов в газовую фазу, с обеспечением необходимой степени гомогенизации и вязкости шлака. Для уменьшения уноса радионуклидов в парогазовый поток используется ограничение верхнего предела рабочих температур в соответствующих зонах с созданием оптимального окислительного потенциала атмосферы. Уменьшение перехода радионуклидов в парогазовую фазу на стадии уменьшения вязкости и появления жидкой фазы достигается подавлением диссоциации образующихся в процессе переработки термостойких соединений радионуклиов в легкоплавких компонентах шлака при условии восстановительной атмосферы. В камере гомогенизации при достижении гомогенности шлака улетучивание радионуклидов резко сокращается, и при заданной температуре скорости улетучивания подчиняются закону Фика для нестационарной диффузии. Поэтому в первый период выдержки шлака, когда скорость улетучивания определяется испарением соединений радионуклидов с поверхности расплава, высокий переход активности в газовую фазу подавляется восстановительной атмосферой. Далее, когда скорость испарения лимитируется уже диффузией соединений радионуклидов, их глубинных слоев расплава к его поверхности, начинает действовать электрокинетическое подавление выхода активности. Для этого камера гомогенизации снабжена подовым электродом, подключенным к отрицательному полюсу дополнительного источника постоянного тока, а его положительный полюс подключен к аноду плазменного реактора. При воздействии плазменного теплоносителя совместно с несамостоятельным электрическим разрядом на шлак на его поверхности образуются электрические заряды и возникает градиент электрического потенциала с напряженностью электрического поля порядка 10⁶ В/см, что обусловливает большое влияние двойного электрического слоя на механизм и кинетику процесса испарения радионуклидов, происходящего на границе фаз. Образуется своеобразная электрокинетическая ячейка, при наложении внешнего электрического поля на которую наблюдается усиление перемещения вещества по направлению, определяемому кулоновскими силами. Так как в шлаке радионуклиды находятся в основном в виде положительно заряженных ионов, поверхность шлака должна иметь положительную полярность, что достигается катодным включением подового электрода.

Повышение радиационной безопасности достигается за счет проведений выдержки и гомогенизации шлака в восстановительной атмосфере, содержащей водород, окись углерода и сажистый углерод, получаемой в плазменном реакторе, так как в этом случае при термической обработке шлака удается избежать образования легколетучих окислов радионуклидов, например цезия, за счет восстановления и исключения окисления цезия и его включения в стеклообразную матрицу с надежной фиксацией в шлаке. Поддержание восстановительной атмосферы в камере гомогенизации шлака организуется при конвертировании в плазменном реакторе жидких углеродсодержащих, радиационно загрязненных отходов, например органических топлив, смазочных масел и абсорбентов. Проведение процесса конверсии углеводородов в плазменном реакторе при коэффициенте избытка воздуха 0,3-0,5 в камере гомогенизации позволяет проводить процесс шлакообразования и выдержки шлака при температуре плавления шлака в восстановительной атмосфере, обеспечивающей его высокую жидкотекучесть, что особенно важно для фиксации радионуклидов, обладающих повышенной летучестью в виде окислов, например, рутения. Восстановительная атмосфера в камере гомогенизации позволяет частично восстанавливать и препятствует окислению неактивных компонентов отходов, имеющих тенденцию к образованию вязких труднотекучих шлаков, например, алюминия и магния и их окислов. Получение легкотекучего шлака сокращает время его нахождения в зоне высоких температур и улучшает условия удаления из печи через устройство для вывода и сбора шлака, что сокращает унос радионуклидов с уходящими газами и устраняет аварийные ситуации (например, зашлаковывание и закупорка сливного отверстия устройства для вывода и сбора шлака). Кроме того, уменьшение объема газов, участвующих в процессе шлакообразования и его гомогенизации, за счет недожега и плазменного нагрева в плазменном реакторе позволяет уменьшить унос радионуклидов с поверхности расплава шлака.

В данной печи появляется возможность обрабатывать жидкие негорючие радиоактивные отходы, например водные растворы, взвеси, суспензии из систем дезактивации и мокрой газоочистки, с одновременной утилизацией тепла и очисткой отходящих из печи газов по принципу орошаемого теплообменника и фильтра. Слой перерабатываемых твердых отходов в шахтной печи в зоне сушки и пиролиза, содержащий органические материалы, обладающие сорбционной емкостью и фильтрующей способностью для пылевидного и аэрозольного уноса, задерживает радионуклиды, выносимые из зоны сжигания, и поглощает активные элементы из жидких негорючих радиоактивных отходов при их выпаривании в виде нитратов и окислов.

Применение байпасного канала уменьшает аварийные выбросы при образовании и ликвидации подвисания слоя отходов и образования в шахте печи гидравлических пробок.

При распылении ЖНРО, например водных растворов или взвесей радионуклидов из систем мокрой газоочистки, в зоне пиролиза происходит утилизация тепла отходящих газов и поддержание температуры слоя отходов в диапазоне, обеспечивающем эффективное разложение органических компонентов без газификации радионуклидов, что дает возможность уменьшить вынос активности из печи. Причем щелочные металлы, присутствующие в ЖРО (например, цезий, натрий), поступая в шлак при разложении нитратов, снижают вязкость и повышают жидкотекучесть шлака, что уменьшает время обработки и унос активности из отходов.

При плазменной интенсификации сжигания ЖГРО в плазменной струе окислителя происходит уменьшение объема отходящих газов, сокращается нагрузка на фильтры.

В данной печи осуществляется эффективная комплексная утилизация вторичных радиоактивных отходов, например водных шламов из системы оборотного водоснабжения на охлаждение элементов печи и системы мокрой газоочистки отходящих из печи газов, а также отработанных водных и органических растворов и взвесей, возникающих при дезактивации оборудования печи, поэтому повышается радиационная безопасность.

Предлагаемая плазменная шахтная печь является универсальной и позволяет перерабатывать радиоактивные отходы различных типов, например жидких негорючих и горючих твердых неидентифицированных с высоким энергетическим КПД и глубокой утилизацией тепла при одновременной фильтрации радионуклидов из отходящих газов на слое отходов. Для уменьшения уноса радионуклидов из шахты печи температура в зоне пиролиза поддерживается не выше 700^оС при впрыскивании через кольцевой питатель жидких негорючих отходов, которые подвергаются сушке, кальцинации и плавлению за счет физического тепла отходящих газов, тепловой энергии плазменных струй и химического тепла, выделяющегося в процессе горения.

Организация процесса сжигания радиоактивных отходов в предлагаемой печи позволяет повысить радиационную безопасность за счет удерживания радиоактивности в пределах зоны сжигания. Наличие байпасного канала позволяет поддерживать отрицательное давление во всех зонах печи при возникновении и ликвидации аварийных режимов, что предотвращает попадание радионуклидов в обслуживаемые помещения. При этом конструкция печи учитывает потенциальные возможности аварийных ситуаций и случаев, выходящих за рамки нормальных условий эксплуатации, например при подвисании слоя отходов и закупоривания шахты, и позволяет устранять неконтролируемые выбросы радионуклидов в окружающую среду. (56) Патент США N 4508040, кл. F 23 D 1/00, C 07 C 31/04, 1984.

Европейская заявка N 143364, кл. G 21 F 9/34, 1985.

Изобретение относится к технике переработки радиоактивных отходов. Целью изобретения является повышение радиационной безопасности. При сжигании в плазменной печи твердых неидентифицированных отходов в зоне окисления используется плазменный генератор 10, в зону 5 пиролиза подаются жидкие негорючие отходы с помощью кольцевого питателя 6 для стабилизации процесса пиролиза и уменьшения выноса радионуклидов. Узел 14 шлакообразования снабжен камерой 15 гомогенизации, где происходит получение шлака 27 и его выдержка в восстановительной атмосфере плазменного факела 29, генерируемого плазменным реактором 16 из жидких горючих отходов. Дополнительное подавление улетучивания радионуклидов из шлака 27 осуществляется за счет электрокинематического эффекта при использовании кодового электрода 23 и анода 19, подключенных к источнику 24. Для устранения аварийных ситуаций используется байпасный канал 11, соединенный с помощью отверстий 12 диаметром 0,05 - 0,12 диаметра шахты с зонами сушки 3, пиролиза 5 и сжигания 8. Изобретение позволяет устранять неконтролируемые выбросы радионуклидов в окружающую среду. 2 ил. , 1 табл.

ПЛАЗМЕННАЯ ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ низкого и среднего уровня активности, содержащая вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту с зонами сушки, пиролиза, сжигания и узлом шлакообразования и расположенные в зоне сжигания устройство для подвода окислителя и плазменный генератор, отличающаяся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности, узел шлакообразования снабжен горизонтальной камерой гомогенизации шлака, включающей плазменный реактор для ввода жидких горючих радиоактивных отходов, содержащий последовательно и соосно установленные катод, диэлектрическое газовое кольцо, анод и изолированную камеру смещения, сообщающуюся с камерой гомогенизации шлака, причем последняя снабжена подовым электродом, к которому подключен отрицательный полюс дополнительного источника постоянного тока, а его положительный полюс соединен с анодом плазменного реактора, вертикальная шахта печи по высоте снабжена байпасным каналом, сообщенным с помощью одного или нескольких герметично закрывающихся отверстий через стенку шахты с зонами сушки, пиролиза и сжигания, причем диаметр каждого отверстия равен 0,05 - 0,12 диаметра шахты в сечении выхода отверстия в соответствующую зону, а зона пиролиза снабжена кольцевым питателем для ввода жидких негорючих радиоактивных отходов.