CN107924729A - 等离子体熔融炉 - Google Patents

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金千雨
金荣
金荣一
黄咏焕
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Abstract

本发明涉及能够有效处理各种大体积废弃物的等离子体熔融炉，其包括熔融炉本体(100)及混合型等离子体炬(191、192)，其中所述熔融炉本体(100)设置有容纳熔融物的熔融室(101)，形成所述熔融室(101)的上部的上表面包括水平上表面(111)及相对于所述水平上表面(111)倾斜的倾斜上表面(112)，所述熔融炉本体(100)包括贯通地形成于所述熔融室的底面且用于排出熔融物的熔融物排出部(130)及预定地倾斜以用于向所述熔融室(101)内投入废弃物的投入装置(120)；所述混合型等离子体炬(191、192)倾斜地配置于所述倾斜上表面(112)且向所述熔融室(101)内发生熔融热。

Description

等离子体熔融炉
技术领域
本发明涉及等离子体熔融炉，尤其涉及一种能够有效处理各种大体积废弃物的等离子体熔融炉。
背景技术
放射性废弃物根据放射能的高低分为中·低等级及使用后含有核燃料的高水平的放射性废弃物。中·低等级放射性废弃物中固体状态的废弃物为在原子能发电站内用过的工作服、手套、鞋套、抹布等以及设备更换部件等，还有由于对液体状态的废弃物中产生的放射性废液进行凝结沉淀、蒸发、离子交换等处理而二次产生的矿渣、浓缩废液、用过的离子交换树脂等，此外还有从使用放射性同位素的工业研究机构、医院的放射科等产生的试剂瓶、注射器、管类等。
一般而言，中·低等级放射性废弃物的产生量明显多于高等级放射性废弃物的产生量，而且种类繁多，因此按种类适用的处理方法不同。通常，如果是有飞溅和扩散等危险性的浓缩废液、用过的离子交换树脂、炉渣、浓缩废液及干燥物，则利用适当的固化介质最大程度地抑制放射性核素流出到环境中。
处理原子能发电站产生的放射性废弃物的方法中典型的是使用等离子体熔融炉，通过等离子体熔融炉熔融金属、混凝土等非可燃性物质来降低体积，可将经处理的废弃物稳定和永久地保存在放射性废弃物处理场。
在等离子体熔融炉采用等离子体炬的方式加热和熔融对象物质的情况下，以往,会在熔融炉的上部或侧面或下部配置等离子体炬作为热源使用。该情况下，等离子体炬的运行可能会因熔融炉结构而受到制约，具有等离子体炬产生的等离子体无法使熔融炉内部的热保持均匀的问题。
以往，就插入到等离子体熔融炉的等离子体炬而言，不仅需要安装主加热炬以确保向熔融炉内部传递足够的热，还需要追加安装对对象物质进行预热的预热炬，因而非常繁琐。另外，对于用在大容量规模或大型尺寸规模的熔融炉的等离子体炬而言，随着熔融炉尺寸的增大，会需要需求以上不必要的输出量，因此在炬的热效率、运行及维修方面具有会招来麻烦的缺点。
近来，为提高对象物质处理率而使用能够对200L桶规模直接进行处理的大型尺寸的熔融炉，考虑到由此产生的熔融炉及炬的热损失，适用兆瓦特(MW:mega watt)规模的等离子体炬。
[现有技术文献]
授权专利公报第10-1032055号(公告日期：2011.05.02)
授权实用新型公报第20-0343807号(公告日期：2004.05.17)
发明内容
发明要解決的问题
本发明旨在改善上述现有技术问题，尤其提供一种能够有效处理各种大体积废弃物的等离子体熔融炉。
用于解决问题的手段
用于达成上述目的的本发明的等离子体熔融炉一种等离子体熔融炉包括：熔融炉本体，其具有用于容纳熔融物的熔融室，所述熔融室上部的上表面包括水平上表面及相对于所述水平上表面倾斜的倾斜上表面，所述熔融炉本体包括贯通地形成于所述熔融室的底面且用于排出熔融物的熔融物排出部，及用于以预定倾斜度向所述熔融室内投入废弃物的投入装置；以及混合型等离子体炬，其倾斜地配置于所述倾斜上表面且在所述熔融室中产生熔融热。
优选地，所述投入装置和所述倾斜上表面相对于所述熔融炉本体以彼此相反的方向设置。
优选地，所述投入装置包括：桶台基部，其被设置成倾斜状以装入废弃物桶；推动部件，其可前后移动地设置于所述桶台基部内，用于将所述废弃物桶推入所述熔融室；以及引导支撑座，其用于连接所述桶台基部和所述熔融炉本体的侧面投入口以引导废弃物桶的投入。
更为优选地，所述投入装置还包括：滑动闸门，其可滑动开闭地设置于所述桶台基部的上部；以及投入闸门，其可上下开闭用于从空间上分离所述桶台基部和所述引导支撑座。
优选地，所述熔融物排出部包括：坝式排出闸门，其凸出地设置于所述熔融室的下部，排出预定高度以上的熔融物。
更为优选地，所述坝式排出闸门还包括感应加热式加热器。
优选地，所述熔融炉本体包括：两个以上的侧面排出闸门，其能够在所述熔融室的侧面的不同高度排出熔融物；以及发热部，其能够加热所述侧面排出闸门。
更为优选地，还包括：排出腔，其设置于所述熔融炉本体的侧部容纳沿着所述侧面排出闸门排出的熔融物，并且下部形成有排出口。
发明效果
根据本发明的等离子体熔融炉，被设置成形成有熔融炉本体的熔融室上部，其上安装有等离子体炬的上表面的局部具有预定的倾斜面，熔融室处的等离子体炬工作正常，且可使等离子体炬产生的等离子体热源可轻易地保持平衡直至熔融炉的上部。
并且，本发明提供一种混合型等离子体炬的喷嘴能够接近用于投入废弃物桶的投入装置的结构来设置，因此无需考虑大容量熔融炉可能发生的热损失而将等离子体炬制作成过大尺寸，从而保持等离子体炬稳定性。
附图说明
图1为本发明第一实施例的等离子体熔融炉的立体图；
图2为本发明第一实施例的等离子体熔融炉的平面图；
图3为本发明第一实施例的等离子体熔融炉的剖面构成图；
图4为图3中A部分的放大图；
图5为本发明第一实施例的等离子体熔融炉的排出腔的剖面构成图；
图6为本发明第二实施例的等离子体熔融炉的立体图；
图7为本发明第二实施例的等离子体熔融炉的平面图；
图8为本发明第三实施例的等离子体熔融炉的立体图；
图9为本发明第三实施例的等离子体熔融炉的平面图。
具体实施方式
本发明的实施例公开的特定结构乃至功能性说明只是用于说明基于本发明的概念的实施例，基于本发明的概念的实施例可以以多种形态实施。并且，不得解释为局限于本说明书说明的实施例，应理解为包括属于本发明的思想及技术范围的所有变更物、等同物乃至替代物。
另外，本发明所述的第一及/或第二等术语可用于说明多种构成要素，但所述构成要素并不受限于所述术语。所述术语仅作为使一个构成要素区别于其他构成要素的目的使用，例如在不超出基于本发明的概念的权利要求的范围内，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
当提及某构成要素“连接于”或“接合于”其它构成要素的情况下，虽然可能直接连接于或接合于所述其它构成要素，但应理解为中间还可以存在其它构成要素。反面，若提及某构成要素“直接连接于”或“直接接触于”其它构成要素的情况下，应理解为中间不存在其它构成要素。用于说明构成要素之间的关系的其他描述即“～之间”和“就在～之间”或“相邻于～”和“直接相邻于～”等描述也应如上解释。
本说明书中使用的术语只是用于说明特定的实施例，其目的并非对本发明进行限定。单数的描述在文中无其他明确定义的前提下还包括描述复数。应理解本说明书中的术语“包括”或“具有”等只是用于指定存在实施的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合，而并非预先排除一个或一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。
以下参考附图对本发明进行详细说明。
如图1至图3所例示，本发明第一实施例的等离子体熔融炉包括：具有用于容纳熔融物的熔融室101的熔融炉本体100、和在熔融室101中发生熔融热的等离子体炬191、192。
熔融炉本体100可采用诸如耐热砖之类的具有优异耐热性的材料制成，并且可以同时采用金属材料来强化结构。熔融炉本体100内部形成有冷却流路102，通过冷却水的循环使熔融炉本体100的外部表面保持适当温度(<60℃)。
另外，熔融室101的结构使熔融室101在运行时能够保持负压，优选地是，能够最大程度地抑制灰尘的产生和熔液的飞溅现象。
熔融炉本体100上部具有上部投入部111a，且侧部设有另外的投入装置120，用于投入废弃物。
具体来讲，上部投入部111a可以由小口径(大致20cm)的投入管构成，可用于投入非桶形的可燃性废弃物。
投入装置120设置在贯通地形成于熔融炉本体100的侧部的侧面投入口101a，可用于直接投入200L的废弃物桶10。
具体来讲，投入装置120包括倾斜地设置且用于装入废弃物桶10的桶台基部121，和可前后移动地设置于桶台基部121内将废弃物桶10推入熔融室101的推动器122，以及连接桶台基部121和熔融炉本体100的侧面投入口101a并且引导废弃物桶10的投入的引导支撑座123。
桶台基部121设置成具有大致20°～45°范围的缓坡，从而能够沿着倾斜面投入废弃物桶10。因此，废弃物桶10沿着缓坡面投入到熔融室101内，从而能够使施加到熔融炉本体100的冲击最小化。
优选地，桶台基部121包括：位于上部且可滑动开闭的滑动闸门121a，及从空间上分离桶台基部121和引导支撑座123且能够上下开闭的投入闸门121b。
如上构成的投入装置120可以在滑动闸门121a打开的状态下通过传送吊车124将废弃物桶10安置在桶台基部121，之后在滑动闸门121a闭合的状态下打开投入闸门121b，之后操作推动器122使桶台基部121的废弃物桶10能够投入到熔融室101内。
因此，本发明能够将废弃物桶10以原有的柱形状态装入到熔融室101内，并且能够防止在对滑动闸门121a和投入闸门121b进行开闭操作投入废弃物桶的过程中流入外部空气，从而防止在熔融室101内产生的气体排出到外部。
通常，由原子能发电站等产生的中·低等级废弃物密闭保存于200L的桶容器，储存于桶的废弃物是可燃性、无机性等各种成分的废弃物，以多种形态收集及储存于桶中。因此，储存于200L桶的放射性废弃物有二次污染的隐患。由于难以另外分离及进行处理，因此使废弃物的投入、粉碎、燃烧及熔融等一系列稳定化处理连续地在一个熔融炉内完成尤为重要。因此，本发明能够将来自储存场所的废弃物桶以其原来的柱形形态投入到熔融炉内进行熔融处理并完成最终处理。
之后，如图3所例示，熔融炉本体100整体上具有圆筒形状，形成熔融室101的上部的上表面(111、112)包括水平上表面111及相对于该水平上表面111的后侧向下方向具有预定角度为θ1的倾斜上表面112。
另外，由水平上表面111和倾斜上表面112构成的上部(111、112)可以是与熔融炉本体100构成为一体型的结构，或者，可以使上部111、112为能够与熔融炉本体100分离的结构，从而提高熔融炉本体100的维护便利性。
水平上表面111可具有大致与地面水平且能够投入废弃物的上部投入部111a，水平上表面111的后侧向下方向具有预定角度为θ1的倾斜上表面112，倾斜上表面112上设置有等离子体炬(191、192)，所述等离子体炬(191、192)设置成在垂直方向具有预定角度θ2。
作为参考，应理解本发明所述的水平上表面111并非从绝对意义上来讲相对于地面水平，而是从与倾斜上表面112相对的意义上来讲大致水平。因此，水平上表面111可倾斜且倾斜的角度范围小于倾斜上表面112的倾斜角θ1。
另外，安装在倾斜上表面112上的每个等离子体炬(191、192)设置有引导部件(未示出)和驱动源(未示出)，从而能够在上下方向调节插入长度，便于移动操作。
如上，等离子体炬191、192设置于倾斜上表面112，因此等离子体炬发生的火焰会均匀地分布到熔融室101内，并且能够在使等离子体炬保持较小的上下可动范围的同时得到稳定的输出。
另外，倾斜上表面112的倾斜角θ1和等离子体炬(191、192)的倾斜角θ2可彼此不同或彼此相同。
优选地，在熔融炉本体100的一侧部的投入装置120相反的方向上设置倾斜上表面112，因此倾斜上表面112的等离子体炬(191、192)下端的喷嘴能够设置成指向投入装置120，从而能够向废弃物桶10的投入位置提供充分的熔融热，不需要另外设置用于切断、粉碎废弃物桶10的等离子体炬。
优选地，本发明的等离子体炬(191、192)可以由彼此独立运行的混合型的第一等离子体炬191和第二等离子体炬192构成。
熔融炉本体100的底面设置有底部电极103且所述底部电极103设置成与炬的喷嘴方向并列，使得混合型等离子体炬能够以移动工作模式工作。底部电极103能够从熔融炉本体100拆卸。
上述可独立运行的两个等离子体炬(191、192)中的任意一个在运行时，另一个作为预备用途处于等待状态，正在运行的炬因工作气体供应不良等原因而无法正常工作的情况下，可开始运行处于等待状态的炬。上述两个等离子体炬的运行控制与另外的炬监控装置联动从而可以实现自动控制。
并且，设置于倾斜上表面112的混合型的等离子体炬(191、192)具有的结构能够使炬喷嘴接近于通过投入装置120投入到熔融室101内的废弃物桶10的装入方向，因此，废弃物桶10装入到熔融室内时，通过前后移动的炬所得的预热粉碎废弃物桶10，废弃物桶10内部的内容物倾泻到熔融室101底部时可迅速地上下移动炬以保持炬的稳定性。
熔融炉本体100下部设置有熔融物排出部，尤其熔融物排出部由坝式排出闸门130构成，优选地，还包括感应加热方式的加热器。
坝式排出闸门130下端可具有可拆卸地与第一模装置20结合的第一夹具140，第一夹具140密封锁定于第一模装置20防止向第一模装置20排出熔融物时外气流入熔融炉内部，从而保持熔融炉内部的气氛。
另外，使得具有密封垫或合成橡胶之类的密封部件的第一夹具140能够在气密状态下组装于第一模装置20，此处考虑到密封部件的材质，可在第一夹具140或其周边设置用于冷却水循环的冷却流路以防止密封部件因高温而劣化。
具体参考图4，坝式排出闸门130凸出形成为熔融炉本体100的底面预定高度h以上。坝式排出闸门130可包括包围下部排出口131的周边设置的感应线圈132，以及固定于感应线圈132内侧且用于间接感应加热的导电体即排出管133。
采用如上构成的坝式排出闸门130，即使将熔融室101内的熔融物全部排出，预定高度h以下的熔融物还是一直残留在熔融室101内，因此能够防止熔融室101内壁直接暴露于投入废弃物之前为再运行熔融炉而进行预热的过程中由等离子体炬发生的高温等离子体，从而能够防止熔融室101内壁受损。
另外，坝式排出闸门130的感应线圈132未被接通电源时，熔融物以高粘度的固形物状态封住下部排出口131，向感应线圈132接通电源的情况下，熔融物以低粘度的固形物状态，因自重而通过下部排出口131排出到外部。
上述设置于熔融炉本体100下部的熔融物排出部可用于排出熔融物中比重大的金属物质或排出所有熔融物。
附图标记105是支撑熔融炉本体100的下部支撑用结构物。
再次参考图1及图2，熔融炉本体100侧部还可以包括能够容纳并排出通过多个侧面排出闸门排出的熔融物的排出腔150。
参考图5，熔融炉本体100具有位于熔融室101侧面的不同高度上且用于排出熔融物的侧面排出闸门(160、170)，包括能够加热侧面排出闸门(160、170)的发热部(181、182)。
各侧面排出闸门(160、170)具有电动式或液压式的驱动部(161、171)，通过上下移动能够打开或关闭形成于熔融炉本体100的各排出流路(104a、104b)。
各排出流路(104a、104b)以预定的倾斜度贯通地形成于熔融炉本体100内使得熔融物能够通过自重轻松地排出到外部，具备相邻于排出流路(104a、104b)且能够使排出的熔融物的温度保持熔融温度(1600℃)以上的发热部(181、182)。
这种发热部(181、182)可以由金属或非金属材料的发热体构成，并可根据排出流路104a、104b的尺寸或长度形成为线材或面状形态。另外，可以提供感应加热方式的热源作为发热部的另一实施例。
本实施例例示各个排出流路(104a、104b)上设置有发热体，但也可以用一个共同发热体加热两个排出流路(104a、104b)。
优选地，还可以包括位于熔融炉本体100侧部用于容纳从各侧面排出闸门(160、170)排出的熔融物的排出腔150。
排出腔150可以是与熔融炉本体100一体化的密闭结构物，或者是能够从熔融炉本体100拆卸的结构物。另外，所提供的排出腔150为能够从熔融炉本体100拆卸的结构物的情况下，还可以在排出腔150与熔融炉本体100之间追加设置用于保持气密的气密部件。
排出腔150的下部具有炉渣排出口151，炉渣排出口151下端可具有可拆卸地结合于第二模装置30的第二夹具152。第二夹具152可密封锁定于第二模装置30防止在向第二模装置30排出熔融物(炉渣)时外气流入排出腔150内部，以保持排出腔150内部的气氛。
第二夹具152可具有密封垫或合成橡胶之类的密封部件使得能够在气密状态下组装于第二模装置30，此处考虑到密封部件的材质，可在第二夹具152或其周边设置用于冷却水循环的冷却流路以防止密封部件因高温而劣化。
排出腔150可具有能够观察排出闸门(160、170)的观察窗153，还可以包括能够对此进行拍摄得到影像信号的监控摄像头(未示出)。
可在排出腔150的前方设置可开闭的门体154使得排出熔融物时能够取得样品进行抽样，可在排出腔150内设置发热单元155用于调节排出腔150内部的温度。这种发热单元155可以由在1，500℃以上的高温下也能够有效地作为发热体的二硅化钼(molybdenumdisilicide，MoSi2)构成。
图5示出了侧面排出闸门(160、170)可以打开和关闭地配置于熔融炉本体100的外侧，但侧面排出闸门也可以设置于熔融炉本体内侧或熔融室内并排出熔融物。
图6为本发明第二实施例的等离子体熔融炉的立体图，图7为本发明第二实施例的等离子体熔融炉的平面图。以下省略对与第一实施例相同的构成的重复说明。
参考图6及图7，根据本发明第二实施例的等离子体熔融炉，熔融炉本体200整体呈椭圆柱形状，形成熔融室的上部的上表面(211、212)包括水平上表面211和相对于该水平上表面211向后侧向下方向具有预定角度的倾斜上表面212。
优选地，倾斜上表面212设置于熔融炉本体200的一侧部，位于与投入装置220相反的方向上，更优选地，投入装置220与倾斜上表面212沿着椭圆形的熔融炉本体200的长轴(x轴)方向配置。
更优选地，熔融炉本体200包括与倾斜上表面212垂直地相接的垂直侧面200a。
如上所述，能够彼此独立地运行的两个混合型等离子体炬(291、292)左右对称地设置于倾斜上表面212上。
图8为本发明第三实施例的等离子体熔融炉的立体图，图9为本发明第三实施例的等离子体熔融炉的平面图。省略对与上述第一实施例相同的结构的重复说明。
参考图8及图9，本发明第三实施例的等离子体熔融炉的熔融炉本体300可具有由多个矩形构成的多面体结构，整体上相当于除去上表面的六面体结构。
形成熔融室的上部的上表面(311、312)由水平上表面311，及相对于该水平上表面311向后侧下方倾斜的倾斜上表面312构成。
优选地，倾斜上表面312可设置于熔融炉本体300的一侧部，位于与用于投入桶形废弃物的投入装置320相反的方向上。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明总体构思的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
符号说明
100、200、300：熔融炉本体 101：熔融室
102：冷却流路 111、211、311：水平上表面
111a：上部投入部 112、212、312：倾斜上表面
120、220、320：投入装置 121：桶台基部
122：推动部件 123：引导支撑座
130：坝式排出闸门 140：第一夹具
150：排出腔 160、170：侧面排出闸门
181、182：发热部
191、291、391：第一等离子体炬
192、292、392：第二等离子体炬

Claims (8)

1.一种等离子体熔融炉，其特征在于，包括：
熔融炉本体，其具有用于容纳熔融物的熔融室，所述熔融室上部的上表面包括水平上表面及相对于所述水平上表面倾斜的倾斜上表面，所述熔融炉本体包括贯通地形成于所述熔融室的底面且用于排出熔融物的熔融物排出部及用于以预定倾斜度向所述熔融室内投入废弃物的投入装置；以及
混合型等离子体炬，其倾斜地配置于所述倾斜上表面且在所述熔融室中产生熔融热。
2.根据权利要求1所述的等离子体熔融炉，其特征在于：
所述投入装置和所述倾斜上表面相对于所述熔融炉本体以彼此相反的方向设置。
3.根据权利要求1所述的等离子体熔融炉，其特征在于，所述投入装置包括：
桶台基部，其被设置成倾斜状以装入废弃物桶；
推动部件，其可前后移动地设置于所述桶台基部内，用于将所述废弃物桶推入所述熔融室；以及
引导支撑座，其用于连接所述桶台基部和所述熔融炉本体的侧面投入口以引导废弃物桶的投入。
4.根据权利要求3所述的等离子体熔融炉，其特征在于，所述投入装置还包括：
滑动闸门，其可滑动开闭地设置于所述桶台基部的上部；以及
投入闸门，其可上下开闭以从空间上分离所述桶台基部和所述引导支撑座。
5.根据权利要求1所述的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔融物排出部包括：
坝式排出闸门，其凸出地设置于所述熔融室的下部，排出预定高度以上的熔融物。
6.根据权利要求5所述的等离子体熔融炉，其特征在于，
所述坝式排出闸门还包括感应加热式加热器。
7.根据权利要求1所述的等离子体熔融炉，其特征在于，所述熔融炉本体包括：
至少两个侧面排出闸门，其能够在所述熔融室的侧面的不同高度排出熔融物；以及
发热部，其能够加热所述侧面排出闸门。
8.根据权利要求7所述的等离子体熔融炉，其特征在于，还包括：
排出腔，其设置于所述熔融炉本体的侧部，用于容纳沿着所述侧面排出闸门排出的熔融物，下部形成有排出口。
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