Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов Советский патент 1993 года по МПК G21F9/32 F27B1/00 

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

Целью изобретения является повышение радиационной безопасности печи путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, .образующихся в печи.

На чертеже изображен общий вид предлагаемой плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов, разрез.

Печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов 1 и шихту 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 шлакаб, а верхней части 7 через патрубок 8 - с камерой дожигания газов 9, соединенной через систему охлаждения 10 с фильтром 11. Камера гомогенизации 6 имеет в верхней части плазменный реактор 12, содержащий последовательно и соосно установленные катод 13, газовое кольцо 14, анод 15 и камеру смешения 16, сообщающуюся с камерой гомогенизации 6. Устройство для вывода и сбора шлака 17 в контейнеры 18 расположено в герметичной камере 19, сообщающейся через отверстие 20 с камерой гомогенизации 6. Герметичная камера 19 расположена над камерой гомогенизации 6 и сообщена с ней через отверстие 20, закрывающееся крышкой 21 с помощью устройства 22. Устройство для вывода и сбора шлака 17 выполнено в виде вертикально расположенной полой трубы 23 с внутренней полостью 24, которая охвачена в верхней части кожухом 25, выполненным с возможностью перемещения потрубе 23 приводом 26. Полая труба 23 с кожухом 25 выполнены с возможностью возвратно- поступательного перемещения по сообщающимся через отверстие 20 камере гомогенизации б и герметичной камере 19: и возможностью сканирования в герметичной камере 19 над контейнерами 18 с помощью устройства перемещения 27. Полая труба 23 покрыта антипригарным покрытием 28 и снабжена в верхней части патрубком 29 подачи смеси золы от камеры дожигания 9 и фильтра 11с шламом из системы охлаж0

дения 10 во внутреннюю полость 24. Под позицией 30 на чертеже изображены отходы, подвергающиеся переработке в шахте 2. Под позицией 31 показан плазменный факел, обогревающий камеру гомогенизации 6, Под позицией 32 показан шлакометалли- ческий расплав, собирающийся в камере гомогенизации 6. Под .позицией 33 изображена отливка, намораживаемая на поверхность полой трубы 23. Под позицией 34 показана полость в отливке 33, образующейся после удаления из нее полой трубы 23. Под позицией 35 изображена смесь золы

g и шлама, подаваемая в полость 34 отливки 33. Под позицией 36 показана крышка, герметизирующая контейнеры 18.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает слео дующим образом.

Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывно или периодически загружаются неидентифицированныетвердыерадиоактивные отходы 30. На водоохлажда5 емые элементы плазменных генераторов 5 и плазменного реактора 12 подается охлаждающая вода. С помощью дымососа и дымовой трубы, установленных после фильтра 11, в шахте 2 создается разряжение на уровне

0 200 Па. При помощи установленных в нижней части 3 шахты 2 устройства 4 для подачи окислителя через плазменные генераторы 5 подается окислитель, нагретый до температуры 1500-3000°С. Твердые отходы 30, опу5 скаясь вниз по шахте 2, последовательно подвергаются сушке, пиролизу, сжиганию и шлакообразованию. Полученный шлак 32 стекает из нижней части 3 шахты 2 в камеру гомогенизции 6, а образующиеся при переработке отходов 30 газы из верхней части 7 шахты 2 удаляются через патрубок 8 в камеру дожигания 9, где осуществляется полное окисление продуктов пиролиза и отделение

5 крупной золы. В качестве камеры дожигания 9 может использоваться, например, циклонная печь с плазменными горелками. Далее дымовые газы охлаждаются в системе охлаждения 10, например, с помбщью

0 кожухотрубчатых или скрубберных теплообменников, причем в результате Многократного циркулирования охлаждающей воды в ней накапливаются эоловые частицы или продукты коррозии, загрязненные радио5 нуклидами, которые отделяются в виде шлама. Затем охлажденные дымовые газы поступают в фильтр 11, например металло- керамический фильтр тонкой очистки, где удаляются мелкодисперсная фракция золы и аэрозоли, После этого дымовые газы с

0

помощью дымососа подаются к дымовой трубе. Металлошлзковэя смесь 32. скалива- ющаяся в камере гомогенизацииб, поддерживается в расплавленном состоянии с помощью плазменного факела 31, генерируемого плазменным реактором 12, -состоящим из последовательно и соосно установленных катода 13, газового кольца 14, анода 15 и камеры смешения 16. При подаче через газовое кольцо 14 окислителя, зажигании электрической дуги между катодом 13 и анодом 15 и подаче топлива, например жидких горючих отходов, на камеру смешения 16 в камере гомогенизации 6 возникает топливно-плазменный факел 31. При этом в устройстве для вывода и сбора шлака 17 полая труба 23 с кожухом 25 с помощью устройства перемещения 27 переведены в герметичную камеру 19, а отверстие 20 закрыто крышкой 21, снабженной устройством 22, позволяющим перемещать крышку 21, например, при возвратно-поступательном движении, повороте или откидывании. При накоплении определенного уровня шлакометаллического расплава 32 в камере гомогенизации 6 осуществляется отключение плазменного реактора 12 и открытие крышки 21. С помощью устройства перемещения 27 осуществляется опускание полой трубы 23 с кожухом 25 из герметичной камеры 19 в камеру гомогенизации 6 через отверстие 20 таким образом, чтобы нижний конец полой трубы 23, не охваченный кожухом 25, погрузился в расплав 6. Для контроля уровня погружения трубы 23 в расплав 6 могут использоваться механические ограничители или концевые выключатели, которыми снабжается устройство перемещения 27.

В устройство для вывода и сбора шлака 17 из камеры гомогенизации 6 входят вертикальная труба 23 с продольной полостью

24. и охватывающий ее подвижный кожух

25. Вертикальная труба 23 может выполняться водо- или газоохлаждаемый, в виде тепловых труб или из тугоплавкого теплопроводного материала, например металлов, металлокерамики. Поэтому отвод тепла из расплава шлака 32 при кристаллизации отливки 33 может осуществляться охлаждающим агентом, например водой, газом, жидкими металлами, через стенку трубы 23 или аккумуляцией тепла в объеме трубы 23. Подвижный кожух 25, концентрично окружающий трубу 23, снабжен устройством перемещения 26 вдоль ее поверхности, например,-червячной или винтовой конструкции. Подвижный кожух 25 может снабжатьсятеплообменником для

дополнительного охлаждения трубы 23. Шлак и металл 32 в камере гомогенизации 6 осаждается и кристаллизируется на поверхности трубы 23 с толщиной отливки 33. со5 ответствующей интенсивности отвода тепла в трубу 23. Врзмя нахождения трубы 23 в расплаве 32 для формирования отливки 33 ограничивается поворотным растворением в жидком металле и шлаке 32. При погруже0 нии трубы 23 в расплав 32 происходит намо- раживание отливки 33, причем для увеличения прочности и уменьшения термотрещин могут использоваться известные ре жимы-охлаждения трубы 23, например со скоростью 200°С/ с для чугуна. Размеры получаемой отливки 33, определяемые, например, габаритами контейнеров 18, могут регулироваться интенсивностью охлаждеQ ния и глубиной погружения в расплав 32 трубы 23. Задавая глубину погружения трубы 23 в расплав 32 с помощью устройства перемещения 27, возможно селективное формирование отливок 33 из шлака или ме5 талла, а также двух- и многослойных .отли; вок 33 с периодическим опусканием трубы 23 вначале в слой шлака, а затем в слой металла, которые неизбежно возникают из- за разности плотности в слое расплава 32.

0 При этом погружаемая нижняя часть трубы 23 покрыта антипригарным покрытием 28, многоразовым или одноразовым с нанесением перед каждым погружением. Использование противопригзрных покрытий 28.

5 например с применением погружения трубы 23 в жидкие самотвердеющие или смоляные смеси, позволяет облегчить удаление с трубы 23 отливки 33 с помощью кожуха 25. Могут использоваться известные методы предотвращения пригара, например нанесение на поверхность трубы 23 противопри- гарных покрытий в виде паст, красок- и облицовочных смесей, которые после высыхания образуют на поверхности трубы 23 непроницаемый для расплава 32 шлака и металла слой толщиной 0,2-3 мм. При этом покрытие 28 не должно иметь поры, проницаемые для расплава 32 при статическом

п давлении до нескольких метров столба рас- плава металла и шлака, а также обеспечивать удержание без нагрузки отливки 33 на трубе 23, а в дальнейшем обеспечивать легкое удаление отливки 33 при перемещении

5 кожуха 25, Антипригарное покрытие 28 предотвращает химический и термический пригар отливки 33 к трубе 23. а состав покрытия 28,-его толщина могут меняться в зависимости от температуры и состава расплава 32 металла и шлака. Например, для

5

силикатных шлаков и чугунов возможно использование цирконовых красок на гидро- лизованном растворе этилсиликата, силиконовые смеси, а также смеси на основе жидкого стекла и графитового порошка. После формирования отливки 33 произвог дится вертикальное перемещение трубы 23 с помощью устройства 27 в герметичную камеру 19 и закрывание отверстия 20 крышкой 21 с помощью устройства 22, В качестве устройства 27 для возвратно-поступательного перемещения трубы 23 с кожухом 25 и их сканирования над контейнерами 18 могут использоваться подъемно-транспортные механизы типа тельфера или кран-балки, а также телескопические устройства с гидро- или пневмоприводом.

Затем с помощью устройства 27 осуществляется горизонтальное перемещение трубы 23 с отливкой 33 и сканирование над контейнерами 18. Далее труба 23 с помощью устройства 27 перемещается вертикально вниз и отливка 33 погружается в свободный контейнер 18. С помощью устройства перемещения 26 ,кожух 25 перемещается по трубе 23 и выдавливает отливку 33 в контейнер 18. Затем кожух 25 вновь поднимается вверх и освобождает нижнюю часть трубы 23, которая устройством перемещения 27 переводится в положение над отверстием 20. Далее цикл работы устройства для вывода и сбора шлака 17 повторяется. Ввод и вывод контейнеров 18 в герметичную камеру 19 может осуществляться автоматически, например, через герметизирующиеся двери, шлюзовые камеры, с помощью транспортных тележек или контейнеров. Герметизация контейнеров 18 крышками 36 может осуществляться непосредственно в герметичной камере 19 или вне ее, например, с помощью закатывания или сварки. По мере накопления золы в камере дожигания газов 9 и фильтре 11, а также шламов в системе охлаждения 10, например, с помощью пневмо- или гидротранспорта, осуществляется периодическая подача смеси золы и шлама через патрубок 29 в полость 24 трубы 23. При этом в зависимости от изотопного состава радионуклидов и фракционного состава золы и шламов возможны три варианта их подачи в полость 24 трубы 23.

В первом случае, если в золе и шламе присутствуют сильнолетучие компоненты, легко подвергающиеся газификации при температурном воздействии, то подача смеси золы и шлама 35 осуществляется в позиции трубы 23 над контейнером 18 после

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

освобождения отливки 33. При этом смесь золы и шлама 35, которая может предварительно смешиваться с отвердителем, например цементироваться, заполняет полость 34 отливки 33, образующуюся после удаления трубы 23.

Второй вариант подачи смеси золы и шлама 35 реализуется в положении трубы 23 над поверхностью расплава шлака 32, с последующим расплавлением и вводом в расплав 32 трубы 23.

В третьем варианте подача смеси золы и шлама 35 осуществляется от момента начала погружения трубы 23 в расплав 32 для формирования сплошной отливки 33, закрывающей отверстие полости 24. Частицы золы и шлама, попадающие в расплав 32, являются центрами кристаллизации, ускоряя рост отливки 33 за счет эффекта суспен- зионного литья, а также наблюдается эффективная иммобилизация вторичных радиоактивных отходов. Во всех режимах погружения трубы 23 в расплав 32 для предотвращения закупоривания полости 24 в нее подается газ, например воздух, с расходом, не нарушающим процесс роста отливки 33. Второй и третий вариант подачи смеси золы и шлама 35 реализуется при отсутствии легковозгоняющйхся компонентов. В герметичной камере 19 охлаждение внешней поверхности отливки 33 может Осуществляться с различной скоростью за счет естественного или принудительного охлаждения. Окончательной операцией является герметизация контейнеров 18 крышкой 36 известными способами, например сваркой, закатыванием, и направление их на захоронение. Полная труба 23 может выполняться расходуемой и отрезаться известными методами, например, газорезкой, дугой, пилой, и вместе с отливкой 33 посту- пать на захоронение. При этом в качестве трубы 23 используются радиационно загрязненные трубы, например, из трубчатых теплообменников, Поверхность трубы 23 может покрываться ребрами или арматурой, формирующей отливку 33.

Производились сравнительные исследования по определению радиационной безопасности при переработке модельных радиоактивных отходов в шахтной печи по прототипу и в предложенной печи. В обоих случаях переработке подвергались твердые отходы, представляющие собой смесь бумаги и древесины с влажностью 15% и зольностью 5%, а также негорючих компонентов в виде металлического лома е копичестве 10%, которая моделировала реальные нейдентифицированные отходы. В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия, раствором которой насыщались брикеты, моделируя отходы низкого уровня активности, Размеры брикетов после прессования - 100 X 100 X 250 мм,

Производительность обоих печей по твердым отходам составляла - 50 кг/ч, Объемы по шлаку камеры гомогенизации 6 принимались равными 0,25 м , Коэффициент очистки газоочистной системы фильтра 11 составляет 10 , Общая высота шахты 2 обоих печей 3 м с футеровкой из хромомагнези- тового кирпича, а камера гомогенизации 6 футерована переклазоуглеродистыми блоками. Расход жидких горючих отходов в виде смеси машинного масла и солевого водного раствора, подаваемых .в камеру смешения 16 плазменного реактора 12, составляет 2 г/с. Суммарная электрическая мощность, подаваемая на плазменные реакторы 5 и плазменный реактор 12, без учета потерь на охлаждающие элементы, составляет 70 кВт. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/с. Общее время работы каждой печи 200 ч. В печи по прототипу шлакометаллический расплав сливается непрерывно из камеры гомогенизации 6 через летку в боковой стенке в виде струи с расходом 13 кг/ч. Глубина ванны расплава 6 0,25 м. Сбор расплава осуществлялся в контейнеры 18 в виде стандартных 100 л стальных бочек. Содержание имитатора в вид хлористого цезия в твердых отходах 30, жидких горючих отходах, подаваемых в плазменный реактор 12, и в золе и шламе, подаваемых, на стадию загрузки 1 (прототип) или в полую трубу 23 в предложенной печи, соответствуетудельной активности в диапазоне 5-10 -6-Ю5 Бк/м3. Другие технологические параметры, одинаковые в прототипе и предложенной печи представлены в работе 2.

В качестве устройства перемещения 27 использовалась конструкция кран-балки с .электрическим приводом грузоподъемностью 2 т и с дистанционным управлением. Полая труба 23 выполнялась медной водо- охлаждаемси/i с диаметром 40 мм и внутренней полостью 24 диаметром 10 мм. Диаметр отливок 33 от 100 до 300 мм при весе от 40 до 100 кг. В предложенной печи за время работы осуществлялось 20 циклов: погружение полой трубы 23 - получение отливки 33,

Радиационная безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

отходящих из печи при различных режимах работы и вариантах ввода вторичных радиоактивных отходов, а также по выносу имитатора в устройстве 17 для вывода и сбора шлака. Вынос активности при удалении шлакометаллической смеси 32 из печи оценивался по содержанию имитатора в.пыли и аэрозолях, возникающих в устройстве 17 для вывода и сбора шлака и собираемых в вентиляционных и дезактивационных системах. Дополнительно оценивалось количество и время непроизводительных остановок печей, а также степень выщелэ- чиваемости получаемых шлакометалличе- ских отливок 33. Результаты сравнительных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки модельных отходов, применение предложенной печи позволяет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом за счет уменьшения выноса радионуклидов с отходящими газами в режимах: 1) без ввода вторичных отходов - на 31 % путем более эффективной герметизации печи и устранения неконтролируемых подсосов воздуха через устройство для вывода и сбора шлака; 2) после ввода золы и шлама из камеры дожигания, фильтра и системы охлаждения в шахту через узел загрузки (для прототипа) или в полую трубу (для предложенной печи) - в среднем для разных режимов на (27-60%), путем снижения газификации и ускоренной иммобилизации радионуклидов в шлак.

Причем подача вторичных отходов в полость отливки исключает рост выноса активности. Кроме того, темп роста выноса активности при утилизации вторичных радиоактивных отходов (отношение выноса имитатора при работе печи с вводом золы и шлама к выносу при работе без их ввода) в предложенной печи меньше в 1,4 раза. Максимальное повышение радиационной безопасности достигается при сокращении выноса радионуклидов в узле для вывода и сбора шлака в 13,6 раз за счет устранения необходимости перелива шлака и его вывода в виде твердой отливки. Также исключаются остановки печи для оперативного обслуживания устройства для вывода и сбора шлака и непроизводительные затраты времени на проведение операций в условиях радиационной загрязненности, что повышает радиационную безопасность при эксплуатации печи. Дополнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов, является

уменьшение скорости выщелачиваемое™ шлака в 8,1 раз за счет скоростной кристаллизации и получения прочной и стойкой отливки.

Выполнение герметичной камеры, расположенной над камерой гомогенизации и сообщающейся с ней через отверстие с крышкой, позволяет повысить уровень радиационной безопасности при эксплуатации печи за счет .расположения отверстия для вывода шлака выше уровня расплава в камере гомогенизации. Поэтому нет опасности неконтолируемого прорыва расплава в устройство для вывода и сбора шлака, например, при обрушении слоя отходов в шахте. Исключается прогар и зашлаковыва- ние сливных каналов, появляется возможность выполнять футеровку камеры гомогенизации достаточной толщины, рассчитанной при ее разрушении на срок эксплуатации, сравнимый с работой шахты.

Выполнение устройства для вывода и сбора шлака в виде охваченной в верхней части подвижным кожухом полой трубы, которая имеет возможность возвратно-поступательного перемещения через отверстие между камерой гомогенизации и герметичной камерой, и сканирования над контейнерами в герметичной камере, позволяет повысить уровень радиационной безопасности за счет вывода шлака металла или шлакометаллической смеси wVкамеры гомогенизации в твердой компактной форме в виде плотной отливки, Поэтому понижается газификация радионуклидов, подавляется аэрозолеобразование, окисление металлических, компонентов.

Эвакуация шлака в контейнеры в твердом виде исключает необходимость мер, предотвращающих термическое влияние расплава на материал контейнеров. Выполнение полой трубы с антипригарным покрытием и с расположенным на ее верхнем торце патрубком подачи смеси золы от камеры дожигания и фильтра с водяным шламом из системы охлаждения позволяет повысить уровень радиационной безопасности при эксплуатации печи за счет формирования прочной ситаллоподобной отливки с низкой степенью выщелачиваемое™ и возможности эффективной иммобилизации вторичных радиоактивных отходов в полость или структуру отливки. В предложенной печи с расплавлением золы и металлических компонентов вывод расплава осуществляется сформированием отливки внутри печи и ее выводом в твердом виде. Это исключает протекание окислительных реакций компонентов системы шлак - металл, что снижает десорбцию радионуклидов и испарение легколетучих веществ с повышением радиационной безопасности при эксплуатации печи. Расположение отверстия для вывода шлака выше уровня расплава позволяет исключить неконтролируемые выбросы расплава при неравномерном сходе слоя отходов в шахте. Сбор шлака в виде сформированных отливок исключает термическое коробление и прогар контейнеров, а также необходимости их подготовки, например футеровки.

20

Формула изобретения

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащая устройство загрузки, шахту с зонами сушки, пиролиза, сжигания и шлакообразования, размещенной в поду, камеру шлакоудале- ния, камеру дожигания газов с системой ох- лаждения и фильтром, соединенную с зоной сушки, плазменные генераторы и устройство подвода окислителя, установленные в зоне сжигания, о тличающаяся тем, чть, с целью повышения радиационной безопас- ности, она снабжена камерой для гомогенизации с размещенным в ней плазменным реактором, соединенной с шахтой и с камерой шлакоудаления посредством крышки, установленной в нижней части камеры шлакоудаления, и устройством для формирования отливки из шлака в виде вертикальной трубы с антипригарным покрытием, установленной с возможностью вертикального перемещения в камерах для гомогенизации и шлакоудаления, и горизонтального перемещения в камере шлакоудаления и с раз- мещенным на ней с возможностью перемещения кожухом для сталкивания отливок, а камера шлакоудаления выполнена герметичной и с приспособлением для подачи газа, соединенным с камерой дожигания и фильтром, и имеющим возможность взаимодействия с трубой.

Параметры процесса переработки радиоактивных отходов

Вид печи

по прототипупредложенная печь

Использование: переработка отходов низкого и среднего уровня активности и преобразование твердых и жидких отходов в химически устойчивый, твердый. Сущность изобретения: после плазменной переработки отходов 30 в шахте 2 шлакометалличе- ский расплав 32 собирается в камере (К) гомогенизации 6 с нагревом плазменным факелом 31, генерируемым плазменным реактором 12. Вывод и сбор расплава 32 осуществляют при намораживании отливки 33 на полой трубе (Т) 23, совершающей возвратно-поступательное перемещение из Кб гомогенизации в герметичную К19 через отверстие 20. Удаление отливки 33 с полой Т23 производят при перемещении кожуха 25 во время сканирования Т23 над контейнерами; 18. Вторичные отходы, образующиеся в пе- чи, иммобилизуются при подаче в полость 24 Т23. Печь повышает уровень радиацией- j ной безопасности за счет уменьшения выно-1 са радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, образующихся в печи. 1 ил., 1 табл. (Л С X A w0cff t/ 00 о ю ю

1. Вынос имитатора с отходящими газами:1.1 до ввода золы и шлама из-камеры дожигания 9, фильтра 11 и системы охлаждения 10 на узел загрузки 1 (прототип) или в полую трубу 23 ( предложенная печь), мг/ч1.2 после ввода золы и щлама на узел загрузки 1 (по прототипу), мг/ч1.3 после ввода золы и шлама через полую трубу 23: 1.3.1. на поверхность расплава 32 в камере гомогенизации 6, мг/ч1.3.2. во время погружения полой трубы 23 в расплав 6, мг/ч1.3.3. в полость 34 отливки 33,

мг/ч

20,8

36,0

14,3

.tfc

12,2

10

20

,5 И О4

18,3

14,4

0,9

Нет Нет

4,