RU2070307C1

RU2070307C1 - Plasma shaft furnace for processing the radioactive wastes

Info

Publication number: RU2070307C1
Authority: RU
Inventors: В.К. Литвинов; И.А. Князев; А.П. Морозов; О.А. Князев
Original assignee: Морозов Александр Прокопьевич
Priority date: 1990-10-20
Filing date: 1990-10-20
Publication date: 1996-12-10

Abstract

FIELD: processing of wastes of the low and medium level of activity and conversion of solid and liquid wastes into chemically stable and subject to burning products and recycling of valuable components. SUBSTANCE: after plasma processing of wastes 34 in shaft 2, slag-metal melt 35 is collected in homogenization chamber 6 and heated by plasma flame 36 of plasma reactor 13 and electromagnet device 20 of source 23. Then, source 24 is engaged and slag-metal melt 35 is supplied through branch pipe 6 to centrifugal casing machine 27 with simultaneous feed through branch pipe 31 of ash from secondary combustion chamber 9 and filter 11 with formation of ingot 37. Then, ingot in container is placed into mold 38, and slime through branch pipe 32 is supplied to space 39 from cooling system 10 together with cement from mortar unit 33. EFFECT: higher radiation safety due to withdrawal of melt controlled by temperature and composition and production of hollow textured castings with utilization in them of secondary radioactive wastes. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и технологии, а именно к устройствам для переработки радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности и может быть использована для преобразования твердых и жидких отходов в химически устойчивый, твердый и подлежащий захоронению продукт, а также для рециклинга ценных компонентов. The invention relates to nuclear energy and technology, in particular to devices for the processing of radioactive waste of medium and low levels of activity and can be used to convert solid and liquid waste into a chemically stable, solid and to be disposed of product, as well as for recycling of valuable components.

Известна шахтная плазменная печь для ликвидации радиоактивных отходов, содержащая вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту с зонами сушки, пиролиза, сжигания и узлом шлакообразования, расположенные в зоне сжигания устройство подвода окислителя и плазменный генератор, а также устройство для вывода и сбора шлака сообщающееся с узлом шлакообразования [1]
В данной печи вывод и сбор шлака осуществляется струей с грануляцией в контейнеры, поэтому ухудшаются прочностные характеристики отливок и повышается способность выщелачиваемости радионуклидов, что понижает радиационную безопасность. В печи не реализуются условия для контролируемого вывода и охлаждения расплавленной шлакометаллической смеси, а условия заполнения контейнеров не обеспечивают равномерность кристаллизации и оптимальную текстуру отливок, из-за непостоянной температуры, скорости заливки и состава расплава. В данной печи зола, собранная на выходе газов из шахты, вновь подается в печь через узел загрузки отходов, что снижает радиационную безопасность, так как в этой зоне присутствуют радионуклиды, сорбированные на твердые частицы сажи, золы, солей и других соединений, обладающих низкой температурой испарения и легко газифицирующихся, поэтому повышается нагрузка на системы очистки газов. Сбор перегретого в узле шлакообразования шлака в контейнеры приводит к разрушению их стенок и попаданию радиационно загрязненного расплава в устройство для вывода и сбора шлака, что значительно снижает радиационную безопасность печи.A well-known mine plasma furnace for the elimination of radioactive waste, containing vertically and sequentially installed waste loading unit, a mine with drying, pyrolysis, combustion zones and a slag formation unit, an oxidizer supply device and a plasma generator located in the combustion zone, as well as a device for outputting and collecting slag communicating with a slagging unit [1]
In this furnace, the output and collection of slag is carried out by a jet with granulation into containers; therefore, the strength characteristics of castings deteriorate and the leachability of radionuclides increases, which reduces radiation safety. In the furnace, the conditions for the controlled withdrawal and cooling of the molten slag-metal mixture are not realized, and the filling conditions of the containers do not ensure uniform crystallization and optimal texture of the castings, due to the variable temperature, pouring speed, and composition of the melt. In this furnace, the ash collected at the gas outlet from the mine is again fed into the furnace through the waste loading unit, which reduces radiation safety, since in this zone there are radionuclides adsorbed on solid particles of soot, ash, salts and other compounds with a low temperature evaporation and easily gasified, so the load on gas cleaning systems increases. The collection of slag overheated in the slag formation unit into containers leads to the destruction of their walls and the ingress of radiation-contaminated melt into the device for slag removal and collection, which significantly reduces the radiation safety of the furnace.

Целью настоящего изобретения является повышение радиационной безопасности при переработке отходов за счет вывода расплава регулируемого по температуре и составу, и получения полых текстурированных отливок с утилизацией в них вторичных радиоактивных отходов. The aim of the present invention is to increase radiation safety in waste processing by removing the melt controlled by temperature and composition, and obtaining hollow textured castings with the disposal of secondary radioactive waste.

Для достижения данной цели в известной плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащей узел загрузки, шахту с наклонным подом, соединенную с шахтой камеру дожигания газов с системой охлаждения и фильтром, устройство подвода окислителя, плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором, устройство нагрева шлака, устройство образования отливок и устройство шлакоудаления в виде герметичной камеры и механизма выгрузки, она снабжена соединенным с камерой шлакоудаления и системой охлаждения камеры дожигания газов, устройством подачи цементного раствора, устройство образования отливок выполнено в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в камере шлакоудаления кокиля с литником, соединенного с камерой дожигания газов, фильтром и через патрубок с камерой гомогенизации, камера гомогенизации выполнена с подом наклонным навстречу поду шахты, а устройство нагрева шлака выполнено в виде индукторов, размещенных на внешних поверхностях патрубка, подов шахты и камеры гомогенизации. To achieve this goal, in a known plasma shaft furnace for processing low and medium level radioactive waste containing a loading unit, an inclined hearth shaft, a gas afterburner with a cooling system and a filter connected to the shaft, an oxidizer supply device, plasma generators, a horizontal homogenization chamber slag with a plasma reactor, a slag heating device, a casting device and a slag removal device in the form of a sealed chamber and an unloading mechanism, it is equipped with a joint connected with a slag removal chamber and a gas afterburner cooling system, a cement mortar supply device, the casting formation device is made in the form of a chill mold with a runner horizontally rotatable in the slag removal chamber, connected to a gas afterburner, a filter and through a pipe with a homogenization chamber, a homogenization chamber made with a hearth inclined towards the bottom of the shaft, and the slag heating device is made in the form of inductors placed on the outer surfaces of the pipe, the shaft bottom and homogenization chambers.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов в разрезе. The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of a plasma shaft furnace for processing radioactive waste in the context.

Печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки 1 и шахту 2 с наклонным подом 3. Шахта 2 снабжена устройством подвода окислителя 4 и плазменными генераторами 5, и сообщается с горизонтальной камерой гомогенизации шлака 6, а в верхней части 7 через патрубок 8 с камерой дожигания газов 9, соединенной через систему охлаждения 10 с фильтром 11. Камера гомогенизации 6 имеет в верхней части 12 плазменный реактор 13 и выполнена с подом 14 наклонным навстречу поду 3 шахты 2. Устройство шлакоудаления 15 включает патрубок 16, соединяющий камеру гомогенизации 6 с герметичной камерой 17, в которой установлены механизм выгрузки 18 с контейнерами 19. Устройство нагрева шлака 20 выполнено в виде плоских индукторов 21, размещенных на внешних поверхностях наклонного пода 3 шахты 2 и пода 14 камеры гомогенизации 6, и кольцевого индуктора 22 размещенного вокруг патрубка 16. Индукторы 21 и 22 последовательно или параллельно подключены к двум источникам питания 23 и 24, подводящих энергию соответственно для нагрева и транспортирования расплава. Для охлаждения индукторы 21 и 22 подключены также к источнику водоснабжения 25. Камера гомогенизации 6 соединена через патрубок 16 с литником 26 устройства образования отливок 27, установленного в герметичной камере 17. Устройство образования отливок 27 выполнено в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в устройстве шлакоудаления 15 кокиля 28, установленного на опорных роликах 29, приводимых во вращение двигателем 30. В торце кокиля 28 установлен литник 26, соединенный с помощью патрубка 31 с камерой дожигания газов 9 и фильтром 11. Устройство подачи цементного раствора 33 соединено с системой охлаждения 10 камеры дожигания газов 9 и, для подачи смеси шлака с цементным раствором, сообщается через патрубок 32, установленный над контейнерами 19, расположенных на механизме выгрузки 18, с герметичной камерой 17 устройства шлакоудаления 15. Под позицией 34 показаны отходы, расположенные в шахте 2. Под позицией 35 изображен расплав шлака и металла на поверхности подов 3 и 14. Под позицией 36 показан плазменный факел генерируемый плазменным реактором 13. Под позицией 37 изображен слиток формируемый в кокиле 28 устройства образования отливок 27. Под позицией 38 показан сформированный слиток, установленный в контейнере 19. Под позицией 39 изображена полость в слитке 38, в которую через патрубок 32 подается смесь водяного шлама из системы охлаждения 10 и цемента из устройства подачи раствора 33. The furnace includes vertically and sequentially installed loading unit 1 and a shaft 2 with an inclined hearth 3. The shaft 2 is equipped with an oxidizer supply device 4 and plasma generators 5, and communicates with a horizontal slag homogenization chamber 6, and in the upper part 7 through a pipe 8 with a gas afterburner 9, connected through a cooling system 10 to a filter 11. The homogenization chamber 6 has a plasma reactor 13 in the upper part 12 and is made with a hearth 14 inclined towards the hearth 3 of the mine 2. The slag removal device 15 includes a nozzle 16 connecting to a homogenization measure 6 with a sealed chamber 17 in which the discharge mechanism 18 with containers 19 is installed. The slag heating device 20 is made in the form of flat inductors 21 located on the outer surfaces of the inclined hearth 3 of the shaft 2 and the hearth 14 of the homogenization chamber 6, and an annular inductor 22 placed around nozzle 16. Inductors 21 and 22 are connected in series or parallel to two power sources 23 and 24, supplying energy, respectively, for heating and transporting the melt. For cooling, the inductors 21 and 22 are also connected to a water supply 25. The homogenization chamber 6 is connected through a nozzle 16 to the sprue 26 of the casting device 27 installed in the sealed chamber 17. The casting device 27 is made in the form of horizontally rotationally disposed slag removal device 15 the chill mold 28 mounted on the support rollers 29, driven by the engine 30. At the end of the chill mold 28 a sprue 26 is mounted, connected by means of a pipe 31 to the afterburner 9 and the filter 11. Us the cement mortar supply device 33 is connected to the cooling system 10 of the gas afterburner 9 and, for supplying the slag mixture with the cement mortar, communicates through a pipe 32 mounted above the containers 19 located on the discharge mechanism 18, with a sealed chamber 17 of the slag removal device 15. Under the position 34 shows the waste located in the mine 2. Under 35, the molten slag and metal on the surface of the hearths 3 and 14 are shown. Under 36, the plasma torch generated by the plasma reactor 13 is shown. At 37, an ingot of molds is shown molded in chill mold 28 of casting device 27. Under position 38, a formed ingot is mounted mounted in container 19. Under position 39 is a cavity in ingot 38 into which a mixture of water sludge from cooling system 10 and cement from mortar supply device 33 is supplied through nozzle 32 .

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывно или периодически загружаются твердые радиоактивные отходы 34. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 5, плазменного реактора 13, кокиля 28, индукторов 21 и 22 подается охлаждающая вода от источника водоснабжения 25. С помощью дымососа (на чертеже не показан), установленного после фильтра 11, в шахте 2 через патрубок 8 в верхней части 7, создается разрежение на уровне 200 Па. При помощи устройства 4 для подачи окислителя через плазменные генераторы 5 подается окислитель. Плазменные генераторы 5 известными методами генерируют высокотемпературные потоки поступающие в шахту 2. Твердые отходы 34 проходя по шахте 2 последовательно подвергаются сушке, пиролизу, газификации, горению горючих компонентов и плавлению золы, и негорючих компонентов с образованием расплава 35, который стекает в камеру гомогенизации 6 и собирается на подах 3 и 14. Образующиеся в шахте 2 газообразные продукты по патрубку 8, установленному в верхней части 7 шахты 2, поступают в камеру дожигания 9, известной конструкции, например вертикальную прямоточную или циклонную, где осуществляется дожигание и термическое разложение горючих составляющих и химически агрессивных веществ с частичным отделением крупной золы. Далее газы поступают в систему охлаждения 10, например, в кожухотрубчатый или скрубберный теплообменник, где понижается температура до 200-300^oC. Затем газы очищаются в фильтре 11, например, в металлокерамическом фильтре тонкой очистки, с полным отделением золы и аэрозолей, и сбрасывается в атмосферу. На плазменный реактор 13 известной конструкции, например, прямоструйный с камерой смешения, установленный в верхней части 12 камеры гомогенизации 6, подаются окислитель и жидкие горючие отходы, а затем дожигается плазменная дуга от источника постоянного тока (на чертеже не показаны). Жидкие горючие отходы конвертируются в плазменном реакторе 13 с заданным коэффициентом избытка воздуха и поступают в камеру гомогенизации 6, обогревая ванну расплава 35 плазменным факелом 36. В момент запуска печи и при накоплении расплава 35 на подах 3 и 14 патрубок 16 закрыт временной пробкой, а в герметичной камере 17 создается разрежение на уровне 200 Па. Далее от источника питания 23 на индукторы 21 и 22 подается переменный ток, например, от машинного генератора, и проводится дополнительный индукционный нагрев расплава 35 и расплавление временной пробки в патрубке 16. Затем от источника 24 подается на индукторы 21 и 22 переменный ток транспортирующей частоты (200-500 Гц), и проводится вывод расплава 35 через патрубок 16 на литник 26. На устройстве нагрева 20, выполненном например, в виде электромагнитного желоба, расплав шлака или металла 35 подвергается воздействию бегущего магнитного поля и движется в виде безнапорного потока с преодолением сил гидравлического сопротивления и тяжести. Свободная поверхность расплава 35 подогревается плазменным факелом 36. Регулируя частоту и амплитуду индукции бегущего магнитного поля можно изменять глубину проникновения электромагнитных сил в расплав 35 и таким образом селективно транспортировать расплавы с разной проводимостью. Регулируя наклон пода 14 возможно отделение от металлов малопроводящих расплавов, например шлаков. Для компенсации тепловых потерь через футеровку при охлаждении индукторов 21 и 22 используется индукционный подогрев расплава 35 от источника 23. При этом может использоваться двухчастотный нагрев на один индуктор или применение двухобмоточного индуктора 21, а также подбор компромиссной частоты, обеспечивающей необходимый подогрев и транспортирующий эффект. Электромагнитные силы, создаваемые бегущим магнитным полем, обеспечивают транспортирование расплава 35 с наклонного пода 14 через патрубок 16 в литник 26, а также могут компенсировать статическое давление расплава 35 в камере гомогенизации 6 и воспрепятствовать вытеканию расплава 35 через открытый патрубок 16, находящийся ниже уровня расплава 35. Этот позволяет регулировать состав и расход расплава 35 поступающего в устройство образования отливок 27 и герметизировать сливное отверстие патрубка 16 при периодическом выпуске расплава 35, за счет реверсирования движения бегущего магнитного поля. Расплав 35 на наклонном поде 14 подвергается воздействию электромагнитных сил, способствующих ускоренному разделению шлака и металла, что позволяет очищать металл от радионуклидов с реализацией последующего рециклинга. Герметизация сливного канала патрубка 16 может осуществляться кристаллизацией расплава 35 в патрубке 16 при отключении греющего источника 23, с последующим расплавлением полученной пробки. Футеровка наклонного пода 14 и патрубка 16 выполняется из огнеупорного материала с низкой или нулевой электропроводностью. Используя закономерности магнитной гидродинамики, расплав 35 через литник 26 поступает в кокиль 28 устройства образования отливок 27, установленного в герметичной камере 17. При этом кокиль 28 приводится во вращение на опорных роликах 29 с помощью двигателя 30. Расплав 35 под действием центробежных сил распределяется равномерным слоем по внутренней поверхности кокиля 28. Заливка расплава 35 также может осуществляться в горизонтальный, вертикальный или расположенный под некоторым углом кокиль 28, причем на его внутреннюю поверхность предварительно наносится песочное покрытие толщиной 2 мм или устанавливается контейнер 19 (на чертеже не показаны). Отливка 37 может формироваться из шлака, металла или послойно со шлакометаллической структурой. Одновременно с подачей расплава 35 через литник 26 в кокиль 28 осуществляется постоянная или периодическая подача золы через патрубок 31, с помощью механического или пневматического транспорта, от камеры дожигания 9 и фильтра 11. Зола под действием центробежных сил сепарируется на кокиль 28 и иммобилизуется в структуру отливки 37 с минимальной газификацией радионуклидов. Скорость вращения кокиля 28 определяется составом и температурой расплава 35. При использовании вертикального кокиля 28 возможно формирование глуходонной отливки 37. После достижения заданной толщины слоя отливки 37 прекращается подача расплава 35. Вращение кокиля 28 прекращается после затвердевания отливки 37 при температуре 300-600^oC. Скорость затвердевания зависит от температуры расплава 35 и толщины отливки 37. После затвердевания отливки 37 осуществляется ее удаление из кокиля 28 с помощью выталкивателя (на чертеже не показан), например, гидравлического толкателя, на механизм выгрузки 18, например конвейер, где используя известные устройства, например, крановые захваты, электромагниты или манипуляторы, отливки 38 устанавливаются в контейнеры 19 и транспортируются по механизму выгрузки 18 под патрубок 32 таким образом, чтобы смесь шлама, возникающего при охлаждении газов в системе 10 с цементом из растворного узла 33, поступает в полость центробежной отливки 38. Заключительной операцией является герметизация контейнера 19 крышкой (на чертеже не показана) известными методами, например сваркой.Plasma shaft furnace for the processing of radioactive waste works as follows. Through the loading unit 1, solid radioactive waste 34 is continuously or periodically loaded into the shaft 2. Cooling water is supplied from the water supply source 25 to the water-cooled elements of the plasma generators 5, the plasma reactor 13, the chill mold 28, the inductors 21 and 22. A smoke exhauster (not shown in the drawing ), installed after the filter 11, in the shaft 2 through the pipe 8 in the upper part 7, a vacuum is created at a level of 200 Pa. Using the device 4 for feeding the oxidizing agent through the plasma generators 5, the oxidizing agent is supplied. Plasma generators 5 by known methods generate high-temperature flows entering the mine 2. Solid waste 34 passing through the mine 2 are sequentially dried, pyrolyzed, gasified, combustible components burned and ash melted, and non-combustible components with the formation of melt 35, which flows into the homogenization chamber 6 and collected on the hearths 3 and 14. The gaseous products formed in the shaft 2 through the pipe 8, installed in the upper part 7 of the shaft 2, enter the afterburner 9, of known design, for example, a vertical coiled or cyclone, where the afterburning and thermal decomposition of combustible components and chemically aggressive substances is carried out with partial separation of coarse ash. Then the gases enter the cooling system 10, for example, into a shell-and-tube or scrubber heat exchanger, where the temperature drops to 200-300 ^o C. Then the gases are cleaned in the filter 11, for example, in a fine-sintered metal filter, with complete separation of ash and aerosols, and discharged in atmosphere. An oxidizer and liquid combustible waste are supplied to a plasma reactor 13 of known design, for example, a direct-jet with a mixing chamber installed in the upper part 12 of the homogenization chamber 6, and then the plasma arc is ignited from a direct current source (not shown). Liquid combustible waste is converted into a plasma reactor 13 with a given coefficient of excess air and enters the homogenization chamber 6, heating the melt bath 35 with a plasma torch 36. At the time of starting the furnace and when the melt 35 is accumulated on the hearths 3 and 14, the nozzle 16 is closed by a temporary plug, and in sealed chamber 17 creates a vacuum at the level of 200 PA. Further, an alternating current, for example, from a machine generator, is supplied from the power source 23 to the inductors 21 and 22, and an additional induction heating of the melt 35 and melting of the temporary plug in the pipe 16 are carried out. Then, an alternating current of the transporting frequency is supplied to the inductors 21 and 22 ( 200-500 Hz), and the melt 35 is drawn through the nozzle 16 to the gate 26. On the heating device 20, made for example in the form of an electromagnetic trough, the melt of slag or metal 35 is exposed to a traveling magnetic field and moves in e free flow overcoming the hydraulic resistance and gravity forces. The free surface of the melt 35 is heated by a plasma torch 36. By adjusting the frequency and amplitude of the induction of the traveling magnetic field, it is possible to change the penetration depth of electromagnetic forces into the melt 35 and thereby selectively transport the melts with different conductivities. By adjusting the inclination of the hearth 14, it is possible to separate low-conductivity melts, for example, slag, from metals. To compensate for heat losses through the lining during cooling of the inductors 21 and 22, induction heating of the melt 35 from the source 23 is used. In this case, two-frequency heating for one inductor or the use of a double-winding inductor 21 can be used, as well as a compromise frequency providing the necessary heating and transporting effect. The electromagnetic forces created by the traveling magnetic field provide transport of the melt 35 from the inclined hearth 14 through the nozzle 16 to the gate 26, and can also compensate for the static pressure of the melt 35 in the homogenization chamber 6 and prevent the melt 35 from flowing out through the open nozzle 16 below the level of the melt 35 This allows you to adjust the composition and flow rate of the melt 35 coming into the device for the formation of castings 27 and seal the drain hole of the pipe 16 with periodic release of the melt 35, due to the roar ersing the motion of a traveling magnetic field. The melt 35 on an inclined hearth 14 is exposed to electromagnetic forces that contribute to the accelerated separation of slag and metal, which allows you to clean the metal from radionuclides with the implementation of subsequent recycling. Sealing the drain channel of the pipe 16 can be carried out by crystallization of the melt 35 in the pipe 16 when the heating source 23 is turned off, followed by the melting of the resulting plug. The lining of the inclined hearth 14 and the pipe 16 is made of refractory material with low or zero electrical conductivity. Using the laws of magnetic hydrodynamics, the melt 35 through the gate 26 enters the chill mold 28 of the casting device 27 installed in the sealed chamber 17. In this case, the chill mold 28 is rotated on the support rollers 29 by the motor 30. The melt 35 is distributed evenly by centrifugal forces along the inner surface of the chill mold 28. The melt 35 can also be poured into a horizontal, vertical, or angled chill mold 28, and preliminary to its inner surface shortbread applied coating thickness of 2 mm or mounted a container 19 (not shown). The casting 37 may be formed from slag, metal, or in layers with a slag metal structure. Simultaneously with the supply of melt 35 through the sprue 26 to the chill mold 28, the ash is continuously or periodically fed through the nozzle 31, by mechanical or pneumatic transport, from the afterburner 9 and filter 11. The ash is separated by centrifugal forces on the chill mold 28 and immobilized into the casting structure 37 with minimal gasification of radionuclides. The die 28, the rotation speed determined by the composition and temperature of the melt 35. When using a vertical die 28 may be formed gluhodonnoy casting 37. After reaching the desired thickness of the casting layer 37 stops the melt feed 35. The rotation of the die 28 is stopped after solidification 37 at 300-600 ^o C. The hardening speed depends on the temperature of the melt 35 and the thickness of the casting 37. After the hardening of the casting 37, it is removed from the chill mold 28 using an ejector (not shown), for example, hydra pusher, to the unloading mechanism 18, for example, a conveyor, where using known devices, for example, crane hooks, electromagnets or manipulators, castings 38 are installed in containers 19 and transported by the unloading mechanism 18 under the nozzle 32 so that the mixture of sludge that occurs during cooling of gases in the system 10 with cement from the mortar assembly 33, enters the cavity of the centrifugal casting 38. The final operation is to seal the container 19 with a lid (not shown) by known methods, for example, archway.

Производились сравнительные исследования по определению радиационной безопасности при переработке радиоактивных отходов в печи по прототипу и в предложенной плазменной печи. В обоих случаях переработке подвергались твердые отходы 34 в виде смеси древесины с влажностью 20% и зольностью 5% а также стального лома в количестве 30% В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия, раствором которой насыщались брикеты отходов 34 моделируя активность низкого уровня. Производительность обоих печей по твердым отходам составляет 60 кг/ч. Суммарная электрическая мощность, подводимая к плазменным генераторам 5, плазменному реактору 13 составляет 70 кВт. Расход жидких горючих отходов в виде солярки составляет 2 г/с. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/с. Общее время работы каждой печи 200 часов. В печи по прототипу шлакометаллический расплав формировался в отливки методом вакуумного всасывания. Количество 200 кг отливок полученных в обоих случаях равнялось 26. В предложенной печи в качестве устройства подачи цементного раствора 33 использовался турбулентный бетоносмеситель типа СБ-43Б, с производительностью 65 л/ч раствора. В качестве вяжущего в цементном растворе использовался портландцемент марки 600. Раствор затворялся на водяном шламе из системы охлаждения газов 10 и водяных дезактивационных растворов, возникающих при эксплуатации печи с соотношением к заполнителю, в качестве которого использовался отработавший формовочный песок из устройства образования отливок 27, примерно 1:3 и соотношением твердая фаза:цемент 1:0,7. Индуктор 21 бегущего магнитного поля выполнялся в виде развернутого статора с питанием трехфазным током. Обмотка индукторов 21 и 22 имеет трубчатое водяное охлаждение, число пар полюсов 60, число последовательных витков в фазе 120, тип соединений однослойный волновой треугольник. Одинаковая электрическая мощность подводится к индукторам 21, 22 от источников питания 23, 24 и в прототипе к двум индукторам, и составляет 30 кВт. В качестве источника 23 использовался машинный преобразователь серии ВПЧ с частотой нагревающего тока 2400 Гц, а в качестве источника 24 трансформаторный преобразователь с частотой транспортирующего тока 300 Гц. Скорость разливки расплава 35 регулировалась амплитудой и частотой электромагнитного бегущего поля. Под 14, камеры гомогенизации 6 и патрубок 16 футерованы шамотографитовыми блоками. В устройстве образования отливок 27 кокиль 28 выполнялся стальным разъемным с водяным струйным охлаждением. Температура расплава 35 на выходе из литника 26 изменялась в диапазоне 1300-1500^oC. Внутренний диаметр кокиля 28 0,3 м; длина 1 м; скорость вращения 250 об/мин. В системе охлаждения 10 использовался кожухотрубчатый теплообменник и гравитационный шламоотделитель. Металлокерамический фильтр 11 обеспечивает коэффициент очистки равный 10⁶. Зола от камеры дожигания 9 и фильтра 11 содержит частицы диаметром 0,01-5 мм.Comparative studies were carried out to determine the radiation safety in the processing of radioactive waste in the furnace according to the prototype and in the proposed plasma furnace. In both cases, solid waste 34 was processed in the form of a mixture of wood with a moisture content of 20% and an ash content of 5% and steel scrap in an amount of 30%. An inactive salt of cesium chloride was used as a substance imitating radionuclides, a solution of which saturated the waste briquettes 34 simulating low activity level. The solid waste capacity of both furnaces is 60 kg / h. The total electric power supplied to the plasma generators 5, the plasma reactor 13 is 70 kW. The consumption of liquid combustible waste in the form of diesel fuel is 2 g / s. Air with a total flow rate of 15 g / s was used as an oxidizing agent. The total operating time of each furnace is 200 hours. In the furnace according to the prototype, a slag-metal melt was formed in the castings by vacuum absorption. The amount of 200 kg of castings obtained in both cases was 26. In the proposed furnace, a turbulent concrete mixer type SB-43B, with a capacity of 65 l / h of solution, was used as a device for supplying cement mortar 33. 600 grade Portland cement was used as a binder in the cement mortar. The mortar was closed in water sludge from the gas cooling system 10 and water decontamination solutions resulting from the operation of the furnace with a ratio to aggregate, which was used spent molding sand from the casting device 27, approximately 1 : 3 and a ratio of solid phase: cement 1: 0.7. The traveling magnetic field inductor 21 was made in the form of a deployed stator powered by a three-phase current. The winding of the inductors 21 and 22 has tubular water cooling, the number of pole pairs 60, the number of consecutive turns in phase 120, the type of connection is a single-layer wave triangle. The same electrical power is supplied to the inductors 21, 22 from the power sources 23, 24 and in the prototype to two inductors, and is 30 kW. As a source 23, an HPV machine converter with a heating current frequency of 2400 Hz was used, and a transformer converter with a transporting current frequency of 300 Hz was used as source 24. The casting speed of the melt 35 was controlled by the amplitude and frequency of the electromagnetic traveling field. Under 14, the homogenization chambers 6 and the nozzle 16 are lined with chamomotorite blocks. In the device for the formation of castings 27, the chill mold 28 was made of steel detachable with water jet cooling. The temperature of the melt 35 at the exit of the gate 26 varied in the range 1300-1500 ^o C. the Inner diameter of the chill mold 28 0.3 m; length 1 m; rotation speed 250 rpm. In the cooling system 10, a shell-and-tube heat exchanger and a gravity sludge separator were used. Ceramic-metal filter 11 provides a cleaning coefficient equal to 10 ⁶ . The ash from the afterburner 9 and the filter 11 contains particles with a diameter of 0.01-5 mm

Радиационная безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отходящих из печи, а также по выносу имитатора из устройства шлакоудаления 15. В прототипе зола из камеры дожигания 9 и фильтра 11, а также шлам из системы охлаждения 10 подавался в кристаллизатор при формировании отливок вакуумным всасыванием, а в предложенной печи соответственно через патрубок 31 в устройство образования отливок 27 и через патрубок 32 в полость 39 отливки 38. Дополнительно оценивались степень выщелачиваемости шлаков, предел механической прочности отливок, коэффициент уменьшения объема отходов, глубина рециклинга металлов, содержащихся в отходах. Результаты сравнительных исследований представлены в таблице. Radiation safety was assessed by the dynamics of the removal of the simulator of radionuclides in gaseous products leaving the furnace, as well as by the removal of the simulator from the slag removal device 15. In the prototype, ash from the afterburner 9 and filter 11, as well as sludge from the cooling system 10, was fed into the mold during casting vacuum suction, and in the proposed furnace, respectively, through the pipe 31 to the device for forming castings 27 and through the pipe 32 into the cavity 39 of the casting 38. In addition, the degree of leaching of slag, etc. cases the mechanical strength of the castings, the reduction ratio of waste volume, depth recycling metals contained in the waste. The results of comparative studies are presented in the table.

Как видно из представленных в таблице параметров процесса переработки модельных отходов, применение предложенной плазменной шахтной печи позволяет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом, за счет уменьшения выноса радионуклидов с отходящими газами в режимах:
1) без ввода вторичных отходов на 7% путем более эффективной герметизации печи и устранения неконтролируемых подсосов воздуха через устройство шлакоудаления;
2) после ввода золы и шлама на 27% путем исключения газификации легколетучих радионуклидов из вторичных отходов.As can be seen from the table of parameters for the processing of model waste, the use of the proposed plasma shaft furnace can increase the level of radiation safety compared to the prototype, by reducing the removal of radionuclides with exhaust gases in the following modes:
1) without introducing secondary waste by 7% by more efficient sealing of the furnace and eliminating uncontrolled suction of air through a slag removal device;
2) after the introduction of ash and sludge by 27% by eliminating the gasification of volatile radionuclides from secondary waste.

Максимальное повышение радиационной безопасности достигается при сокращении выноса радионуклидов в устройстве шлакоудаления на 40% за счет организации регулируемого электромагнитными силами вывода расплава и проведение высокоскоростной кристаллизации отливки с помощью центробежного устройства образования отливок. Дополнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов является уменьшение скорости выщелачиваемости шлака в 4 раза, за счет скоростной кристаллизации и импрегнирования легколетучей золы и армированную матрицу отливки. Повышается предел механической прочности отливок в 2,5 раза за счет более плотной структуры и армирования металлом. Возрастает коэффициент уменьшения объема отходов в 2,4 раза, за счет организации компактной отливки с введением в нее вторичных радиоактивных отходов. В данной печи повышается глубина рециклинга металлов из отходов в 2 раза, за счет рафинирования и селектирования электромагнитными силами. The maximum increase in radiation safety is achieved by reducing the removal of radionuclides in the slag removal device by 40% due to the organization of the output of the melt regulated by electromagnetic forces and the high-speed crystallization of the casting using a centrifugal casting device. An additional factor that increases the radiation safety of waste processing is a 4-fold reduction in the leach rate of slag due to high-speed crystallization and impregnation of volatile fly ash and a reinforced casting matrix. The tensile strength of castings increases by 2.5 times due to a denser structure and metal reinforcement. The coefficient of decrease in waste volume increases by 2.4 times due to the organization of compact casting with the introduction of secondary radioactive waste. In this furnace, the depth of recycling metals from waste is increased 2 times, due to refining and selection by electromagnetic forces.

Снабжение печи устройством подачи цементного раствора соединенным с камерой шлакоудаления и системой охлаждения камеры дожигания газов, повышает радиационную безопасность, за счет утилизации вторичных радиоактивных летучих отходов, собираемых в виде водяного шлама в системе охлаждения газов, путем их цементирования и иммобилизации и полость центробежной отливки. Использование полой шлакометаллической отливки в качестве контейнера для захоронения цементированных вторичных легколетучих радиоактивных отходов позволяет реализовать замкнутый технологический цикл с комплексной переработкой отходов, что повышает радиационную безопасность. Providing the furnace with a cement mortar supply device connected to a slag removal chamber and a gas afterburner cooling system increases radiation safety by utilizing secondary radioactive volatile waste collected in the form of water sludge in a gas cooling system by cementing and immobilizing it and a centrifugal casting cavity. The use of hollow slag metal casting as a container for the burial of cemented secondary volatile radioactive waste makes it possible to realize a closed technological cycle with integrated waste processing, which increases radiation safety.

Выполнение устройства образования отливок в виде горизонтально расположенного с возможностью вращения в камере шлакоудаления кокиля с литником, соединенного с камерой дожигания газов, фильтром и через патрубок с камерой гомогенизации, позволяет повысить радиационную безопасность при переработке отходов за счет эффективной иммобилизации вторичных радиоактивных отходов в виде легколетучей золы в структуру формируемых с высокой скоростью центробежных шлакометаллических отливок. Применение эффекта центробежного литья повышает кристаллизационную способность расплава, снижает температуру кристаллизации литого материала, способствует созданию мелкой и плотной структуры отливок, улучшает радиационно-химические свойства металлошлакового литья. Достигаемый эффект организованной слоистости существенно улучшает физико-механические свойства отливок с получением уникального комплекса свойств и макрогетерогенной композиционной структурой, повышающими радиационную безопасность при транспортировании и захоронении переработанных радиоактивных отходов. При центробежном формировании отливок из расплава с диспергированными в радиационно неактивном металле частицами активного шлака, включения шлака, имеющие плотность меньшую плотности металла, всплывают под действием центробежных сил и при этом образуются радиационно загрязненные шлаковые отливки с металлическим неактивным литым кожухом, что повышает радиационную безопасность при последующих контейнеризации, транспортировании и захоронении. При переработке отходов с щелочными радионуклидами (например, цезий 137) надежная фиксация достигается в шлаке с основностью менее 1, однако, отливки из таких шлаков отличаются высокой хрупкостью из-за термонапряжений, поэтому реализуемое в данной печи центробежное литье повышает механическую прочность и химическую стойкость отливок при армировании металлом. Ввод вторичной золы из камеры дожигания и фильтра в кристаллизующийся с высокой скоростью расплав шлака препятствует газификации радионуклидов и обеспечивает их надежную фиксацию в металлошлаковом композиционном материале. The implementation of the device for the formation of castings in the form of a horizontal mold with a possibility of rotation in the slag removal chamber of a chill mold with a gate connected to a gas afterburner, a filter and through a nozzle with a homogenization chamber makes it possible to increase radiation safety during waste processing by efficiently immobilizing secondary radioactive waste in the form of volatile fly ash into the structure of centrifugal slag metal castings formed at high speed. The use of the centrifugal casting effect increases the crystallization ability of the melt, reduces the crystallization temperature of the cast material, helps to create a fine and dense structure of castings, and improves the radiation-chemical properties of metal-slag casting. The achieved effect of organized lamination significantly improves the physicomechanical properties of castings with a unique set of properties and a macroheterogeneous composition structure that increase radiation safety during transportation and disposal of processed radioactive waste. During centrifugal formation of melt castings with active slag particles dispersed in a radiation inactive metal, slag inclusions having a density lower than the metal density float under the action of centrifugal forces and radiation contaminated slag castings with a metal inactive cast casing are formed, which increases radiation safety during subsequent containerization, transportation and disposal. When processing waste with alkaline radionuclides (for example, cesium 137), reliable fixation is achieved in slag with a basicity of less than 1, however, castings from such slags are highly brittle due to thermal stresses, so centrifugal casting in this furnace increases the mechanical strength and chemical resistance of castings when reinforcing metal. The introduction of secondary ash from the afterburner and filter into a slag melt that crystallizes at a high speed prevents the gasification of radionuclides and ensures their reliable fixation in the metal-slag composite material.

Выполнение камеры гомогенизации с подом наклонным навстречу поду шахты и выполнение устройства нагрева шлака в виде индукторов, размещенных на внешних поверхностях патрубка, подов шахты и камеры гомогенизации, повышает радиационную безопасность за счет электромагнитного транспортирования расплава через патрубок, находящийся выше уровня расплава, что предотвращает аварийные выбросы радиационно загрязненных материалов. Использование электромагнитных индукторов позволяет повысить уровень радиационной безопасности при проведении операций вывода и сбора шлака и металла за счет механизации и автоматизации работ, связанных с радиационным облучением. С помощью электромагнитного наклонного пода возможно фракционирование отходов, выделение ценных неделящихся элементов с перспективной их последующей утилизации при высокой степени рециклинга металлов. На наклонном поде проводится электромагнитное селектирование радиоактивных компонентов, используя разницу в электропроводности, регулирование по температуре и составу выводимого через патрубок расплава. Реверсированием электромагнитного поля на наклонном поде осуществляется гидравлическая герметизация отверстия патрубка во время работы печи. Герметизация сливного отверстия патрубка также реализуется при отключении индуктора вокруг патрубка и кристаллизации расплава в нем с образованием временной пробки, с последующим ее расплавлением при организации вывода расплава. The implementation of the homogenization chamber with the hearth inclined towards the bottom of the shaft and the design of the slag heating device in the form of inductors placed on the outer surfaces of the nozzle, the shaft of the shaft and the homogenization chamber, increases radiation safety due to the electromagnetic transport of the melt through the pipe located above the level of the melt, which prevents accidental emissions radiation contaminated materials. The use of electromagnetic inductors allows to increase the level of radiation safety during operations of withdrawal and collection of slag and metal due to mechanization and automation of work related to radiation exposure. With the help of an electromagnetic inclined hearth, fractionation of waste is possible, the allocation of valuable non-fissile elements with their prospective subsequent disposal with a high degree of metal recycling. On an inclined hearth, electromagnetic selection of radioactive components is carried out using the difference in electrical conductivity, temperature and composition control of the melt discharged through the nozzle. By reversing the electromagnetic field on an inclined hearth, the nozzle opening is hydraulically sealed during operation of the furnace. Sealing the drain hole of the nozzle is also realized when the inductor is turned off around the nozzle and the melt crystallizes in it with the formation of a temporary plug, with its subsequent melting when organizing the output of the melt.

Claims

Plasma shaft furnace for processing radioactive waste of low and medium levels of activity, containing a loading unit, a shaft with an inclined hearth, a gas afterburner with a cooling system and a filter connected to the shaft, an oxidizer supply device, plasma generators, a horizontal slag homogenization chamber with a plasma reactor, a device slag heating, casting formation device and slag removal device in the form of a sealed chamber and discharge mechanism, characterized in that, in order to increase the radiation free hazard, it is equipped with a cement mortar supply device connected to a slag removal chamber and a gas afterburner cooling system, the casting device is made in the form of a cocktail with a gate located horizontally rotatably in the slag removal chamber, connected to a gas afterburner, a filter and through a pipe with a chamber homogenization, the homogenization chamber is made with a hearth inclined towards the bottom of the shaft, and the slag heating device is made in the form of inductors placed on external surfaces ited nozzle, pods shafts and the homogenization chamber.