RU2079788C1

RU2079788C1 - Apparatus for melting radioactive waste

Info

Publication number: RU2079788C1
Application number: RU94004654A
Authority: RU
Inventors: Федор Анатольевич Лифанов; Игорь Андреевич Соболев; Сергей Александрович Дмитриев; Александр Павлович Кобелев; Игорь Анатольевич Князев; Альфред Хрубасик; Альберт Людвиг Хенеке
Original assignee: Московское научно-производственное объединение "Радон"; Фирма "Нукем ГмбХ"
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1997-05-20

Abstract

FIELD: radioactive waste management; burning of combustible solid radioactive waste with subsequent melting of ash residue. SUBSTANCE: apparatus has a cylindric guide shaft, a furnace jacket with a melt discharge channel, a heat-insulated water- cooled self-dumping asymmetric V-shaped bottom with a displaceable center of gravity, a conical cover of a melting chamber, plasma torches mounted on the cover, and an off- gas duct. EFFECT: simplified design; reduced power consumption; enhanced operational safety; higher throughput. 2 cl

Description

Заявляемое устройство относится к области переработки твердых радиоактивных отходов, а также других плавких типов отходов, не относящихся к классу радиоактивных. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при переработке золы сожженных радиоактивных отходов с целью ее перевода в монолитное состояние, удобное для последующего долгосрочного хранения. The inventive device relates to the field of processing of solid radioactive waste, as well as other fusible types of waste that are not classified as radioactive. The most effectively claimed device can be used in the processing of ash from burned radioactive waste in order to transfer it to a monolithic state, convenient for subsequent long-term storage.

Наиболее близким к заявляемому устройству является печь для плавления радиоактивных отходов, включающая направляющую цилиндрическую шахту, через которую происходит загрузка радиоактивных отходов, корпус печи с водоохлаждаемым подом, покрытые теплоизоляционным материалом, поднимаемые или опускаемые плазменные горелки для плавления отходов, размещенные перпендикулярно поверхности расплава по периметру корпуса печи, две плазменные горелки, обеспечивающие слив расплава в приемное устройство, само приемное устройство, а также газоход для отвода отходящих газов. Closest to the claimed device is a furnace for melting radioactive waste, including a guide cylindrical shaft through which the loading of radioactive waste, a furnace body with a water-cooled hearth, coated with heat-insulating material, raised or lowered plasma torches for melting waste, placed perpendicular to the surface of the melt around the perimeter of the body furnaces, two plasma torches, providing a drain of the melt into the receiving device, the receiving device itself, as well as the gas duct for removal of exhaust gases.

Недостатками известного устройства является:
повышенная сложность конструкции, связанная с наличием дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава радиоактивных отходов и приемного устройства для грануляции расплава;
пониженная надежность и безопасность работы печи, связанная с наличием подвижных плазменных горелок, предназначенных для плавления радиоактивных отходов, т.к. общеизвестно, что в условиях работы с радиоактивными или токсичными материалами по мере возможности следует избегать наличия в используемых устройствах каких-либо движущихся элементов их конструкций;
повышенная энергоемкость печи, связанная с наличием дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава отходов в приемное устройство, а также с неудачным размещением плазменных горелок, плавящих радиоактивные отходы и их конструкцией;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала, связанная с тем, что водоохлаждаемый под печи, в котором происходит плавление радиоактивных отходов, выполнен неподвижным, вследствие чего в нем постоянно будет присутствовать некоторое количество отходов, чья самопроизвольная выгрузка из-за расположения сливного отверстия на стенке пода будет невозможна. Опасность работы печи в этом случае будет выражаться в повышенном радиационном фоне, создаваемом неразгружаемой частью радиоактивных отходов;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала и окружающей среды вследствие неконтролируемости начала процесса слива расплава радиоактивных отходов, обусловленной расположением сливного отверстия на стенке водоохлаждаемого пода. Эта неконтролируемость проявляется в том, что обычно сливное отверстие бывает закрыто "пробкой" застывшего расплава и после включения плазменных горелок, обеспечивающих его слив, в момент расплавления "пробки" истечение расплавленных радиоактивных отходов может происходить бурно с выбросом;
повышенная опасность работы печи для обслуживающего персонала и окружающей среды, связанная с разбрызгиванием массы расплава радиоактивных отходов, т.к. плазменные горелки, обеспечивающие слив расплава, размещены таким образом, чтобы в процессе слива именно и происходило разбрызгивание (в прототипе формой конечного продукта переработки радиоактивных отходов являются гранулы, которые с точки зрения мер безопасности для окружающей среды при длительном хранении значительно уступают захораниваемому продукту в форме монолита).The disadvantages of the known device is:
increased design complexity associated with the presence of additional plasma torches, providing a drain of the melt of radioactive waste and a receiving device for granulation of the melt;
reduced reliability and safety of the furnace associated with the presence of movable plasma torches designed for melting radioactive waste, because it is well known that in working with radioactive or toxic materials, whenever possible, the presence of any moving elements of their structures in the devices used should be avoided;
increased energy intensity of the furnace associated with the presence of additional plasma torches, ensuring the discharge of the molten waste into the receiving device, as well as with the unsuccessful placement of plasma torches melting radioactive waste and their design;
increased danger of the operation of the furnace for maintenance personnel, due to the fact that the water-cooled under the furnace, in which the radioactive waste is melted, is made stationary, as a result of which a certain amount of waste will be constantly present in it, whose spontaneous discharge due to the location of the drain hole on the hearth wall will be impossible. The danger of the operation of the furnace in this case will be expressed in increased radiation background created by the non-loading part of the radioactive waste;
increased danger of the operation of the furnace for staff and the environment due to the uncontrolled start of the process of draining the melt of radioactive waste due to the location of the drain hole on the wall of the water-cooled hearth. This uncontrollability is manifested in the fact that the drain hole is usually closed by a “plug” of the solidified melt and after turning on the plasma torches that provide its drain, the molten radioactive waste may expire violently with the ejection at the time of the “plug” melting;
increased danger of the operation of the furnace for staff and the environment associated with the spraying of the mass of the melt of radioactive waste, because plasma torches providing melt discharge are arranged so that during the discharge the spraying occurs (in the prototype, the form of the final product of the processing of radioactive waste is granules, which, in terms of environmental safety measures during long-term storage, are significantly inferior to the stored product in the form of a monolith )

Преимуществами заявляемого устройства для плавления радиоактивных отходов являются упрощение его конструкции, понижение энергоемкости, а также повышение безопасности его работы для обслуживающего персонала и окружающей среды. The advantages of the inventive device for melting radioactive waste are the simplification of its design, lowering energy consumption, as well as improving the safety of its operation for staff and the environment.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемое устройство содержит направляющую цилиндрическую шахту для загрузки расплавляемых радиоактивных отходов, крышку плавильной камеры, на которой размещены плазменные горелки, снабженные топливными вставками (узлами ввода топлива), расположенные таким образом, что направление распространения плазменного факела находится под углом к поверхности расплава и газоход для отвода отходящих газов, опрокидывающийся со смещаемым центром тяжести теплоизолированный и водоохлаждаемый под V-образной несимметричной формы, снабженный противовесом, а также кожух, соединенный с крышкой плавильной камеры, между которыми этот под находится, и имеющий канал для слива расплава радиоактивных отходов. These advantages are provided due to the fact that the claimed device contains a guide cylindrical shaft for loading molten radioactive waste, a cover of the melting chamber, on which are located plasma torches equipped with fuel inserts (fuel injection units), located so that the direction of propagation of the plasma torch is under angle to the surface of the melt and a flue for exhaust gas tilting with a displaceable center of gravity heat-insulated and water-cooled under a V-shaped asymmetric shape, equipped with a counterweight, as well as a casing connected to the lid of the melting chamber, between which this is located, and having a channel for draining the melt of radioactive waste.

Для определения момента начала слива расплава противовес соединен с датчиком давления, по показаниям которого происходит опрокидывание и опорожнение теплоизолированного и водоохлаждаемого пода D-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести. To determine the moment of the beginning of melt discharge, the counterweight is connected to a pressure sensor, according to the testimony of which the capsule is dipped and emptied, and the water-cooled hearth is D-shaped asymmetric with a displaced center of gravity.

Сущность устройства для плавления радиоактивных отходов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3. The essence of the device for melting radioactive waste is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-3.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 - аксонометрия V-образного пода несимметричной формы со смещаемым центром тяжести; на фиг. 3 конструкция плазменной горелки, снабженной топливной вставкой. In FIG. 1 shows a General view of the device in section; in FIG. 2 is a perspective view of an asymmetrical V-shaped hearth with a displaceable center of gravity; in FIG. 3 design of a plasma torch equipped with a fuel insert.

Устройство для плавления радиоактивных отходов состоит из цилиндрической шахты 1, крышки плавильной камеры 2, плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, газохода 5, пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6, противовеса 7, кожуха 8, канала для слива расплава 9, датчика давления 10, водоохлаждаемой рубашки 11 и слоя теплоизоляционного материала 12. A device for melting radioactive waste consists of a cylindrical shaft 1, a cover of the melting chamber 2, plasma torches 3, equipped with fuel inserts 4, a gas duct 5, a hearth of a V-shaped asymmetric shape with a movable center of gravity 6, a counterweight 7, a casing 8, a channel for draining the melt 9, a pressure sensor 10, a water-cooled jacket 11 and a layer of heat-insulating material 12.

Под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 имеет в своем составе расположенное по периметру уплотняюще-опорное ребро 13, сливной желоб 14 и опорную ось 15. Under the V-shaped asymmetric shape with a displaceable center of gravity 6 includes a sealing-supporting rib 13 located along the perimeter, a drain chute 14 and a supporting axis 15.

Плазменная горелка 3, снабженная топливной вставкой 4, состоит из водоохлаждаемого катода 16, металлической вставки 17, водоохлаждаемого анода 18, газовводного кольца-изолятора 19, водоохлаждаемых рубашек 20, и патрубок подачи топлива 21. The plasma torch 3, equipped with a fuel insert 4, consists of a water-cooled cathode 16, a metal insert 17, a water-cooled anode 18, a gas inlet insulator ring 19, water-cooled jackets 20, and a fuel supply pipe 21.

Устройства работает следующим образом. The device works as follows.

Непосредственно перед загрузкой радиоактивных отходов включают плазменные горелки 3, снабженные топливными вставками 4, и разогревают все устройство до температуры 500-700^oC.Immediately before loading the radioactive waste, plasma torches 3 are included, equipped with fuel inserts 4, and the entire device is heated to a temperature of 500-700 ^o C.

Упаковки с радиоактивными отходами (отходы черных и цветных металлов, зола, бумага, картон, стеклобой, использованная теплоизоляция и т.п.) загружают в цилиндрическую шахту 1 после чего в топливные вставки 4 через патрубки подачи топлива 21 подают окислитель (воздух или кислород) и горючий углеводород (C_n H_m) и поднимают температуру до 1550-1600^oC, причем подъем температуры осуществляют со скоростью 300-400^oC в час. В результате подъема температуры до вышеуказанной величины происходит сгорание горючей части радиоактивных отходов и плавление их негорючей части, а также продуктов сгорания. Последующие порции радиоактивных отходов сгорают и плавятся уже на поверхности расплава, накапливающегося в объеме пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6. Водоохлаждаемая рубашка 11 и слой теплоизоляционного материала 12 защищают металлический корпус пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 от разрушения при высоких температурах в объеме, ограниченном кожухом 8, выполненном также из теплоизоляционного материала и крышкой плавильной камеры 2. Под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 установлен в указанном объеме на опорной оси 15, фиксируемой стопором таким образом, что с помощью уплотняюще-опорного ребра 13 он герметично изолирует верхнюю часть объема, расположенную под крышкой плавильной камеры 2 от его нижней части, ограниченной кожухом 8, предотвращая тем самым возможность контакта зоны сгорания и плавления с окружающей средой через канал для слива расплава 9. По мере наполнения пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 расплавом радиоактивных отходов за счет его несимметричности возникает крутящий момент (указан стрелкой на фиг. 2), стремящийся опрокинуть под и создающий давление, передаваемое с помощью противовеса 7 на датчик давления 10. После достижения некой критической величины давления, фиксирующей с помощью датчика давления 10 момент начала выгрузки расплава, опорную ось 15 снимают со стопора, под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 опрокидывается и расплав радиоактивных отходов через сливной желоб 14 и канал для слива расплава 9 выливают в контейнер для приема радиоактивных отходов. Газы, образующиеся в процессе сгорания и плавления радиоактивных отходов, через газоход 5 поступают в систему газоочистки и затем на выброс в атмосферу.Packages with radioactive waste (waste of ferrous and non-ferrous metals, ash, paper, cardboard, cullet, used thermal insulation, etc.) are loaded into a cylindrical shaft 1 and then oxidizer (air or oxygen) is fed into the fuel inserts 4 through fuel supply pipes 21 and a combustible hydrocarbon (C _n H _m ) and raise the temperature to 1550-1600 ^o C, and the temperature rise is carried out at a speed of 300-400 ^o C per hour. As a result of raising the temperature to the above value, the combustible part of the radioactive waste is burned and their non-combustible part, as well as the products of combustion, are melted. Subsequent batches of radioactive waste burn up and melt already on the surface of the melt, which accumulates in the hearth of a V-shaped asymmetrical shape with a displaceable center of gravity 6. A water-cooled jacket 11 and a layer of heat-insulating material 12 protect the metal case of a hearth of a V-shaped asymmetric form with a displaceable center of gravity 6 from destruction at high temperatures in the volume limited by the casing 8, also made of heat-insulating material and the cover of the melting chamber 2. Under a V-shaped asymmetric shape with cm the center of gravity 6 is installed in the indicated volume on the supporting axis 15, fixed by the stopper in such a way that with the help of the sealing-supporting rib 13 it seals the upper part of the volume located under the cover of the melting chamber 2 from its lower part, limited by the casing 8, thereby preventing the possibility of contact of the combustion and melting zone with the environment through the channel for draining the melt 9. As the hearth is filled with a V-shaped asymmetric shape with a center of gravity 6 displaced by the molten radioactive waste due to its not symmetry, a torque occurs (indicated by the arrow in FIG. 2), tending to overturn under and creating a pressure transmitted by means of a counterweight 7 to the pressure sensor 10. After reaching a certain critical pressure value, fixing with the pressure sensor 10 the moment of the beginning of unloading of the melt, the support axis 15 is removed from the stopper, under the V-shaped asymmetric forms with a shifting center of gravity 6 capsize and the melt of radioactive waste through the drain channel 14 and the channel for draining the melt 9 is poured into a container for receiving radioactive waste. Gases generated in the process of combustion and melting of radioactive waste, through a gas duct 5 enter the gas treatment system and then for emission into the atmosphere.

После опорожнения под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 под действием противовеса 7 возвращается в исходное горизонтальное положение, а опорная ось 15 вновь фиксируется стопором. При этом слой расплава, оставшийся на сливном желобе 14 оплавляется и стекает в объем пода, т.е. происходит самоочистка сливного желоба 14. After emptying under a V-shaped asymmetric shape with a displaceable center of gravity 6 under the action of the counterweight 7 returns to its original horizontal position, and the support axis 15 is again fixed by the stopper. In this case, the melt layer remaining on the drain trough 14 is melted and flows into the hearth volume, i.e. self-cleaning the drain chute 14.

Для обеспечения возможности самоопрокидывания пода V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 по мере его наполнения расплавом радиоактивных отходов опорная ось 15 смещена в сторону меньшей грани днища пода. To enable self-tipping of the hearth of a V-shaped asymmetric shape with a displaceable center of gravity 6 as it is filled with a melt of radioactive waste, the support axis 15 is shifted toward a smaller face of the bottom of the hearth.

Плазменные горелки 3, установленные симметрично друг относительно друга на крышке плавильной камеры 2 конической формы, снабжены, как уже говорилось, топливными вставками 4 обеспечивающими более равномерное распределение температур по всей длине плазменного факела. При работе плазменной горелки 3 без топливной вставки 4 возникает электрическая дуга 22, создающая плазменный факел, температура в котором в зависимости от его длины (L) определяется кривой 1 (фиг. 4). В случае включения в работу плазменной горелки 3 топливной вставки 4 эта температура будет определяться уже кривой 2. Сравнение этих двух кривых показывает, что применение топливной вставки 4 обеспечивает более равномерное распределение температур, а также их более высокие значения в рабочей зоне плазменного факела (зона L между 100 и 300 мм). Plasma burners 3, mounted symmetrically relative to each other on the cover of the conical shaped melting chamber 2, are equipped, as already mentioned, with fuel inserts 4 providing a more uniform temperature distribution along the entire length of the plasma torch. When the plasma torch 3 is operated without the fuel insert 4, an electric arc 22 arises, creating a plasma torch, the temperature in which, depending on its length (L), is determined by curve 1 (Fig. 4). If the plasma burner 3 of the fuel insert 4 is turned on, this temperature will be determined already by curve 2. A comparison of these two curves shows that the use of the fuel insert 4 provides a more uniform temperature distribution, as well as their higher values in the working area of the plasma torch (zone L between 100 and 300 mm).

Коническая форма крышки плавильной камеры 2 делает возможным расположение плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, под углом к поверхности расплава радиоактивных отходов, что обеспечивает распространение плазменного факела вдоль поверхности расплава, а следовательно, и более эффективный его обогрев, а также исключает необходимость делать их подвижными. Общее количество плазменных горелок 3, снабженных топливными вставками 4, составляет не менее 2. The conical shape of the lid of the melting chamber 2 makes it possible to arrange plasma torches 3, equipped with fuel inserts 4, at an angle to the surface of the melt of radioactive waste, which ensures the spread of the plasma torch along the surface of the melt, and hence its more efficient heating, and also eliminates the need to make them movable. The total number of plasma torches 3 equipped with fuel inserts 4 is at least 2.

Самоопрокидывающийся под V-образной несимметричной формы со смещаемым центром тяжести 6 исключает наличие дополнительных плазменных горелок, обеспечивающих слив расплава радиоактивных отходов, упрощая конструкцию и понижая энергоемкость устройства, повышает безопасность работы устройства за счет контролируемости момента начала слива расплава и предотвращения его разбрызгивания при сливе, а также повышает безопасность работы устройства за счет предотвращения накопления неразгружаемой части расплава радиоактивных отходов. Self-tilting under a V-shaped asymmetric shape with a movable center of gravity 6 eliminates the presence of additional plasma torches that provide a drain of the melt of radioactive waste, simplifying the design and lowering the energy consumption of the device, increases the safety of the device due to the controllability of the moment of the beginning of the discharge of the melt and prevention of its splashing during discharge, and also increases the safety of the device by preventing the accumulation of non-loading part of the melt of radioactive waste.

Испытания подтвердили наличие вышеуказанных преимуществ заявляемого устройства по сравнению с прототипом, а также показали, что его производительность выше, чем у устройства согласно прототипа в 2-3 раза. Tests confirmed the presence of the above advantages of the claimed device compared to the prototype, and also showed that its performance is 2-3 times higher than that of the device according to the prototype.

Claims

1. A device for melting radioactive waste, containing a furnace casing with a channel for draining the melt and with a hearth inside it with a layer of insulation, a guide shaft for loading radioactive waste, the lower part docking with the casing is made expanded, plasma torches for melting radioactive waste, as well as a flue for exhaust gas, characterized in that the plasma torches in an amount of at least 2 are equipped with fuel inserts and mounted in the wall of the expanded part of the mine with the location of their longitudinal axes at an angle to the horizontal plane, underneath it is made water-cooled, and along the perimeter with a sealing-supporting rib and with a central part of a V-shaped asymmetric shape having inclined faces of different lengths, it is placed inside the casing on the axis with the possibility of rotation when self-tipping and return to its original position, in which the sealing-supporting rib from the side of the longer face made with the drain trough is associated with the lower plane of the expanded part of the shaft, and from the side of the shorter face ode conjugate plane with its lower housing, wherein a side smaller face is provided with a counterweight, connected to the pressure sensor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the plasma torches are mounted perpendicular to the wall surface of the expanded part of the shaft.