RU1810912C - Плазменна шахтна печь дл переработки радиоактивных отходов - Google Patents

Abstract

Использование: переработка отходов низкого и среднего уровн  активности и преобразование твердых и жидких отходов в химически устойчивый, твердый. Сущность изобретени : после плазменной переработки отходов 30 в шахте 2 шлакометалличе- ский расплав 32 собираетс  в камере (К) гомогенизации 6 с нагревом плазменным факелом 31, генерируемым плазменным реактором 12. Вывод и сбор расплава 32 осуществл ют 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 производ т при перемещении кожуха 25 во врем  сканировани  Т23 над контейнерами; 18. Вторичные отходы, образующиес  в пе- чи, иммобилизуютс  при подаче в полость 24 Т23. Печь повышает уровень радиацией- j ной безопасности за счет уменьшени  выно-1 са радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов , образующихс  в печи. 1 ил., 1 табл. (Л С X A w0cff t/ 00 о ю ю

Description

Изобретение относитс  к атомной энергетике и технологии, а именно к устройствам дл  переработки неидентифицированных радиоактивных отходов среднего и низкого уровн  активности, и может быть использовано дл  компактировани  и преобразовани  твердых и жидких отходов в химически устойчивый, подлежащий захоронению материал .

Целью изобретени   вл етс  повышение радиационной безопасности печи путем уменьшени  выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, .образующихс  в печи.

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

Печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов 1 и шихту 2, снабженную в нижней части 3 устройством подвода окислител  4 и плазменными генераторами 5. В нижней части 3 шахта 2 сообщаетс  с горизонтальной камерой гомогенизации шлакаб, а верхней части 7 через патрубок 8 - с камерой дожигани  газов 9, соединенной через систему охлаждени  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 смешени  16, сообщающуюс  с камерой гомогенизации 6. Устройство дл  вывода и сбора шлака 17 в контейнеры 18 расположено в герметичной камере 19, сообщающейс  через отверстие 20 с камерой гомогенизации 6. Герметична  камера 19 расположена над камерой гомогенизации 6 и сообщена с ней через отверстие 20, закрывающеес  крышкой 21 с помощью устройства 22. Устройство дл  вывода и сбора шлака 17 выполнено в виде вертикально расположенной полой трубы 23 с внутренней полостью 24, котора  охвачена в верхней части кожухом 25, выполненным с возможностью перемещени  потрубе 23 приводом 26. Пола  труба 23 с кожухом 25 выполнены с возможностью возвратно- поступательного перемещени  по сообщающимс  через отверстие 20 камере гомогенизации б и герметичной камере 19: и возможностью сканировани  в герметичной камере 19 над контейнерами 18 с помощью устройства перемещени  27. Пола  труба 23 покрыта антипригарным покрытием 28 и снабжена в верхней части патрубком 29 подачи смеси золы от камеры дожигани  9 и фильтра 11с шламом из системы охлаж0

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

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

Плазменна  шахтна  печь дл  переработки радиоактивных отходов работает слео дующим образом.

Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывно или периодически загружаютс  неидентифицированныетвердые радиоактивные отходы 30. На водоохлажда5 емые элементы плазменных генераторов 5 и плазменного реактора 12 подаетс  охлаждающа  вода. С помощью дымососа и дымовой трубы, установленных после фильтра 11, в шахте 2 создаетс  разр жение на уровне

0 200 Па. При помощи установленных в нижней части 3 шахты 2 устройства 4 дл  подачи окислител  через плазменные генераторы 5 подаетс  окислитель, нагретый до температуры 1500-3000°С. Твердые отходы 30, опу5 ска сь вниз по шахте 2, последовательно подвергаютс  сушке, пиролизу, сжиганию и шлакообразованию. Полученный шлак 32 стекает из нижней части 3 шахты 2 в камеру гомогенизции 6, а образующиес  при переработке отходов 30 газы из верхней части 7 шахты 2 удал ютс  через патрубок 8 в камеру дожигани  9, где осуществл етс  полное окисление продуктов пиролиза и отделение

5 крупной золы. В качестве камеры дожигани  9 может использоватьс , например, циклонна  печь с плазменными горелками. Далее дымовые газы охлаждаютс  в системе охлаждени  10, например, с помбщью

0 кожухотрубчатых или скрубберных теплообменников , причем в результате Многократного циркулировани  охлаждающей воды в ней накапливаютс  эоловые частицы или продукты коррозии, загр зненные радио5 нуклидами, которые отдел ютс  в виде шлама . Затем охлажденные дымовые газы поступают в фильтр 11, например металло- керамический фильтр тонкой очистки, где удал ютс  мелкодисперсна  фракци  золы и аэрозоли, После этого дымовые газы с

0

помощью дымососа подаютс  к дымовой трубе. Металлошлзковэ  смесь 32. скалива- юща с  в камере гомогенизацииб, поддерживаетс  в расплавленном состо нии с помощью плазменного факела 31, генерируемого плазменным реактором 12, -состо щим из последовательно и соосно установленных катода 13, газового кольца 14, анода 15 и камеры смешени  16. При подаче через газовое кольцо 14 окислител , зажигании электрической дуги между катодом 13 и анодом 15 и подаче топлива, например жидких горючих отходов, на камеру смешени  16 в камере гомогенизации 6 возникает топливно-плазменный факел 31. При этом в устройстве дл  вывода и сбора шлака 17 пола  труба 23 с кожухом 25 с помощью устройства перемещени  27 переведены в герметичную камеру 19, а отверстие 20 закрыто крышкой 21, снабженной устройством 22, позвол ющим перемещать крышку 21, например, при возвратно-поступательном движении, повороте или откидывании. При накоплении определенного уровн  шлакометаллического расплава 32 в камере гомогенизации 6 осуществл етс  отключение плазменного реактора 12 и открытие крышки 21. С помощью устройства перемещени  27 осуществл етс  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, погрузилс  в расплав 6. Дл  контрол  уровн  погружени  трубы 23 в расплав 6 могут использоватьс  механические ограничители или концевые выключатели, которыми снабжаетс  устройство перемещени  27.

В устройство дл  вывода и сбора шлака 17 из камеры гомогенизации 6 вход т вертикальна  труба 23 с продольной полостью

24. и охватывающий ее подвижный кожух

25. Вертикальна  труба 23 может выполн тьс  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 осуществл тьс  охлаждающим агентом, например водой, газом, жидкими металлами, через стенку трубы 23 или аккумул цией тепла в объеме трубы 23. Подвижный кожух 25, концентрично окружающий трубу 23, снабжен устройством перемещени  26 вдоль ее поверхности, например,-черв чной или винтовой конструкции . Подвижный кожух 25 может снабжатьс теплообменником дл 

дополнительного охлаждени  трубы 23. Шлак и металл 32 в камере гомогенизации 6 осаждаетс  и кристаллизируетс  на поверхности трубы 23 с толщиной отливки 33. со5 ответствующей интенсивности отвода тепла в трубу 23. Врзм  нахождени  трубы 23 в расплаве 32 дл  формировани  отливки 33 ограничиваетс  поворотным растворением в жидком металле и шлаке 32. При погруже0 нии трубы 23 в расплав 32 происходит намо- раживание отливки 33, причем дл  увеличени  прочности и уменьшени  термотрещин могут использоватьс  известные ре жимы-охлаждени  трубы 23, например со скоростью 200°С/ с дл  чугуна. Размеры получаемой отливки 33, определ емые, например , габаритами контейнеров 18, могут регулироватьс  интенсивностью охлаждеQ ни  и глубиной погружени  в расплав 32 трубы 23. Задава  глубину погружени  трубы 23 в расплав 32 с помощью устройства перемещени  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 погружаема  нижн   часть трубы 23 покрыта антипригарным покрытием 28, многоразовым или одноразовым с нанесением перед каждым погружением. Использование противопригзрных покрытий 28.

5 например с применением погружени  трубы 23 в жидкие самотвердеющие или смол ные смеси, позвол ет облегчить удаление с трубы 23 отливки 33 с помощью кожуха 25. Могут использоватьс  известные методы предотвращени  пригара, например нанесение на поверхность трубы 23 противопри- гарных покрытий в виде паст, красок- и облицовочных смесей, которые после высыхани  образуют на поверхности трубы 23 непроницаемый дл  расплава 32 шлака и металла слой толщиной 0,2-3 мм. При этом покрытие 28 не должно иметь поры, проницаемые дл  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 покрыти  28,-его толщина могут мен тьс  в зависимости от температуры и состава расплава 32 металла и шлака. Например, дл 

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 формировани  отливки 33 произвог дитс  вертикальное перемещение трубы 23 с помощью устройства 27 в герметичную камеру 19 и закрывание отверсти  20 крышкой 21 с помощью устройства 22, В качестве устройства 27 дл  возвратно-поступательного перемещени  трубы 23 с кожухом 25 и их сканировани  над контейнерами 18 могут использоватьс  подъемно-транспортные механизы типа тельфера или кран-балки, а также телескопические устройства с гидро- или пневмоприводом.

Затем с помощью устройства 27 осуществл етс  горизонтальное перемещение трубы 23 с отливкой 33 и сканирование над контейнерами 18. Далее труба 23 с помощью устройства 27 перемещаетс  вертикально вниз и отливка 33 погружаетс  в свободный контейнер 18. С помощью устройства перемещени  26 ,кожух 25 перемещаетс  по трубе 23 и выдавливает отливку 33 в контейнер 18. Затем кожух 25 вновь поднимаетс  вверх и освобождает нижнюю часть трубы 23, котора  устройством перемещени  27 переводитс  в положение над отверстием 20. Далее цикл работы устройства дл  вывода и сбора шлака 17 повтор етс . Ввод и вывод контейнеров 18 в герметичную камеру 19 может осуществл тьс  автоматически, например, через герметизирующиес  двери, шлюзовые камеры, с помощью транспортных тележек или контейнеров . Герметизаци  контейнеров 18 крышками 36 может осуществл тьс  непосредственно в герметичной камере 19 или вне ее, например, с помощью закатывани  или сварки. По мере накоплени  золы в камере дожигани  газов 9 и фильтре 11, а также шламов в системе охлаждени  10, например , с помощью пневмо- или гидротранспорта , осуществл етс  периодическа  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 подвергающиес  газификации при температурном воздействии, то подача смеси золы и шлама 35 осуществл етс  в позиции трубы 23 над контейнером 18 после

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

освобождени  отливки 33. При этом смесь золы и шлама 35, котора  может предварительно смешиватьс  с отвердителем, например цементироватьс , заполн ет полость 34 отливки 33, образующуюс  после удалени  трубы 23.

Второй вариант подачи смеси золы и шлама 35 реализуетс  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 осуществл етс  от момента начала погружени  трубы 23 в расплав 32 дл  формировани  сплошной отливки 33, закрывающей отверстие полости 24. Частицы золы и шлама, попадающие в расплав 32,  вл ютс  центрами кристаллизации, ускор   рост отливки 33 за счет эффекта суспен- зионного лить , а также наблюдаетс  эффективна  иммобилизаци  вторичных радиоактивных отходов. Во всех режимах погружени  трубы 23 в расплав 32 дл  предотвращени  закупоривани  полости 24 в нее подаетс  газ, например воздух, с расходом , не нарушающим процесс роста отливки 33. Второй и третий вариант подачи смеси золы и шлама 35 реализуетс  при отсутствии легковозгон ющйхс  компонентов . В герметичной камере 19 охлаждение внешней поверхности отливки 33 может Осуществл тьс  с различной скоростью за счет естественного или принудительного охлаждени . Окончательной операцией  вл етс  герметизаци  контейнеров 18 крышкой 36 известными способами, например сваркой , закатыванием, и направление их на захоронение . Полна  труба 23 может выполн тьс  расходуемой и отрезатьс  известными методами, например, газорезкой, дугой, пилой, и вместе с отливкой 33 посту- пать на захоронение. При этом в качестве трубы 23 используютс  радиационно загр зненные трубы, например, из трубчатых теплообменников, Поверхность трубы 23 может покрыватьс  ребрами или арматурой, формирующей отливку 33.

Производились сравнительные исследовани  по определению радиационной безопасности при переработке модельных радиоактивных отходов в шахтной печи по прототипу и в предложенной печи. В обоих случа х переработке подвергались твердые отходы, представл ющие собой смесь бумаги и древесины с влажностью 15% и зольностью 5%, а также негорючих компонентов в виде металлического лома е копичестве 10%, котора  моделировала реальные нейдентифицированные отходы. В качестве вещества , имитирующего радионуклиды, использовалась неактивна  соль хлорида цези , раствором которой насыщались брикеты , моделиру  отходы низкого уровн  активности , Размеры брикетов после прессовани  - 100 X 100 X 250 мм,

Производительность обоих печей по твердым отходам составл ла - 50 кг/ч, Объемы по шлаку камеры гомогенизации 6 принимались равными 0,25 м , Коэффициент очистки газоочистной системы фильтра 11 составл ет 10 , Обща  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 смешени  16 плазменного реактора 12, составл ет 2 г/с. Суммарна  электрическа  мощность, подаваема  на плазменные реакторы 5 и плазменный реактор 12, без учета потерь на охлаждающие элементы, составл ет 70 кВт. В качестве окислител  использовалс  воздух с общим расходом 15 г/с. Общее врем  работы каждой печи 200 ч. В печи по прототипу шлакометаллический расплав сливаетс  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 осуществл лс  в контейнеры 18 в виде стандартных 100 л стальных бочек. Содержание имитатора в вид хлористого цези  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 перемещени  27 использовалась конструкци  кран-балки с .электрическим приводом грузоподъемностью 2 т и с дистанционным управлением. Пола  труба 23 выполн лась 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 врем  работы осуществл лось 20 циклов: погружение полой трубы 23 - получение отливки 33,

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

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

отход щих из печи при различных режимах работы и вариантах ввода вторичных радиоактивных отходов, а также по выносу имитатора в устройстве 17 дл  вывода и сбора шлака. Вынос активности при удалении шлакометаллической смеси 32 из печи оценивалс  по содержанию имитатора в.пыли и аэрозол х, возникающих в устройстве 17 дл  вывода и сбора шлака и собираемых в вентил ционных и дезактивационных системах . Дополнительно оценивалось количество и врем  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 позвол ет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом за счет уменьшени  выноса радионуклидов с отход щими газами в режимах: 1) без ввода вторичных отходов - на 31 % путем более эффективной герметизации печи и устранени  неконтролируемых подсосов воздуха через устройство дл  вывода и сбора шлака; 2) после ввода золы и шлама из камеры дожигани , фильтра и системы охлаждени  в шахту через узел загрузки (дл  прототипа) или в полую трубу (дл  предложенной печи) - в среднем дл  разных режимов на (27-60%), путем снижени  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 достигаетс  при сокращении выноса радионуклидов в узле дл  вывода и сбора шлака в 13,6 раз за счет устранени  необходимости перелива шлака и его вывода в виде твердой отливки. Также исключаютс  остановки печи дл  оперативного обслуживани  устройства дл  вывода и сбора шлака и непроизводительные затраты времени на проведение операций в услови х радиационной загр зненности, что повышает радиационную безопасность при эксплуатации печи. Дополнительным фактором , повышающим радиационную безопасность переработки отходов,  вл етс 

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

Выполнение герметичной камеры, расположенной над камерой гомогенизации и сообщающейс  с ней через отверстие с крышкой, позвол ет повысить уровень радиационной безопасности при эксплуатации печи за счет .расположени  отверсти  дл  вывода шлака выше уровн  расплава в камере гомогенизации. Поэтому нет опасности неконтолируемого прорыва расплава в устройство дл  вывода и сбора шлака, например, при обрушении сло  отходов в шахте. Исключаетс  прогар и зашлаковыва- ние сливных каналов, по вл етс  возможность выполн ть футеровку камеры гомогенизации достаточной толщины, рассчитанной при ее разрушении на срок эксплуатации , сравнимый с работой шахты.

Выполнение устройства дл  вывода и сбора шлака в виде охваченной в верхней части подвижным кожухом полой трубы, котора  имеет возможность возвратно-поступательного перемещени  через отверстие между камерой гомогенизации и герметичной камерой, и сканировани  над контейнерами в герметичной камере, позвол ет повысить уровень радиационной безопасности за счет вывода шлака металла или шлакометаллической смеси wVкамеры гомогенизации в твердой компактной форме в виде плотной отливки, Поэтому понижаетс  газификаци  радионуклидов, подавл етс  аэрозолеобразование, окисление металлических , компонентов.

Эвакуаци  шлака в контейнеры в твердом виде исключает необходимость мер, предотвращающих термическое вли ние расплава на материал контейнеров. Выполнение полой трубы с антипригарным покрытием и с расположенным на ее верхнем торце патрубком подачи смеси золы от камеры дожигани  и фильтра с вод ным шламом из системы охлаждени  позвол ет повысить уровень радиационной безопасности при эксплуатации печи за счет формировани  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 осуществл етс  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 отверсти  дл  вывода шлака выше уровн  расплава позвол ет исключить неконтролируемые выбросы расплава при неравномерном сходе сло  отходов в шахте. Сбор шлака в виде сформированных отливок исключает термическое коробление и прогар контейнеров, а также необходимости их подготовки, например футеровки.

20

Claims (5)

1. Вынос имитатора с отход щими газами:

1.1 до ввода золы и шлама из-камеры дожигани  9, фильтра 11 и системы охлаждени  10 на узел загрузки 1 (прототип) или в полую трубу 23 ( предложенна  печь), мг/ч

1.2 после ввода золы и щлама на узел загрузки 1 (по прототипу), мг/ч

1.3 после ввода золы и шлама через полую трубу 23:

1.3.1. на поверхность расплава 32 в камере гомогенизации 6, мг/ч

1.3.2. во врем  погружени  полой трубы 23 в расплав 6, мг/ч

1.3.3. в полость 34 отливки 33,

мг/ч

2. Вынос имитатора в узле дл  вывода и сбора шлака 17, мг/ч

3. Количество остановок печи на прочистку сливного отверсти  (в прототипе) устройства дл  вывода и сбора шлака 17

4. Врем , затрачиваемое на прочистку, ч

5. Скорость выщелачиваемости шлака в во- де на 28 сут контакта, г см2-сутт1

20,8

36,0

14,3

.tfc

12,2

10

20

,5 И О4

22.5

18,3

14,4

0,9

Нет Нет

4,