Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности Советский патент 1993 года по МПК G21F9/32 F27B1/00 

го к аноду 15 плазменного реактора 12 и кристаллизатора /К/ 20. Вывод и сброс расплава 31 осуществляется при вытягивании слитка 33 из К 20 и резке пилой 24 на отливки 35. Вторичные отходы, образующиеся в печи, поступают в растворный узел 23 с образованием,цементного раствора, который через кольцевой питатель 22

формирует футеровочную оболочку 36 вокруг отливки 35, помещенной в контейнер 28. Печь позволяет снизить уровень радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, образующихся в печи. 1 ил., 1 табл,

Использование; компактировамие и преобразование твердых и жидких отходов в химически устойчивый подлежащий захоронению материал. Сущность: после плазменной переработки отходов 30 в шахте 2 шлакометаллический расплав 31 поступает в камеру гомогенизации 6 и подвергается плазменно-электрошлаковой обработке разрядом 32 от источника 26, подключенно

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к устройствам для переработки неидентифицированных радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности, и может быть использована для компактирования и преобразования твердых и жидких отходов в химически устойчивый, подлежащий захоронению материал,Цель изобретения-повышение радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов образующихся в печи.

Для достижения данной цели в известной плазменной шахтной печи -для перера- ботки радиоактивных отходов; низкого и среднего уровня активности, содержащей вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту, сообщающуюся в верхней части с камерой дожигания газов, соединенной i через систему охлаждения с фильтром, а в нижней части с устройством подвода окислителя, плазменными генераторами и горизонтальной камерой гомогенизации шлака с плазменными реактором для ввода жидких горючих радиоактивных отходов, включающем последовательно и еоосно установленные катод, диэлектрическое газовое кольцо, анод и изолированную камеру смешения, сообщающуюся с камерой гомоге- ниэации шлака, подовый электрод, устройство для вывода и сбора шлака и источник постоянного тока, подключенный отрицательным полюсом к подовому электроду, а положительным - к аноду плазменного реак- тора, она снабжена растворным узлом, сообщающимся через патрубок подачи смеси золы и водяного шлама с камерой дожигания, фильтром и системой охлаждения, подовый электрод выполнен в виде кристаллизатора сообщающегося с камерой гомогенизации, а устройство вывода и сбора шлака выполнено в виде еоосно и последовательно установленных с кристаллизатором и охваченных герметичным кожухом устройства вытяжки слитка, кольцевого питателя цементного раствора, подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы,

На чертеже изображен общий вид предлагаемой плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов в разрезе.

Предлагаемая печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов 1 и шахта 2, снабженную в нижней части 3 устройством подвода окислителя 4 и плазменными генераторами 5, В нижней части 3 шахта 2 сообщается с горизонтальной камерой гомогенизации шлака 6, а в верхней части 7 - через патрубок 8 с камерой дожигания газов 9, соединенной через систему охлаждения 10с фильтром 11. Камера гомогенизации 6 имеет плазменный реактор 12, содержащий последовательно и еоосно установленные катод 13, диэлектрическое газовое кольцо 14, анод 15 и камеру смешения 16, сообщающуюся с камерой гомогенизации 6 и изолированную от нее Изолятором 17. Устройство для вывода и сбора шлака 18 выполнено в виде еоосно и последовательно установленных и охваченных герметичным кожухом 19, кристаллизатора

Под позицией 32 изображен фронт кристаллизации в слитке 33. Под позицией 35 показана отливка, отрезаемая от непрерывного слитка 33. Под позицией 36 изображен цементный раствор в контейнере 28, Под позицией 37 показана крышка/ерметизирующая контейнер 28.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывноили периодический загружаются твердые радиоактивные отходы 30. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 5 и плазменного реактора 12, а также на кристаллизатор 20 подается охлаждающая вода.-С помощью вытяжного вентилятора или дымососа -(на чертеже не показанных), установленных после фильтра

11, в шахте 2 через патрубок 8 создается разряжение на уровне 200 Па. При помощи устройства 4 для подачи окислителя через плазменные генераторы 5, установленные в нижней части 3 шахты 2 подается окислитель или окислитель в смеси с необходимым количеством топлива. Плазменные генераторы 5 известными методами.генерируют высокотемпературные потоки, истекающие в шахту 2, Твердые отходы 30, проходя по шахте 2, последовательно подвергают сушке, пиролизу, газификации и горению горючих компонентов и плавлению залы и негорючих компонентов с образованием расплава 3.1, который стекает в камеру гомогенизации б. Образующиеся в шахте 2 газообразные продукты по патрубку 8, установленному в верхней части шахты 2, поступает в камеру дожиганий 9 известной конструкции, например, вертикальную прямоточную или циклонную, где осуществляется дожигание и термическое разложение горючих составляющих и химически агрессивных веществ с частичным отделением крупной золы. Далее газы поступают в систему охлаждения 10. например в кожухот- рубчатый или скрубберный теплообменник, где понижается температура до 200-300° С.

Затем газы очищаются в фильтре 11, например в металлокерамическом фильтре тонкой очистки, с полным отделением золы и аэрозолей и сбрасываются в атмосферу. На плазменный реактор 12 через газовое кольцо 14 подается окислитель, а на катод 13 и анод 15 прикладывается напряжение от источника постоянного тока и зажигается плазменная дуга. Жидкие, горючие отходы конвертируются с заданным коэффициентом избытка воздуха в камере смешения 16, изолированной от камеры гомогенизации 6 изолятором 17. В момент запуска печи и при накоплении расплава 31 в камере гомогенизации б, в устройстве для вывода и сбора шлака 18, заключенного в герметичный кожух 19, дно кристаллизатора 20 закрывается плотно установленной металлической 5 затравкой (на чертеже не показана), заправленной в устройство для вытяжки 21. По мере накопления расплава 31 происходит кристаллизация, на поверхности затравки и образование непрерывного слитка 33, перемещаемого устройством вытяжки 21 и далее охваченного кольцевым питателем цементного раствора 22, подключенного к раствору узла 23, Затем непрерывный слиток 33 режется дисковой пилой 24, запитываемой

5 от привода 25 на отливки 35 определенных размеров, покрытых цементной футеровкой 36. Затем на кристаллизатор 20, выполняющий функцию подового электродах подается отрицательный потенциал от источника то0 ка 26, а положительный полюс- к аноду 15 плазменного реактора 12, причем камера смешения 16 изолирована от камеры гомогенизации с помощью изолятора 17. При этом между анодом 15 и расплавом 31 зажи5 гается несамостоятельный дуговой разряд 32, горящий в плазменном потоке продуктов конверсии жидких горючих отходов. Далее электрический ток замыкается через расплав 31, осуществляя его высокоэффек0 тивный комбинированный плазменно-злек- трошлаковый нагрев, на кристаллизатор 20 и жидкую фазу слитка 33 по фронту кристал-. лизации 34. Пропускание тока в месте формирования корочки слитка 33 обеспечивает

5 возникновение термоэлектрического эффекта за счет разности температур по толщине корочки при разогревающем эффекте Пельтье, при этом увеличивается теплопроводность затвердевающей корочки,- тепло0 отвод от жидкого расплава 31 и быстрого формирования корочки слитка 33 в кристаллизаторе 20. Поэтому облегчается формирование слитка 33 из шлакометаллического расплава 31 и происходит подавление выно5 са активности с поверхности расплава 31, а также электрокинетическэя иммобилизация радионуклидов на фронте кристаллизации 34. Условия формирования слитка 33 регулируются изменением расхода охлаждаю0 щей воды на кристаллизатор 20. По мере накопления постоянно или периодически зола из камеры дожигания 9 и фильтра 11с помощью гидротранспортирования водяным шламом из системы охлаждения W,

5 подается через патрубок 27 в растворный узел 23. Приготовленный цементный раствор постоянно или периодически подается в кольцевой питатель 22, охватывающий с заданным зазором слиток 33, формируя на его поверхности цементную футеровку 36. Образующиеся

при резке дисковой пилой 24 слитка 33 пыль и осколки захватываются и сорбируются цементным раствором 36. Отрезанная отливка 35,футерованная цементным раствором 36, погружается в контейнер 28, перемещаю- щийся по конвейеру 29 известной конструкции. Далее контейнер 28 перемещается по контейнеру 29 из-под устройства для вывода и сбора шлака 18 и выдерживается в герметизируемой шлюзовой камере (на чертеже не показана) для сушки и термической обрабочжи цементной футеровки 36 за счет внутреннего тепла отливки 35. Затем контейнер 28 герметизируется с помощью крышки 37 известными методами, напри- мер сваркой, а под устройство для вывода и сбора шлака 18 подводится по конвейеру следующий контейнер 28. Из-за гравитационной сегрегации расплава 31 в камере гомогенизации 6 возможно, селективное вытягивание слитка 33, из металла или из шлака, что позволяет рафинировать металлы от радионуклидов, переводя их в шлак с получением рециклинга металлов. Возможно выполнение камеры смешения 16 плазменного реактора 12 из графита или металлических труб, например, радиационно загрязненных, с возможностью вертикального перемещения и погружения в расплав 31, с проведением электрошлаковой обработки от источника 26. При этом реализуется плазмен- но-электрощлаковое рафинирование радиационно загрязненных металлов с использованием шлака, полученного в шахтной печи с подфлюсовкой и монокапельного переноса нагретого в плазменной струе металла через слой шлака. Рафинирующий эффект по удалению из расплава металла соединений, несущих активность при плаз- менно-электрошлаковой обработке, основан на повышении химической активности шлака в области высоких температур, а также на эффекте электрического раскисления расплава и шлака за счет электрического и магнитного поля плазменной дуги. Подбирая определенную основность шлака, реализуется глубокая деактивация расплава, например, при введении в состав шлаков- (с твердыми отходами или непосредственно в камеру гомогенизации б) специальных флю- сов, состоящих из хлористых и фтористых солей щелочно-земельных металлов, повышающих их рафинирующее воздействие на неметаллические включения, несущие активность. При переработке стали с гомоген- ным распределением радионуклидов, например железо 55, кобальт 60, в расплаве возможно уменьшение их массовой доли путем разбавления с уменьшением удельной активности и повторным использованием. В

данной печи возможно использование вместо неподвижного кристаллизатора 20, установленного в поду камеры гомогенизации 6, кристаллизаторов скольжения, винтовых и изогнутых кристаллизаторов, а также кристаллизаторов с горизонтальным вытягиванием или верхним вытягиванием с намораживанием. Возможна установка двух кристаллизаторов.20 на разных уровнях в камере гомогенизации 6 для раздельного вывода шлака и металла при использовании шлакоотделитёлей (на чертеже не показано). Исключение аварийных ситуаций, снижающих радиационную безопасность, связанных с вытеканием расплава из камеры гомогенизации 6 через прогревшую корочку формирующегося слитка 33, достигается, например, регулированием длины кристаллизатора и его охлаждения. Возможна установка двух последовательно расположенных кристаллизаторов, причём первый кристаллизатор формирует шлаковую радиационно-загрязненную отливку, а второй кристаллизатор большего диаметра, охватывающий шлаковую отливку, формирует кольцевую отливку из металла, подаваемого по отдельному металлопроводу из камеры гомогенизации (на чертеже не показано), при этом шлаковая отливка охвачена кожухом, предотвращающим разрушение отливки под действием термической усадки и уменьшается выщелачиваемость шлака с повышением радиационной безопасности, Проводились сравнительные исследования по определению радиационной безопасности при переработке радиоактивных отходов в шахтной печи по прототипу и в предложенной плазменной шахтной печи, Переработке подвергались твердые отходы в виде смеси древесины с влажностью 20% и зольностью 5%, а также стального лома в количестве 30%. В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия, раствором которой насыщались брикеты моделируя отходы низкого уровня активности. Производительность обоих печей по твердым отходам составляла - 60 кг/ч, Суммарная электрическая мощность, подводимая к плазменным генераторам 5 и плазменному реактору 12, составляет 70 кВт. Расход жидких горючих отходов в виде машинного масла составлял - 2 г/с. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/с, Общее время работы каждой печи 200 ч. В печи по прототипу шлакометаллический расплав с расходом 26 кг/ч сливается непрерывно из камеры гомогенизации 6 через летку в боковой стенке в виде струи. В предложенной плазменной шахтной печи использовался медный кристаллизатор 20 с толщиной стенки 5 мм, диаметром 0,25 м. Устройство для вытяжки 21 слитка 33 выполнялось из двух пар роликов с общим приводом через редуктор (на чертеже не показаны). Скорость вытяжки 7 см/мин при удельном расходе охлаждающей воды на кристаллизатор 20 0,9-5 л/кг. В качестве дисковой пилы 24 с приводом 25 использовалась фреза-пила с алмазно-напыленной режущей кромкой, приводимой в движение двигателем переменного тока. Резательная машина имеет электронное устройство (на чертеже не показано), обеспечивающее синхронизацию ее собственной скорости со скоростью вытяжки слитка 33, возможна резка и при остановке устройства для вытяжки 21. Резка длится от 8 до 11 с.в зависимости от диаметра и прочности слитка 33, а отливка 35 подает в контейнер 28. В качестве растворного узла 23 использовался турбулентный бетоносмеси- тельтипа СБ-43Б с поршневым растворным насосом типа СБ-9А с производительностью 65 л/ч раствора и с гофрированным металлическим бетоноводрм, соединяющим растворный узел 23 с кольцевым питателем 22 цементного раствора. В качестве вяжущего е цементном растворе использовался портландцемент марки 600. Заполнителем является зола из камеры дожигания газов 9 и фильтра 11 с соотношением между золой и цементом 1:0,7. причем раствор затворялся на водяном шламе из системы охлаждения газов 10 с соотношением к воде 1:3.

Радиационная безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отходящих из печи, а также по выносу имитатора в устройстве для вывода и сбора шлака 18. Дополнительно оценивалась степень выщелачиваемое™ шлака. В прототипе зола и шлам из камеры дожигания 9, фильтра 11 и системы охлаждения 10 подавался на узел загрузки 1, а в предложенной печи в растворный узел 23 и далее через кольцевой питатель 22 в контейнер 28.

Результаты сравнительных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки модельных отходов, применение предложенной плазменной шахтной печи позволяет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом за счет уменьшения выноса радионуклидов с отходящими газами в режимах: без ввода вторичных отходов - на 47% путем более эффективной герметизации печи и устранения неконтролируемых подсосов воздуха через устройство для вывода и сбора шлака; после ввода

золы и шлама в 2,9 раза путем исключения газификации легколетучих радионуклидов из вторичных отходов. Максимальное повышение радиационной безопасности достигается 5 при сокращении выноса радионуклидов в узле для вывода и сбора шлака в 96 раз за счет устранения необходимости жидкостного перелива шлака и его вывода в виде твердой отливки при высокой термичности печи. До- 0 полнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов, является уменьшение скорости вы- щелачиваемости шлака в 21 раз за счет скоростной кристаллизации и получения

5 прочной и стойкой отливки с футеровочной оболочкой.

Снабжение печи растворным узлом сообщающимся через патрубок подачи смеси золы и водяного шлама с камерой дожигания,

0 фильтром и системой охлаждения, позволяет повысить радиационную безопасность за счет утилизации вторичных радиоактивных отходов, образующихся в системах дожигания, охлаждения и очистки отходящих газов, при

5 производстве цементной футеровки внутренней поверхности контейнеров с использованием внутреннего остаточного тепла отливок на сушку и термоупрочнение футеровки. Покрытие бочек и контейнеров с внутренней

0 стороны футеровкой из бетона с цементным раствором и добавками смолы повышает радиационную безопасность при хранении низко и среднеактивных отходов.

Выполнение подового электрода в виде

5 кристаллизатора, сообщающегося с камерой гомогенизации, позволяет повысить уровень радиационной безопасности за счет подавления выноса активности на межфазную поверхность расплав-плазменный факел и

0 электрокинетического транспортирования радионуклидов в расплаве к фронту кристаллизации. Этр позволяет использовать эффект электропереноса для рафинирования метал лов от радионуклидов. При электропереносе

5 пропускание через жидкий металл постоянного тока приводит к перемещению определенных элементов - примесей к катоду или к аноду. Например, в металлургическом расплаве элемент, имеющий меньший атомный

0 вес, переносится к катоду. Электроперенос в сочетании с плазменно-шлаковым нагревом позволяет очищать металлы от радионуклидов осуществлением рециклинга металлов, что повышает радиационную безопасность

5 при переработке отходов. Пропускание тока по расплаву через кристаллизатор подавляет вынос активности на межфазную поверхность расплав-плазменный факел и обеспечивает электрокинетическое и электролитическое транспортирование радионуклидов в расплаве к фронту кристаллизации в слитке или в шлак, что дает возможность концентрировать изотопы в шлаке или металле и осуществлять рециклинг металла с повышением радиационной без- опасности.

Выполнение устройства вывода и сбора шлака в виде соосно и последовательно установленных с кристаллизатором и охваченных герметичным .кожухом устройства вытяжки слитка, кольцевого питания цементного раствора, подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы позволяет повысить радиационную безопасность при эксплуатации печи за счет уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе расплава переработанных отходов путем организации непрерывного или периодического литья в слитки необходимых размеров,, их резки и сбора отливок в контейнеры Вывод шлака и ме- талла из печи в твердом виде обеспечивает минимизацию аэрозольных выбросов из-за отсутствия распыления и испарения активных компонентов. В печи достигается высокая герметизация печного пространства, находящегося под разряжением, строго обеспечивая необходимый состав и температуру атмосферы, что уменьшает вынос активности и повышает радиационную безопасность. Выполнение сливного отвер- стия в виде кристаллизатора обеспечивает безопасность при неравномерном сходе слоя отходов в шахте и быстром повышении

уровня расплава в камере гомогенизации за счет устранения неконтролируемых выбросов расплава.

Ф о р м у лаизобретения Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащая узел загрузки, шахту и соединенные с ней систему дожигания и очистки газов, устройство подвода окислителя и плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором для ввода жидких горючих радиоактивных отходов и источник постоянного тока, соединенный своим положительным полюсом с плазменным реактором, отличающаяся тем, что, с целью повышения радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, она снабжена размещенным в нижней части камеры гомогенизации устройством формирования отливок в виде вертикально установленной герметичной камеры с размещенными в; ней кристаллизатором, механизмом вытяжки слитка, кольцеёым питателем для ввода цементного раствора и дисковой пилой, установленной на выходе камеры, причем кольцевой питатель для ввода цементного раствора соединен с системой дожигания и очистки газом, а кристаллизатор соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока. .,...