CN117781688A - 一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程，涉及电熔炉的技术领域，包括熔炉、防堵疏通机构和出料机构，熔炉的顶盖上设置有防堵疏通机构、进料口和排气口、底部设置有出料机构，出料机构中设置有出料管和备用出料管。本发明可通过防堵疏通机构有效克服熔炉运行过程中出现的析晶、贵金属沉积导致的出料管堵塞问题。

Description

一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程

技术领域

本发明涉及电熔炉的技术领域，特别是涉及一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程。

背景技术

动力堆是指供发电或动力用的反应堆(见裂变反应堆)。主要类型有：压水堆、沸水堆、重水堆、熔盐(增殖)堆、石墨水冷堆和中子增殖。核电站发电是通过核燃料在核反应堆中发生裂变反应放出能量，和火力发电站要不断加煤一样，当核燃料维持不了一定的功率的时候也需要更换，这些被换下来的核燃料组件就叫做乏燃料反应堆元件。乏燃料元件后处理过程中产生的高放废液(HLW)具有高放射性、高释热性和高生物毒性等特点，因此必须对其进行妥善地处理和处置以保护人类和环境免受其污染。目前，国内外通常采用玻璃固化技术处理高放废液，将高放废液转化成稳定、可靠的玻璃固化体之后再做深地质处置。

高放废液玻璃固化是一种在高温下(超过1150℃)，将高放废液蒸发、煅烧、与玻璃基材熔制形成稳定的废物玻璃体的技术，它是目前世界上唯一用于工程规模的固化高放废液的方法。玻璃在高温状态下有液态性，能够溶解很多废物氧化物，使得高放废液中的化学元素(包括放射性核素)结合在玻璃结构中，形成新的玻璃结构。这一溶解过程的特有性质是在高放射性环境中进行反应。

硼硅酸盐玻璃是国内外主流的高放废液玻璃固化基体，具备较好的废物包容能力、化学稳定性、抗辐照性能以及相对成熟的生产工艺。在高燃耗的动力堆乏燃料后处理高放废液中，镧系元素Ln(如La、Ce和Nd等)、Zr和Mo等问题元素的较生产堆含量高。这些问题元素在传统的硼硅酸盐玻璃体系中的溶解度较低或不稳定，易从玻璃固化体中析出或分离从而造成黄相、析晶沉积、未熔相等问题，晶体沉积到熔炉冻融阀后，常规加热不能让晶体融化，进而影响高燃耗动力堆高放废液玻璃固化工艺过程。

动力堆乏燃料后处理高放废液中的贵金属主要是钌、铑、钯，其化学性质很稳定玻璃熔融体中的贵金属会对玻璃熔制产生不利影响。对于直接电加热的陶瓷电熔炉中，不允许沉降的贵金属在熔炉底部大量聚集，否则玻璃熔融体将不再是一个均匀的立体导体。贵金属具有金属一样的高电导性，它的电导率远远高于玻璃熔融体的电导率。如果大量贵金属沉积在熔炉底部，就会造成玻璃熔融体中的电流分布不均匀，造成熔炉下部电流过高，甚至会烧坏熔炉电极。此外，沉积的大量贵金属会形成粘度很大的类似泥浆的层，高粘度的贵金属泥浆层会影响底部出料，造成底部出料堵塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程，以解决上述现有技术存在的问题，使贵金属泥浆沉积后可以搅拌和疏通，即便出料堵塞后仍可以启用备用出料管。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，包括熔炉、防堵疏通机构和出料机构，所述熔炉的顶盖上设置有所述防堵疏通机构、进料口和排气口、底部设置有所述出料机构，所述出料机构中设置有出料管和备用出料管。

优选的，所述熔炉的炉腔为多层陶瓷耐火砖构成的炉腔，所述熔炉的炉体采用全电焦耳加热炉体，所述熔炉内设置有若干个温度传感器。

优选的，所述熔炉的炉体上设置有七根加热电极，其中两根所述加热电极对称设置所述炉体的中上部，四根所述加热电极对称设置所述炉体的中部，一根所述加热电极设置所述炉体的底部出料口上方8cm-15cm。

优选的，所述出料机构包括所述出料管和所述备用出料管，所述出料管设置于所述熔炉的底部，所述备用出料管设置于所述熔炉底部的侧壁上，所述备用出料管不高于所述出料管20cm。

优选的，所述出料管和所述备用出料管上均设置有两层水冷感应线圈，两层所述水冷感应线圈分别加热所述熔炉的锥部和出料管。

优选的，所述防堵疏通机构包括搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机和搅拌桨，所述搅拌电机设置于所述顶盖的安装孔上，所述搅拌桨贯穿所述顶盖与所述搅拌电机连接，所述搅拌桨的末端位于所述出料管上方10cm，所述搅拌桨的材质包括镍基合金。

优选的，所述防堵疏通机构还包括一疏通机构，所述疏通机构包括丝杠电机和疏通杆，所述丝杠电机设置于所述顶盖的安装孔上，所述疏通杆贯穿所述顶盖与所述丝杠电机连接，所述疏通杆的下端能够贯穿所述出料管，所述疏通杆的材质包括镍基合金。

优选的，所述顶盖上还设置有冷帽监测机构，所述顶盖上设置有观测孔，所述观测孔内设置有反光镜，冷帽监测机构包括摄像头，所述摄像头通过所述反光镜观测所述熔炉内冷帽的分布情况。

本发明还涉及一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉操作流程，基于上述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，所述熔炉升温运行后，炉腔中心温度控制在1050℃-1150℃、空腔温度控制在800℃-1000℃，加入模拟废液或者无离子水后，当空腔温度低于400℃时，开启炉体中上部的两根加热电极，将空腔温度维持在400℃-600℃，通过冷帽监测机构观测冷帽的覆盖情况，使所述冷帽的覆盖率维持在85％-90％，并根据冷帽覆盖率调节炉体中上部的两根加热电极的功率。

优选的，当检测到所述熔炉中加热电极的电阻增加1.5倍时，确认熔炉内玻璃发生析晶行为，此时停止向所述熔炉内供料，调节所述炉体中部的四根加热电极的功率，使所述熔炉内的温度整体提高50℃，所述空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的搅拌机构插入所述熔炉内的析晶区域，所述搅拌机构按20r/min-100r/min的搅拌速度将所述析晶区域的玻璃上翻至所述熔炉的中部进行重新熔制。

优选的，当所述熔炉的出料速度降低至0.5倍，确认所述熔炉出料出现堵塞情况，此时停止向所述熔炉内供料，调节所述炉体中部的四根加热电极的功率，使所述熔炉内的温度整体提高50℃，所述空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的疏通机构插入所述熔炉内等待1min，待所述炉体中部的四根加热电极的温度达到800℃，启动所述疏通机构使疏通杆插入所述出料管中，并往复操作3次-5次，将贵金属、析晶通道疏通后，取出所述疏通机构。

优选的，当出料管彻底失去出料功能后，启动备用出料管，打开所述备用出料管上的水冷感应线圈，对备用出料管路进行加热。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可通过防堵疏通机构有效克服熔炉运行过程中出现的析晶、贵金属沉积导致的出料管堵塞问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉安装搅拌机构的结构示意图；

图2为本发明实施例中动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉安装疏通机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中熔炉顶盖上的结构布局图；

其中：1-熔炉，2-进料口，3-排气口，4-出料管，5-备用出料管，6-水冷感应线圈，7-加热电极，8-冷帽监测机构，9-搅拌电机，10-搅拌桨，11-丝杠电机，12-疏通杆，13-温度传感器，14-观测孔，15-备用孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉及操作流程，以解决现有技术存在的问题，使贵金属泥浆沉积后可以搅拌和疏通，即便出料堵塞后仍可以启用备用出料管。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1至图3所示：本实施例提供了一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，包括熔炉1、防堵疏通机构和出料机构，熔炉1的顶盖上设置有防堵疏通机构、进料口2和排气口3、底部设置有出料机构，出料机构中设置有出料管4和备用出料管5。本实施例中进料口2上连接防堵疏通机构，即在进料口2上安装电机。

作为一种可选方案，本实施例中熔炉1的炉腔为多层陶瓷耐火砖构成的炉腔，熔炉1的炉体采用全电焦耳加热炉体，熔炉1内设置有若干个温度传感器13。熔炉1还包括保温层、电极、不锈钢外结构等结构与常规电加热炉体设置方式相同，此处便不再赘述。熔炉1的顶盖上设置有进料口2、排气口3、测温孔和两个备用孔15，测温孔内设有一温度传感器13(测温热电偶)，测温热电偶位于电极附近，共有四个，一个用于测空腔的温度，两个用于测冷帽的温度，一个用于测熔炉1中部的温度；两个备用孔15可用于排气或者测温。

作为一种可选方案，本实施例中熔炉1的炉体上设置有七根加热电极7，其中两根加热电极7对称设置炉体的中上部，四根加热电极7对称设置炉体的中部，一根加热电极7设置炉体的底部出料口上方8cm-15cm。传统加热电极7设计都是炉体中部电极少且功率低、上部电极多且功率高，由于上部加热功率较大因此很难控制冷帽的大小。本实施例的加热电极7分布设计方式，即能够实现熔炉1冷帽有效控制，也能保障炉腔加热温度的需求，避免熔炉1功率损失，其中底部的加热电极7辅助出料口加热，可方便控制出料速率，中部的加热电极7是负责玻璃煅烧及熔融，提供主要加热功率，上部的加热电极7主要是负责控制冷帽的大小，便于控制冷帽的覆盖率。

作为一种可选方案，本实施例中出料机构包括出料管4和备用出料管5，出料管4设置于熔炉1的底部，备用出料管5设置于熔炉1底部的侧壁上，备用出料管5不高于出料管4的上端20cm。本实施例中增加了备用出料管5，避免了底部中心的出料管4在事故状态下彻底堵死后没有其它出料手段，可以确保熔炉1的正常运行。

作为一种可选方案，本实施例中出料管4和备用出料管5上均设置有两层水冷感应线圈6，两层水冷感应线圈6分别加热熔炉1的锥部和出料管4。本实施例中设置有两级水冷中频感应加热，双出料管上各有一级上层感应加热位置为熔炉1底部出料冻融阀和贵金属沉积区域加热，下层加热位置为出料管4加热，避免了熔炉1冻融阀进通过传热和低功率电机加热时，冻融阀析晶状态下，加热温度低，效率慢等难题，通过两级中频加热，能够实现玻璃晶体的快速溶解。

作为一种可选方案，本实施例中防堵疏通机构包括搅拌机构，搅拌机构包括搅拌电机9和搅拌桨10，搅拌电机9设置于顶盖的安装孔(进料口2)上，搅拌桨10贯穿顶盖与搅拌电机9连接，搅拌桨10的末端位于出料管4上方10cm，搅拌桨10为螺杆式搅拌桨且材质包括镍基合金(因科镍690)，或者其他耐高温材料。本实施例通过搅拌可使电化学产生的贵金属均匀分布在玻璃相中，搅拌机构可在出现结晶、贵金属沉积趋势下，对沉积区域进行强制搅拌，避免玻璃的分相，减少贵金属沉积到加热电极7和熔炉1底部，确保玻璃顺利出料。

作为一种可选方案，本实施例中防堵疏通机构还包括一疏通机构，疏通机构包括丝杠电机10和疏通杆12，丝杠电机10设置于顶盖的安装孔上，疏通杆12贯穿顶盖与丝杠电机10连接，疏通杆12的下端能够贯穿出料管4，疏通杆12的材质包括镍基合金。本实施例的疏通杆12可在熔炉1底部出现结晶、贵金属沉积趋势情况下，对出料管4进行疏通，可避免因晶体累积导致的出料管4堵塞；也在炉体内发生晶体或贵金属堵塞后，也可采用自上而下方式疏通出料管4，能有效的避免贵金属或晶体的堵塞，并提供了堵塞情况下的一种顶部疏通方法，能够使产品玻璃均匀，延长熔炉1运行周期。

作为一种可选方案，本实施例中顶盖上还设置有冷帽监测机构8，顶盖上设置有观测孔14，观测孔14内设置有反光镜，冷帽监测机构8包括摄像头，摄像头通过反光镜观测熔炉1内冷帽的分布情况。冷帽控制是熔炉1运行过程中稳定操作的重要的关键因素，要保持冷帽占熔池表面积85％-90％的覆盖率。当覆盖率过小时，熔池向上部炉腔辐射的热大大增加，排气的温度可以从200℃提高到400℃以上，此时排气量和排气中的夹带量也因温度升高和挥发物增加而增加，会使排气系统中的黄相和固体沉积物量也增加，此外，由于大量热辐射放出，也会使熔池温度下降，这对玻璃的熔制是不利的。而覆盖率过大时，虽然排气温度较低，排气量和夹带量都较少，但由于界面处的炉壁陶瓷材料的温度较大，当液位波动时，陶瓷材料将收到强烈的热冲击，易产生裂纹。因此熔炉1运行时要特别防止出现覆盖率忽大忽小的情况，以免造成整个系统的不稳定和影响熔炉1的寿命。本实施例中利用潜望镜原理设计，采用耐高温、耐辐射、高温防爆的摄像头，实现了对熔炉1内冷帽覆盖率的直观观测，并能有效调控冷帽的覆盖率，解决了目前仅能通过空腔温度反应冷帽覆盖率的问题。其中，冷帽监测机构8的设置及连接方式不限于本实施例中方式，其他可行方式亦可。

实施例二

本实施例还涉及一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉操作流程，基于上述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，熔炉1升温运行后，炉腔中心温度控制在1050℃-1150℃、空腔温度控制在800℃-1000℃，加入模拟废液或者无离子水后，当空腔温度低于400℃时，开启炉体中上部的两根加热电极7，将空腔温度维持在400℃-600℃，通过冷帽监测机构8观测冷帽的覆盖情况，使冷帽的覆盖率维持在85％-90％，并根据冷帽覆盖率调节炉体中上部的两根加热电极7的功率。

作为一种可选方案，本实施例中当检测到熔炉1中出料口处加热电极7的电阻增加1.5倍时，确认熔炉1内玻璃发生析晶行为，此时停止向熔炉1内供料，调节炉体中部的四根加热电极7的功率，使熔炉1内的温度整体提高50℃，空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的搅拌机构插入熔炉1内的析晶区域，搅拌机构按20r/min-100r/min的搅拌速度将析晶区域的玻璃上翻至熔炉1的中部进行重新熔制。

作为一种可选方案，本实施例中当熔炉1的出料速度降低至0.5倍，确认熔炉1出料出现堵塞情况，此时停止向熔炉1内供料，调节炉体中部的四根加热电极7的功率，使熔炉内1的温度整体提高50℃，空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的疏通机构插入熔炉1内等待1min，待炉体中部的四根加热电极7的温度达到800℃，启动疏通机构使疏通杆12插入出料管4中，并往复操作3次-5次，将贵金属、析晶通道疏通后，取出疏通机构。

作为一种可选方案，本实施例中当出料管4彻底失去出料功能后，启动备用出料管5，打开备用出料管5上的水冷感应线圈6，对备用出料管5进行加热。

本实施例提供了一种动力堆高放废液液体进料全电焦耳加热陶瓷电熔炉1的操作工艺，实现了对熔炉1内冷帽覆盖率的观测，并利用搅拌机构能有效的避免贵金属或晶体的堵塞，并提供了堵塞情况下的一种顶部疏通方法，能够使产品玻璃均匀，延长熔炉1运行周期。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：包括熔炉、防堵疏通机构和出料机构，所述熔炉的顶盖上设置有所述防堵疏通机构、进料口和排气口、底部设置有所述出料机构，所述出料机构中设置有出料管和备用出料管。

2.根据权利要求1所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述熔炉的炉腔为多层陶瓷耐火砖构成的炉腔，所述熔炉的炉体采用全电焦耳加热炉体，所述熔炉内设置有若干个温度传感器。

3.根据权利要求1所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述熔炉的炉体上设置有七根加热电极，其中两根所述加热电极对称设置所述炉体的中上部，四根所述加热电极对称设置所述炉体的中部，一根所述加热电极设置所述炉体的底部出料口上方8cm-15cm。

4.根据权利要求1所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述出料机构包括所述出料管和所述备用出料管，所述出料管设置于所述熔炉的底部，所述备用出料管设置于所述熔炉底部的侧壁上，所述备用出料管不高于所述出料管20cm。

5.根据权利要求4所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述出料管和所述备用出料管上均设置有两层水冷感应线圈，两层所述水冷感应线圈分别加热所述熔炉的锥部和出料管。

6.根据权利要求1所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述防堵疏通机构包括搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机和搅拌桨，所述搅拌电机设置于所述顶盖的安装孔上，所述搅拌桨贯穿所述顶盖与所述搅拌电机连接，所述搅拌桨的末端位于所述出料管上方10cm，所述搅拌桨的材质包括镍基合金。

7.根据权利要求6所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述防堵疏通机构还包括一疏通机构，所述疏通机构包括丝杠电机和疏通杆，所述丝杠电机设置于所述顶盖的安装孔上，所述疏通杆贯穿所述顶盖与所述丝杠电机连接，所述疏通杆的下端能够贯穿所述出料管，所述疏通杆的材质包括镍基合金。

8.根据权利要求1所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：所述顶盖上还设置有冷帽监测机构，所述顶盖上设置有观测孔，所述观测孔内设置有反光镜，冷帽监测机构包括摄像头，所述摄像头通过所述反光镜观测所述熔炉内冷帽的分布情况。

9.一种动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉操作流程，基于权利要求1-8中任意一项所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉，其特征在于：

所述熔炉升温运行后，炉腔中心温度控制在1050℃-1150℃、空腔温度控制在800℃-1000℃，加入模拟废液或者无离子水后，当空腔温度低于400℃时，开启炉体中上部的两根加热电极，将空腔温度维持在400℃-600℃，通过冷帽监测机构观测冷帽的覆盖情况，使所述冷帽的覆盖率维持在85％-90％，并根据冷帽覆盖率调节炉体中上部的两根加热电极的功率；

当检测到所述熔炉中加热电极的电阻增加1.5倍时，确认熔炉内玻璃发生析晶行为，此时停止向所述熔炉内供料，调节所述炉体中部的四根加热电极的功率，使所述熔炉内的温度整体提高50℃，所述空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的搅拌机构插入所述熔炉内的析晶区域，所述搅拌机构按20r/min-100r/min的搅拌速度将所述析晶区域的玻璃上翻至所述熔炉的中部进行重新熔制。

10.根据权利要求9所述的动力堆高放废液陶瓷双出料电熔炉操作流程，其特征在于：

当所述熔炉的出料速度降低至0.5倍，确认所述熔炉出料出现堵塞情况，此时停止向所述熔炉内供料，调节所述炉体中部的四根加热电极的功率，使所述熔炉内的温度整体提高50℃，所述空腔温度允许超过600℃，此时将防堵疏通机构的疏通机构插入所述熔炉内等待1min，待所述炉体中部的四根加热电极的温度达到800℃，启动所述疏通机构使疏通杆插入所述出料管中，并往复操作3次-5次，将贵金属、析晶通道疏通后，取出所述疏通机构；

当出料管彻底失去出料功能后，启动备用出料管，打开所述备用出料管上的水冷感应线圈，对备用出料管路进行加热。