RU1810391C - Плазменна шахтна печь дл переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровн активности - Google Patents

Abstract

Использование; компактировамие и преобразование твердых и жидких отходов в химически устойчивый подлежащий захоронению материал. Сущность: после плазменной переработки отходов 30 в шахте 2 шлакометаллический расплав 31 поступает в камеру гомогенизации 6 и подвергаетс  плазменно-электрошлаковой обработке разр дом 32 от источника 26, подключенно

Description

го к аноду 15 плазменного реактора 12 и кристаллизатора /К/ 20. Вывод и сброс расплава 31 осуществл етс  при выт гивании слитка 33 из К 20 и резке пилой 24 на отливки 35. Вторичные отходы, образующиес  в печи, поступают в растворный узел 23 с образованием,цементного раствора , который через кольцевой питатель 22

формирует футеровочную оболочку 36 вокруг отливки 35, помещенной в контейнер 28. Печь позвол ет снизить уровень радиационной безопасности путем уменьшени  выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, образующихс  в печи . 1 ил., 1 табл,

Изобретение относитс  к атомной энергетике, а именно к устройствам дл  переработки неидентифицированных радиоактивных отходов среднего и низкого уровн  активности, и может быть использована дл  компактировани  и преобразовани  твердых и жидких отходов в химически устойчивый, подлежащий захоронению материал,Цель изобретени -повышение радиационной безопасности путем уменьшени  выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов образующихс  в печи.

Дл  достижени  данной цели в известной плазменной шахтной печи -дл  перера- ботки радиоактивных отходов; низкого и среднего уровн  активности, содержащей вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту, сообщающуюс  в верхней части с камерой дожигани  газов, соединенной i через систему охлаждени  с фильтром, а в нижней части с устройством подвода окислител , плазменными генераторами и горизонтальной камерой гомогенизации шлака с плазменными реактором дл  ввода жидких горючих радиоактивных отходов , включающем последовательно и еоосно установленные катод, диэлектрическое газовое кольцо, анод и изолированную камеру смешени , сообщающуюс  с камерой гомоге- ниэации шлака, подовый электрод, устройство дл  вывода и сбора шлака и источник посто нного тока, подключенный отрицательным полюсом к подовому электроду, а положительным - к аноду плазменного реак- тора, она снабжена растворным узлом, сообщающимс  через патрубок подачи смеси золы и вод ного шлама с камерой дожигани , фильтром и системой охлаждени , подовый электрод выполнен в виде кристаллизатора сообщающегос  с камерой гомогенизации, а устройство вывода и сбора шлака выполнено в виде еоосно и последовательно установленных с кристаллизатором и охваченных герметичным кожухом устройства выт жки слитка, кольцевого питател  цементного раствора, подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы,

На чертеже изображен общий вид предлагаемой плазменной шахтной печи дл  переработки радиоактивных отходов в разрезе.

Предлагаема  печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов 1 и шахта 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 шлака 6, а в верхней части 7 - через патрубок 8 с камерой дожигани  газов 9, соединенной через систему охлаждени  10с фильтром 11. Камера гомогенизации 6 имеет плазменный реактор 12, содержащий последовательно и еоосно установленные катод 13, диэлектрическое газовое кольцо 14, анод 15 и камеру смешени  16, сообщающуюс  с камерой гомогенизации 6 и изолированную от нее Изол тором 17. Устройство дл  вывода и сбора шлака 18 выполнено в виде еоосно и последовательно установленных и охваченных герметичным кожухом 19, кристаллизатора

20. который сообщен с камерой гомогенизации шлака 6, устройства дл  выт жки слитка

21. кольцевого питател  цементного раствора 22, подключенного к растворному узлу 23, и дисковой пилы 24 с приводом 25. Источник посто нного тока 26 подключен отрицательным полюсом к кристаллизатору 20, а положительным полюсом - к аноду 16 плазменного реактора 12. Растворный узел 23 снабжен патрубком 27 подачи смеси золы от камеры дожигани  газов 9 и фильтра 11с вод ным шламом из системы охлаждени  10. Контейнеры 28 установлены под устройством дл  вывода и сбора шлака 19 на контейнере 20 с возможностью перемещени . Под позицией 30 показаны отходы, расположенные в узле загрузки 1 и шахте 2, Под позицией 31 изображен расплав шлака и металла в камере гомогенизации 6. Под позицией 32 показан плазменный разр д гор щий между анодом 15 плазменного реактора 12 и поверхностью расплава шлака и металла 31 в камере гомогенизации 6. Под позицией33 показан непрерывный слиток формирующийс  в кристаллизаторе 20;

Под позицией 32 изображен фронт кристаллизации в слитке 33. Под позицией 35 показана отливка, отрезаема  от непрерывного слитка 33. Под позицией 36 изображен цементный раствор в контейнере 28, Под позицией 37 показана крышка/ерметизирующа  контейнер 28.

Плазменна  шахтна  печь дл  переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывноили периодический загружаютс  твердые радиоактивные отходы 30. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 5 и плазменного реактора 12, а также на кристаллизатор 20 подаетс  охлаждающа  вода.-С помощью выт жного вентил тора или дымососа -(на чертеже не показанных), установленных после фильтра

11, в шахте 2 через патрубок 8 создаетс  разр жение на уровне 200 Па. При помощи устройства 4 дл  подачи окислител  через плазменные генераторы 5, установленные в нижней части 3 шахты 2 подаетс  окислитель или окислитель в смеси с необходимым количеством топлива. Плазменные генераторы 5 известными методами.генерируют высокотемпературные потоки, истекающие в шахту 2, Твердые отходы 30, проход  по шахте 2, последовательно подвергают сушке , пиролизу, газификации и горению горючих компонентов и плавлению залы и негорючих компонентов с образованием расплава 3.1, который стекает в камеру гомогенизации б. Образующиес  в шахте 2 газообразные продукты по патрубку 8, установленному в верхней части шахты 2, поступает в камеру дожиганий 9 известной конструкции, например, вертикальную пр моточную или циклонную, где осуществл етс  дожигание и термическое разложение горючих составл ющих и химически агрессивных веществ с частичным отделением крупной золы. Далее газы поступают в систему охлаждени  10. например в кожухот- рубчатый или скрубберный теплообменник, где понижаетс  температура до 200-300° С.

Затем газы очищаютс  в фильтре 11, например в металлокерамическом фильтре тонкой очистки, с полным отделением золы и аэрозолей и сбрасываютс  в атмосферу. На плазменный реактор 12 через газовое кольцо 14 подаетс  окислитель, а на катод 13 и анод 15 прикладываетс  напр жение от источника посто нного тока и зажигаетс  плазменна  дуга. Жидкие, горючие отходы конвертируютс  с заданным коэффициентом избытка воздуха в камере смешени  16, изолированной от камеры гомогенизации 6 изол тором 17. В момент запуска печи и при накоплении расплава 31 в камере гомогенизации б, в устройстве дл  вывода и сбора шлака 18, заключенного в герметичный кожух 19, дно кристаллизатора 20 закрываетс  плотно установленной металлической 5 затравкой (на чертеже не показана), заправленной в устройство дл  выт жки 21. По мере накоплени  расплава 31 происходит кристаллизаци , на поверхности затравки и образование непрерывного слитка 33, перемещаемого устройством выт жки 21 и далее охваченного кольцевым питателем цементного раствора 22, подключенного к раствору узла 23, Затем непрерывный слиток 33 режетс  дисковой пилой 24, запитываемой

5 от привода 25 на отливки 35 определенных размеров, покрытых цементной футеровкой 36. Затем на кристаллизатор 20, выполн ющий функцию подового электродах подаетс  отрицательный потенциал от источника то0 ка 26, а положительный полюс- к аноду 15 плазменного реактора 12, причем камера смешени  16 изолирована от камеры гомогенизации с помощью изол тора 17. При этом между анодом 15 и расплавом 31 зажи5 гаетс  несамосто тельный дуговой разр д 32, гор щий в плазменном потоке продуктов конверсии жидких горючих отходов. Далее электрический ток замыкаетс  через расплав 31, осуществл   его высокоэффек0 тивный комбинированный плазменно-злек- трошлаковый нагрев, на кристаллизатор 20 и жидкую фазу слитка 33 по фронту кристал-. лизации 34. Пропускание тока в месте формировани  корочки слитка 33 обеспечивает

5 возникновение термоэлектрического эффекта за счет разности температур по толщине корочки при разогревающем эффекте Пельтье, при этом увеличиваетс  теплопроводность затвердевающей корочки,- тепло0 отвод от жидкого расплава 31 и быстрого формировани  корочки слитка 33 в кристаллизаторе 20. Поэтому облегчаетс  формирование слитка 33 из шлакометаллического расплава 31 и происходит подавление выно5 са активности с поверхности расплава 31, а также электрокинетическэ  иммобилизаци  радионуклидов на фронте кристаллизации 34. Услови  формировани  слитка 33 регулируютс  изменением расхода охлаждаю0 щей воды на кристаллизатор 20. По мере накоплени  посто нно или периодически зола из камеры дожигани  9 и фильтра 11с помощью гидротранспортировани  вод ным шламом из системы охлаждени  W,

5 подаетс  через патрубок 27 в растворный узел 23. Приготовленный цементный раствор посто нно или периодически подаетс  в кольцевой питатель 22, охватывающий с заданным зазором слиток 33, формиру  на его поверхности цементную футеровку 36. Образующиес 

при резке дисковой пилой 24 слитка 33 пыль и осколки захватываютс  и сорбируютс  цементным раствором 36. Отрезанна  отливка 35,футерованна  цементным раствором 36, погружаетс  в контейнер 28, перемещаю- щийс  по конвейеру 29 известной конструкции . Далее контейнер 28 перемещаетс  по контейнеру 29 из-под устройства дл  вывода и сбора шлака 18 и выдерживаетс  в герметизируемой шлюзовой камере (на чертеже не показана) дл  сушки и термической обрабочжи цементной футеровки 36 за счет внутреннего тепла отливки 35. Затем контейнер 28 герметизируетс  с помощью крышки 37 известными методами, напри- мер сваркой, а под устройство дл  вывода и сбора шлака 18 подводитс  по конвейеру следующий контейнер 28. Из-за гравитационной сегрегации расплава 31 в камере гомогенизации 6 возможно, селективное выт гивание слитка 33, из металла или из шлака, что позвол ет рафинировать металлы от радионуклидов, перевод  их в шлак с получением рециклинга металлов. Возможно выполнение камеры смешени  16 плазменного реактора 12 из графита или металлических труб, например, радиационно загр зненных , с возможностью вертикального перемещени  и погружени  в расплав 31, с проведением электрошлаковой обработки от источника 26. При этом реализуетс  плазмен- но-электрощлаковое рафинирование радиационно загр зненных металлов с использованием шлака, полученного в шахтной печи с подфлюсовкой и монокапельного переноса нагретого в плазменной струе металла через слой шлака. Рафинирующий эффект по удалению из расплава металла соединений, несущих активность при плаз- менно-электрошлаковой обработке, основан на повышении химической активности шлака в области высоких температур, а также на эффекте электрического раскислени  расплава и шлака за счет электрического и магнитного пол  плазменной дуги. Подбира  определенную основность шлака, реализуетс  глубока  деактиваци  расплава, например , при введении в состав шлаков- (с твердыми отходами или непосредственно в камеру гомогенизации б) специальных флю- сов, состо щих из хлористых и фтористых солей щелочно-земельных металлов, повышающих их рафинирующее воздействие на неметаллические включени , несущие активность . При переработке стали с гомоген- ным распределением радионуклидов, например железо 55, кобальт 60, в расплаве возможно уменьшение их массовой доли путем разбавлени  с уменьшением удельной активности и повторным использованием. В

данной печи возможно использование вместо неподвижного кристаллизатора 20, установленного в поду камеры гомогенизации 6, кристаллизаторов скольжени , винтовых и изогнутых кристаллизаторов, а также кристаллизаторов с горизонтальным выт гиванием или верхним выт гиванием с намораживанием. Возможна установка двух кристаллизаторов.20 на разных уровн х в камере гомогенизации 6 дл  раздельного вывода шлака и металла при использовании шлакоотделитёлей (на чертеже не показано). Исключение аварийных ситуаций, снижающих радиационную безопасность, св занных с вытеканием расплава из камеры гомогенизации 6 через прогревшую корочку формирующегос  слитка 33, достигаетс , например, регулированием длины кристаллизатора и его охлаждени . Возможна установка двух последовательно расположенных кристаллизаторов, причём первый кристаллизатор формирует шлаковую радиационно-загр зненную отливку, а второй кристаллизатор большего диаметра, охватывающий шлаковую отливку, формирует кольцевую отливку из металла, подаваемого по отдельному металлопроводу из камеры гомогенизации (на чертеже не показано), при этом шлакова  отливка охвачена кожухом , предотвращающим разрушение отливки под действием термической усадки и уменьшаетс  выщелачиваемость шлака с повышением радиационной безопасности, Проводились сравнительные исследовани  по определению радиационной безопасности при переработке радиоактивных отходов в шахтной печи по прототипу и в предложенной плазменной шахтной печи, Переработке подвергались твердые отходы в виде смеси древесины с влажностью 20% и зольностью 5%, а также стального лома в количестве 30%. В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивна  соль хлорида цези , раствором которой насыщались брикеты моделиру  отходы низкого уровн  активности. Производительность обоих печей по твердым отходам составл ла - 60 кг/ч, Суммарна  электрическа  мощность, подводима  к плазменным генераторам 5 и плазменному реактору 12, составл ет 70 кВт. Расход жидких горючих отходов в виде машинного масла составл л - 2 г/с. В качестве окислител  использовалс  воздух с общим расходом 15 г/с, Общее врем  работы каждой печи 200 ч. В печи по прототипу шлакометаллический расплав с расходом 26 кг/ч сливаетс  непрерывно из камеры гомогенизации 6 через летку в боковой стенке в виде струи. В предложенной плазменной шахтной печи использовалс  медный кристаллизатор 20 с толщиной стенки 5 мм, диаметром 0,25 м. Устройство дл  выт жки 21 слитка 33 выполн лось из двух пар роликов с общим приводом через редуктор (на чертеже не показаны). Скорость выт жки 7 см/мин при удельном расходе охлаждающей воды на кристаллизатор 20 0,9-5 л/кг. В качестве дисковой пилы 24 с приводом 25 использовалась фреза-пила с алмазно-напыленной режущей кромкой, приводимой в движение двигателем переменного тока. Резательна  машина имеет электронное устройство (на чертеже не показано ), обеспечивающее синхронизацию ее собственной скорости со скоростью выт жки слитка 33, возможна резка и при остановке устройства дл  выт жки 21. Резка длитс  от 8 до 11 с.в зависимости от диаметра и прочности слитка 33, а отливка 35 подает в контейнер 28. В качестве растворного узла 23 использовалс  турбулентный бетоносмеси- тельтипа СБ-43Б с поршневым растворным насосом типа СБ-9А с производительностью 65 л/ч раствора и с гофрированным металлическим бетоноводрм, соедин ющим растворный узел 23 с кольцевым питателем 22 цементного раствора. В качестве в жущего е цементном растворе использовалс  портландцемент марки 600. Заполнителем  вл етс  зола из камеры дожигани  газов 9 и фильтра 11 с соотношением между золой и цементом 1:0,7. причем раствор затвор лс  на вод ном шламе из системы охлаждени  газов 10 с соотношением к воде 1:3.

Радиационна  безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отход щих из печи, а также по выносу имитатора в устройстве дл  вывода и сбора шлака 18. Дополнительно оценивалась степень выщелачиваемое™ шлака. В прототипе зола и шлам из камеры дожигани  9, фильтра 11 и системы охлаждени  10 подавалс  на узел загрузки 1, а в предложенной печи в растворный узел 23 и далее через кольцевой питатель 22 в контейнер 28.

Результаты сравнительных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки модельных отходов, применение предложенной плазменной шахтной печи позвол ет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом за счет уменьшени  выноса радионуклидов с отход щими газами в режимах: без ввода вторичных отходов - на 47% путем более эффективной герметизации печи и устранени  неконтролируемых подсосов воздуха через устройство дл  вывода и сбора шлака; после ввода

золы и шлама в 2,9 раза путем исключени  газификации легколетучих радионуклидов из вторичных отходов. Максимальное повышение радиационной безопасности достигаетс  5 при сокращении выноса радионуклидов в узле дл  вывода и сбора шлака в 96 раз за счет устранени  необходимости жидкостного перелива шлака и его вывода в виде твердой отливки при высокой термичности печи. До- 0 полнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов,  вл етс  уменьшение скорости вы- щелачиваемости шлака в 21 раз за счет скоростной кристаллизации и получени 

5 прочной и стойкой отливки с футеровочной оболочкой.

Снабжение печи растворным узлом сообщающимс  через патрубок подачи смеси золы и вод ного шлама с камерой дожигани ,

0 фильтром и системой охлаждени , позвол ет повысить радиационную безопасность за счет утилизации вторичных радиоактивных отходов , образующихс  в системах дожигани , охлаждени  и очистки отход щих газов, при

5 производстве цементной футеровки внутренней поверхности контейнеров с использованием внутреннего остаточного тепла отливок на сушку и термоупрочнение футеровки. Покрытие бочек и контейнеров с внутренней

0 стороны футеровкой из бетона с цементным раствором и добавками смолы повышает радиационную безопасность при хранении низко и среднеактивных отходов.

Выполнение подового электрода в виде

5 кристаллизатора, сообщающегос  с камерой гомогенизации, позвол ет повысить уровень радиационной безопасности за счет подавлени  выноса активности на межфазную поверхность расплав-плазменный факел и

0 электрокинетического транспортировани  радионуклидов в расплаве к фронту кристаллизации . Этр позвол ет использовать эффект электропереноса дл  рафинировани  метал лов от радионуклидов. При электропереносе

5 пропускание через жидкий металл посто нного тока приводит к перемещению определенных элементов - примесей к катоду или к аноду. Например, в металлургическом расплаве элемент, имеющий меньший атомный

0 вес, переноситс  к катоду. Электроперенос в сочетании с плазменно-шлаковым нагревом позвол ет очищать металлы от радионуклидов осуществлением рециклинга металлов, что повышает радиационную безопасность

5 при переработке отходов. Пропускание тока по расплаву через кристаллизатор подавл ет вынос активности на межфазную поверхность расплав-плазменный факел и обеспечивает электрокинетическое и электролитическое транспортирование радионуклидов в расплаве к фронту кристаллизации в слитке или в шлак, что дает возможность концентрировать изотопы в шлаке или металле и осуществл ть рециклинг металла с повышением радиационной без- опасности.

Выполнение устройства вывода и сбора шлака в виде соосно и последовательно установленных с кристаллизатором и охваченных герметичным .кожухом устройства выт жки слитка, кольцевого питани  цементного раствора , подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы позвол ет повысить радиационную безопасность при эксплуатации печи за счет уменьшени  выноса радионуклидов при выводе и сборе расплава переработанных отходов путем организации непрерывного или периодического лить  в слитки необходимых размеров,, их резки и сбора отливок в контейнеры Вывод шлака и ме- талла из печи в твердом виде обеспечивает минимизацию аэрозольных выбросов из-за отсутстви  распылени  и испарени  активных компонентов. В печи достигаетс  высока  герметизаци  печного пространства, наход щегос  под разр жением, строго обеспечива  необходимый состав и температуру атмосферы, что уменьшает вынос активности и повышает радиационную безопасность. Выполнение сливного отвер- сти  в виде кристаллизатора обеспечивает безопасность при неравномерном сходе сло  отходов в шахте и быстром повышении

уровн  расплава в камере гомогенизации за счет устранени  неконтролируемых выбросов расплава.

Ф о р м у лаизобретени  Плазменна  шахтна  печь дл  переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровн  активности, содержаща  узел загрузки, шахту и соединенные с ней систему дожигани  и очистки газов, устройство подвода окислител  и плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором дл  ввода жидких горючих радиоактивных отходов и источник посто нного тока, соединенный своим положительным полюсом с плазменным реактором , отличающа с  тем, что, с целью повышени  радиационной безопасности путем уменьшени  выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, она снабжена размещенным в нижней части камеры гомогенизации устройством формировани  отливок в виде вертикально установленной герметичной камеры с размещенными в; ней кристаллизатором, механизмом выт жки слитка, кольцеёым питателем дл  ввода цементного раствора и дисковой пилой, установленной на выходе камеры, причем кольцевой питатель дл  ввода цементного раствора соединен с системой дожигани  и очистки газом, а кристаллизатор соединен с отрицательным полюсом источника посто нного тока. .,...