Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности

 

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 подвергается плазменно-электрошлаковой обработке разрядом 32 от источника 26, подключенно

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (t OCllATEHT CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1;:, Ъа /

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858777/02 (22) 13.08.90 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И.Носова и Московское научно-производственное объединение

"Радон" (72) С.А,Дмитриев, В.К.Литвинов, И.А.Князев, А.П.Морозов и О.А,Князев (56) Заявка ЕПВ

N 0143364, кл. 6 21 F 9/34, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1552893, кл. G 21 F 9/16, "988 (непублик.), 30

„„Ы2„„> 1816391 А1 (я)ю G 21 F 9/32, F 27 В 1/00 (54) ПЛАЗМЕННАЯ ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ

ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ (57) Использование, компактироваиие 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 подвергается плазменно-злектрошлаковой обработке разрядом 32 от источника 26, подключенно1810391 го к аноду 15 плазменного реактора 12 и кристаллизатора /К/ 20. Вывод и сброс расплава 31 осуществляется при вытягивании слитка 33 из К 20 и резке пилой 24 на отливки 35. Вторичные отходы, образующиеся 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 позволяет снизить уровень радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивных отходов, образующихся a печи. 1 ил., 1 табл.

15 вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов, шахту, сообщаюмогенизации 6 и изолированную от нее изощуюся в верхней части с камерой дожигания газов. соединенной i через систему охлаждения с фильтром. а в нижней части с устройстВом подвода окислителя; плазменными довательно установленных и охваченных герметичным кожухом 19, кристаллизатора

20, который сообщен с камерой гомогенизагенераторами и горизонтальной камерой гомогениэации шпака с плазменными реактором для ввода жидких горючих радиоактивных отходов, включающем последовательно и соосно

23, и дисковой пилы 24 с приводом 25, Исустановленные катод, диэлектрическое газовое кольцо, анод и изолированную камеру смешения, сообщающуюся с камерой гомогениэации шлака, подовый электрод, устройство для вывода и сбора шлака и источник плазменного реактора 12. Растворный узел

23 снабжен патрубком 27 подачи смеси зопостоянного тока, подключенный отрицательным полюсом к подовому электроду, а положительным — к аноду плазменного реактора, она снабжена растворным узлом, сообщающимся через патрубок подачи смеси эолы и водяного шлама с камерой дожигания, фильтром и системой охлаждения, подовый электрод выполнен в виде кристаллизатора сообщающегося с камерой гомогенизации, а лы от камеры дожигания газов 9 и фильтра

11 с водяным шламом иэ системы охлаждения 10. Контейнеры 28 установлены под устройством для вывода и сбора шлака 19 на контейнере 20 с возможностью перемещения. flop позицией 30 показаны отходы, расположенные в узле загрузки 1 и шахте 2, Под позицией 31. изображен расплав шлака и

40 устройство вывода и сбора шлака выполнено металла в камере гомогенизации 6, Под пов виде соосно и последовательно установлен- зицией 32 показан плазменный разряд гоных с кристаллизатором и охваченных герме- рящий между анодом 15. плазменного тичным кожухом устройства вытяжки слитка, 45 реактора 12 и поверхностью расплава шлака и металла 31 в камере гомогенизации 6, flop позицией 33 показан непрерывный сликольцевого питателя цементного раствора, подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы, ток формирующиися в кристалпизаторе 20;

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к устройствам для переработки неидентифицированных радиоак-. тивных отходов среднего и низкого уровня активности, и может быть использована для компактирования и преобразования твердых .и жидких отходов в химически устойчивый; подлежащий захоронению материал.

Цель изобретения — повышение радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторичных радиоактивнйх отходов образующихся в печи.

Для достижения данной цели в известной плазменной шахтной печи-дпя переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, содержащей

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

Предлагаемая печь включает вертикально и последовательно установленные узел загрузки отходов 1 и шахта 2, снабженную в нижней части 3 устройством подвода окислителя 4 и плазменными генераторами 5, В нижней части 3 шахта 2 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 плазменный реактор 12, содержащий последовательно и соосно установленные катод 13, диэлектрическое газовое кольцо 14, анод 15 и камеру смешения 16. сообщающуюся с камерой го20 лятором 17. устройство для вывода.и сбора шлака 18 выполнено в виде соосно и после25 ции алака 6, устройства для вытяжки слитка

21, кольцевого питателя цементного раствора 22, подключенного к растворному узлу точник постоянного тока 26 подключен от30 рицательным полюсом к кристаллизатору

20, а положительным полюсом - к аноду 16

18103.91

Под позицией 32 изображен фронт кристал лизации в слитке 33. Под позицией 35 показана отливка, отрезаемая от непрерывного слитка 33. Под позицией 36 изображен цементный раствор в контейнере 28, Под позицией 37 показана крышка,герметизирующая контейнер 28.

Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов работает следующим образом. Через узел загрузки 1 в шахту 2 непрерывно или периодический загружаются твердые радиоактивные отходы 30. На водоохлаждаемые элементы плазменных генераторов 5 и плазменного реактора 12, а также на кристаллизатор 20 подается охлаждающая вода.-С помощью вытяжного вентилятора или дымососа (на чертеже не показанных), установленных после фильтра

11, в шахте 2 через .патрубок 8 создается разряжение на уровне 200 Па. При помощи устройства 4 для подачи окислителя через плазменные генераторы 5, установленные в нижней части 3 шахты 2 подается окислитель или окислитель в смеси с необходимым количеством топлива. Плазменные генераторы 5 известными методами. генерируют высокотемпературные потоки, истекающие в шахту 2, Твердые отходы 30, проходя по шахте 2, последовательно подвергают сушке, пиролизу, газификации и горению горючих компонентов и плавлению золы и негорючих компонентов с образованием расплава 31, который стекает в камеру гомогенизации 6, Образующиеся в шахте 2 газообразные продукты по патрубку 8, установленному в верхней части шахты 2, поступает 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 — ЗОО С.

Затем газы очищаются в фильтре 11, например в металлокерамическом фильтре тонкой очистки, с полным отделением золы и аэрозолей и сбрасываются в атмосферу, На плазменный реактор 12 через газовое кольцо 14 подается окислитель, а на катод 13 и анод

15 прикладывается напряжение от источника постоянного тока и зажигается плазменная дуга. Жидкие горючие отходы конвертируются с заданным коэффициен° том избытка воздуха в камере смешения 16, изолированной от камеры гомогенизации 6 изолятором 17, В момент запуска печи и при накоплении расплава 31 в камере гомогенизации 6, в устройстве для вывода и сбора шлака 18, заключенного в герметичный кожух 19, дно кристаллиэатора 20 закрывается плотно установленной металлической

5 затравкой (на чертеже не показана), заправленной в устройство для вытяжки 21. По мере накопления расплава 31 происходит кристаллизация. на поверхности затравки и образование непрерывного слитка 33, перемещаемого устройством вытяжки 21 и далее охваченного кольцевым питателем цементного раствора 22, подключенного к раствору узла 23. Затем непрерывный слиток 33 режется дисковой пилой 24, запитываемой

15 от привода 25 на отливки 35 определенных размеров, покрытых цементной футеровкой

36, Затем на кристаллизатор 20, выполняющий функцию подового электрода, подается отрицательный потенциал от источника то20 ка 26, а положительный полюс = к аноду 15 плазменного реактора 12, причем камера смешения 16 изолирована от камеры гомогенизации с помощью изолятора 17. При этом между анодом 15 и расплавом 31 зажи25 гается несамостоятельный дуговой разряд

32, горящий в плазменном потоке продуктов конверсии жидких горючих отходов. Далее электрический ток замыкается через расплав 31, осуществляя его высокоэффек30 тивный комбинированный плазменно-электрошлаковый нагрев, на кристаллизатор 20 и жидкую фазу слитка 33 по фронту кристаллизации 34. Пропускание тока в месте формирования корочки слитка 33 обеспечивает

35 возникновение термоэлектрического эффекта за счет разности температур по толщине корочки при разогревающем эффекте

Пельтье, при этом увеличивается теплопроводность затвердевающей корочки; тепло40 отвод от жидкого расплава 31 и быстрого формирования корочки слитка 33 в кристаллизаторе 20. Поэтому облегчается формирование слитка 33 из шлакометаллического расплава 31 и происходит подавление выно45 са активности с поверхности расплава 31, а также электрокинетическая иммобилизация радионуклидов на фронте кристаллизации

34. Условия формирования слитка 33 регулируются изменением расхода охлаждаю50 щей воды на кристаллизатор 20. По мере накопления постоянно или периодически зола иэ камеры дожигания 9 и фильтра 11 с помощью гидротранспортирования водяным шламом из системы охлаждения 10, 55 подается через патрубок 27 в растворный узел 23. Приготовленный цементный раствоо постоянно или периодически подается в кольцевой питатель 22, охватывающий с заданным зазором слиток 33, формируя на его поверхности цементную футеровку 36. Образующиеся

1810391 при резке дисковой пилой 24 слитка 33 пыль и осколки захватываются и сорбируются цементным раствором 36. Отрезанная отливка

35,футерован ная цементным . раствором 36, погружается в контейнер 28, перемещающийся по конвейеру 29 известной конструкции, Далее контейнер 28 перемещается по контейнеру 29-из-под устройства для вывода и сбора шлака 18.и выдерживается в герметизируемой шлюзовой камере (на чертеже не показана) для сушки и термической обработки цементной футеровки 36 за счет внутреннего тепла отливки 35. Затем контейнер 28 герметизируется с помощью крышки 37 известными методами, например сваркой, а под устройство для вывода и сбора шлака t8 подводится по конвейеру следующий контейнер 28. Из-за гравитационной сегрегации расплава 31 в камере ro" могенизации 6 возможно, селективное вытягивание слитка ЗЗ, из металла или из шлака, что позволяет рафинировать металлы от радионуклидов; переводя их в шлак с получением рециклинга металлов. Возможно выполнение камеры смешения 16 плазменного реактора 12 из графита или металлических труб, например, радиационно загрязненных. с возможностью вертикального перемещения и погружения в расплав 31, с проведением электрошлакоаой обработки от источника 26. При этом реализуется плазменно-электрошлаковое рафинирование радиационно загрязненных металлов с использованием шлака, полученного в шахтной печи с подфлюсовкой и моноквпельного переноса нагретого в плазменной струе металла через слой шлака. Рафинирующий эффект по удалению из расплава металла соединений, несущих активность при плазменно-электрошлаковой обработке, основан на повышении химической активности шлака в области высоких температур, а также на эффекте электрического раскисления расплава и шлака за счет электрического и магнитного поля плазменной дуги. Подбирая определенную основность шлака, реализуется глубокая деактивация расплава, например, при введении в состав шлаков (с твердыми отходами или непосредственно в камеру гомогенизации 6) специальных флюсов, состоящих из хлористых и фтористых солей щелочно-земельных металлов, повышающих их рафинирующее воздействие на неметаллические включения, несущие активность. При переработке стали с гомогенным распределением радионуклидов, например железо 55. кобальт 60, в расплаве возможно уменьшение их массовой доли путем разбавления с уменьшением удельной активности и повторным использованием, B данной печи возможно использование вмесТо неподвижного кристаллизатора 20. установленного в поду камеры гомогенизации 6, кристаллизаторов скольжения, винтовых и

5 изогнутых кристаллизаторов, а также кристаллизаторов с горизонтальным вытягиванием или верхним вытягиванием с намораживанием,.Возможна установка двух кристаллизаторов,20 на разных уровнях в ка10 мере гомогенизации 6 для раздельного вывода шлака и металла при использовании шлакоотделителей (на чертеже не показано).

Исключение аварийных ситуаций, снижающих радиационную безопасность, связанных с вы15 теканием расплава из камеры гомогенизации

6 через прогревшую корочку формирующегося слитка ЗЗ, достигается, например, регулированием длины кристаллизатора и его охлаждения.

Возможна установка двух последовательно

20 расположенных кристаллизаторов, причем первый кристаллизатор формирует шлаковую радиационно-загрязненную отливку, а второй кристаллизатор большего диаметра, охватывающий шлаковую отливку, формирует

25 кольцевую отливку из металла, подаваемого по отдельному металлопроводу из камеры гомогенизации (на чертеже не показано), при этом шлаковая отливка охвачена. кожухом, предотвращающим разрушение отлиа30 ки под действием термической усадки и . уменьшается выщелачиваемость шлака с повышением радиационной безопасности.

Проводились сравнительные исследования по определению радиационной без35 опасности 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

40 и зольностью 5, а также стального лома а количестве 30 . В качестве вещества, имитирующего радионуклиды, использовалась неактивная соль хлорида цезия. раствором которой насыщались брикеты моделируя от)

45 ходы низкого уровня активности. Производительность обоих печей по твердым отходам составляла — 60 кг/ч, Суммарная электрическая мощность, подводимая к плазменным генераторам 5 и плазменному реактору 12, 50 составляет 70 кВт. Расход жидких горючих отходов в виде машинного масла составлял — 2 r/c. В качестве окислителя использовался воздух с общим расходом 15 г/c, Общее время работы каждой печи 200 ч. В печи по

55 прототипу шлакометаллический расплав с расходом 26 кг/ч сливается непрерывно из камеры гомогенизации 6 через летку в боковой стенке в виде струи. В предложенной плазменной шахтной печи использовался медный кристаллизатор 20 с толщиной стен1810391

10

25

35

50 ки 5 мм, диаметром 0,25 м. Устройство для вытяжки 21 слитка 33 выполнялось из двух пар роликов с общим приводом через редуктор (на чертеже не показаны), Скорость вытяжки 7 смlмин ° . 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. Резательная машина имеет электронное устройство (на чертеже не показано), обеспечивающее синхронизацию ее собственной скорости со скоростью вытяжки слитка 33, возможна резка и при остановке устройства для вытяжки 21, Резка длится 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 использовался турбулентный бетоносмеситель типа СБ — 43Б с поршневым растворным насосом типа СБ-9А с производительно- стью 65 л/ч раствора и с гофрированным металлическим бетоноводом, соединяющим растворный узел 23 с кольцевым питателем 22 цементного раствора. В качестве вяжущего в цементном растворе использовался портландцемент марки б00. Заполнителем является зола из камеры дожигания газов 9 и фильтра 11 с соотношением между золой и цементом 1:O,T, причем раствор затворялся на водяном шламе из системы охлаждения газов 10 с соотношением к воде 1:3.

Радиационная безопасность оценивалась по динамике выноса имитатора радионуклидов в газообразных продуктах, отходящих из печи. а также по выносу имитатора в устройстве для вывода и сбора шлака 18. Дополнительно оценивалась степень выщелачиваемости шлака, В прототипе зола и шлам из камеры дожигания 9, фильтра

11 и системы охлаждения tO подавался 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 позволяет повысить уровень радиационной безопасности по сравнению с прототипом за счет уменьшения выноса радионуклидов с отходящими газами в режимах; без ввода вторичных отходов — на 47 Д путем более эффективной герметизации печи и устранения неконтролируемых подсосов воздуха через устройство для вывода и сбора шлака; после ввода золы и шлама в 2,9 раза путем исключения газификации легколетучих радионуклидов из вторичных отходов. Максимальное повышение радиационной безопасности достигается при сокращении выноса радионуклидов в узле для вывода и сбора шлака в 96 раз за счет устранения необходимости жидкостного перелива шлака и его вывода в виде твердой отливки при высокой термичности печи, Дополнительным фактором, повышающим радиационную безопасность переработки отходов, является уменьшение скорости вйщелачиваемости шлака в 21 раэ эа счет скоростной кристаллизации и получения прочной и стойкой отливки с футеровочной оболочкой.

Снабжение печи растворным узлом, сообщающимся через патрубок подачи смеси золы и водяного шлама с камерой дожигания, фильтром и системой охлаждения, позволяет повысить радиационную безопасность за счет утилизации вторичных радиоактивных отхо дов, образующихся в системах дожигания, охлаждения и очистки отходящих газов, при производстве цементной футеровки внутренней поверхности контейнеров с использованием внутреннего остаточного тепла отливок на сушку и термоупрочнение футеровки. Покрытие бочек и контейнеров с внутренней стороны футеровкой из бетона с цементным раствором и добавками смолы повышает радиационную безопасность при хранении низко и.среднеактивных отходов.

Выполнение подового электроДа в виде кристаллизатора, сообщающегося с камерой гомогенизации, позволяет повысить уровень радиационной безопасности за счет подавления выноса активности на межфаэную поверхность расплав-плазменный факел и электрокинетического транспортирования радионуклидов в расплаве к фронту кристаллизации. Это позволяет использовать эффект электропереноса для рафинирования метал. лов от радионуклидов. При электропереносе пропускание через жидкий металл постоянного тока приводит к перемещению определенных элементов — примесей к катоду или к анбду. Например, в металлургическом расплаве элемент, имеющий меньший атомный вес, переносится к катоду. Электроперенос в сочетании с плазменно-шлаковым нагревом позволяет очищать металлы от радионуклидов осуществлением рециклинга металлов, что повышает радиационную безопасность при переработке отходов, Пропускание тока по расплаву через кристаллизатор подавляет вынос активности на межфаэную поверхность расплав-плазменный факел и обеспечивает электрбкинетическое и электролитическое транспортирование радио1810391

Параметры процесса переработки радиоактивных отходов

Вид печи по прототипу предложенная печь

Вынос имитатора с отходящими газами: до ввода золы и шлама, мг/ч после ввода золы и шлама, мг/ч

Вынос имитатора в узле для вывода и сбора шлака 18, мг/ч

Скорость выщелачивания шлакометаллической отливки в воде иа 28 с тки контакта, r см 2 с т

18,9

29,8

10,2

10,2

14,3

0,15

3,1 10

1,5 10

Составитель А. Морозов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т, Вашкович

Редактор Т. Куркова

Заказ 1421 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 нуклидов в расплаве к фронту кристаллизации в слитке или в шлак, что дает возможность концентрировать изотопы в шлаке или металле и осуществлять рециклинг металла с повышением радиационной безопасности.

Выполнение устройства вывода и сбора шлака в виде соосно и последовательно установленных с кристаллизатором и охваченных герметичным кожухом устройства вытяжки слитка; кольцевого питания цементного раствора, подключенного к растворному узлу, и дисковой пилы позволяет повысить радиационную безопасность при эксплуатации печи за счет уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе расплава переработанных отходов путем организации непрерывного или периодического литья в слитки необходимых размеров„ их резки и сбора отливок в контейнеры, Вывод шлака и металла из печи в твердом виде обеспечивает минимизацию аэрозольиых выбросов из-за отсутствия распылеиия и испарении активных компонентов. В печи достигается высокая герметизация печного пространства,. находящегося под разряжением, строго обеспечивая необходимый состав и температуру атмосферы, что уменьшает вынос активности и повышает радиационную

6езопасность. Выполнение сливного отверстия в вйде кристаллизатора обеспечивает безопасность при неравномерном сходе слоя отходов в шахте и быстром повышении уровня расплава в камере гомогенизации за счет устранения неконтролируемых выбросов расплава.

Формула изобретения

5 Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности; содержащая узел загрузки, шахту и соединенные с ней систему дожигания и очистки газов, устройство подво10 да окислителя и плазменные генераторы, горизонтальную камеру гомогенизации шлака с плазменным реактором для ввода жидких горючих радиоактивных отходов и источник постоянного тока, соединенный своим

15 положительным полюсом с плазменным реактором,отличающаяся тем,что,сцелью повышения радиационной безопасности путем уменьшения выноса радионуклидов при выводе и сборе шлака и утилизации вторич20 ных радиоактивных отходов, она снабжена размещенным в нижней части камеры гомогенизации устройством формирования отливок в виде вертикально установленной герметичной камеры с размещенными в.

25 ней кристаллизатором, механизмом вытяжки слитка, кольцевым питателем для ввода цементного раствора и дисковой пилой, ус-. тановленной на выходе камеры, причем кольцевой питатель для ввода цементного

30 раствора соединен с системой дожигания и очистки газом, а кристаллизатор соединен.с отрицательным полюсом источника постоянного тока.