Устройство для переработки радиоактивных и токсичных отходов

 

Изобретение относится к области обработки твердых радиоактивных отходов прокаливанием и предназначено для их сжигания и плавления образующихся продуктов сгорания до получения монолитного продукта. Устройство состоит из плазменной шахтной печи и системы газоочистки. Плазменная шахтная печь содержит шахту 9 и камеру 17 гомогенизации. Шахта 9 содержит шлюзовый узел 10 загрузки, воздушный холодильник 11, расположенный в верхней части шахты, а также два устройства для подвода окислителя: верхнее устройство 12 и нижнее устройство 15. В шахту печи встроена топливная форсунка 16. Для отвода газов в шахте выполнен газоотводный канал 13, расположенный в средней части шахты. Для подачи сжатого воздуха в шахте предусмотрено устройство 14. Шахта содержит также плазменные генераторы 19. Камера гомогенизации снабжена вертикальным топливно-плазменным генератором 18, а также нижним и верхним сливными отверстиями, запираемыми запорными стопорами, и сливными каналами. Система газоочистки содержит последовательно расположенные камеру дожигания, систему охлаждения, фильтр и теплообменник. Теплообменник соединен со скруббером, емкостью и вторым теплообменником. Данная конструкция устройства повышает надежность, производительность и безопасность сжигания отходов. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Заявляемое устройство относится к области охраны окружающей среды, а точнее - к области переработки радиоактивных и токсичных отходов. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при переработке вышеуказанных отходов, содержащих целлюлозу, полимеры, резину, ПВХ, а также такие негорючие примеси, как стекло и металлы, с последующим плавлением образующихся продуктов сгорания до получения монолитного продукта.

Известно устройство для обеззараживания медицинских отходов, идентичных по своему составу к вышеуказанным отходам [1], включающее нагревательную камеру и систему газоочистки.

Недостатком известного устройства является то, что нагревательная камера не обеспечивает полное уничтожение отходов, а делает возможным их частичный пиролиз при температуре 180 - 200^oC, сопровождающийся плавлением полимерной части отходов, а также образованием летучих токсичных органических соединений, выходящих из системы газоочистки в виде вторичных отходов, требующих специальной переработки.

Известна также плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов [2], включающая шахту, снабженную плазменными горелками, соединенную своей нижней частью с камерой гомогенизации, имеющей в своей верхней части вертикально установленный плазменный реактор.

Недостатками конструкции данной плазменной печи является то, что шахта, в которой происходит нагрев, пиролиз и частичное сгорание отходов, одновременно является газоотводящей магистралью. Этот недостаток проявляется в том, что сгорание полимерных материалов на поверхности расплава в камере гомогенизации сопровождается интенсивным газовыделением, которое может привести к остановке движения твердых радиоактивных отходов в шахте, а в экстремальных случаях даже к их выбросу в газоочистную систему, следствием чего будет либо остановка работы устройства, либо возникновение аварийной ситуации. Кроме того, при прохождении отходящих газов через верхние пиролизующиеся слои радиоактивных отходов в шахте будет происходить их интенсивное аэрозольное загрязнение, что создаст дополнительную нагрузку на систему газоочистки. К недостаткам относится также и отсутствие сливного устройства в камере гомогенизации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности [3], включающее печь, имеющую шахту, снабженную в верхней своей части узлом загрузки и газоотводным патрубком, устройством для подвода окислителя, расположенным в средней части шахты, и плазменными генераторами, размещенными в нижней части шахты, которая сообщается с горизонтальной камерой гомогенизации шлака, имеющей вертикально установленный плазменный реактор. В донной части камеры гомогенизации имеется устройство для вывода шлакового расплава, представляющее собой водоохлаждаемый кристаллизатор. Устройство имеет также в своем составе камеру дожигания отходящих газов, соединенную с системой охлаждения продуктов дожигания (охлаждающим теплообменником) и фильтром.

Недостатками известного устройства являются ненадежность работы устройства, обусловленная: - верхним расположением газоотводного патрубка, что может привести к выбросу в газоочистную систему недожженных отходов; пониженная производительность работы устройства, обусловленная: - верхним расположением газоотводного патрубка, что вызывает замедленное движение сжигаемых отходов по шахте печи сверху вниз из-за противоположно направленного перемещения потока отходящих газов; - неудачной конструкцией устройства для вывода шлакового расплава из-за наличия в его составе водоохлаждаемого кристаллизатора, в результате чего будет иметь место замедленная выгрузка и опасность разлома готового продукта в виде охлажденного слитка; пониженный ресурс работы устройства, обусловленный: - верхним расположением газоотводного патрубка, следствием чего будет повышенное содержание в отходящих газах твердых аэрозолей, что будет являться причиной пониженного ресурса работы газоочистной системы; повышенная опасность работы устройства, обусловленная: - отсутствием охлаждающего узла верхней части шахты печи, предотвращающего газовыделение из загружаемых отходов в зоне узла загрузки через шлюзовой загрузочный узел в окружающую среду.

Преимуществами заявляемого устройства являются повышение надежности работы, повышение производительности, повышение ресурса работы устройства, а также повышение его безопасности работы.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемое устройство содержит плазменную шахтную печь, имеющую в своем составе шахту со шлюзовым узлом загрузки, воздушным холодильником, устройствами для подвода окислителя и сжатого воздуха, топливной форсункой, плазменными генераторами шахты и наклонным газоотводным каналом, а также камеру гомогенизации, снабженную вертикальным топливно-плазменным генератором, верхним и нижним сливными отверстиями, закрываемыми запорными стопорами и сливными каналами, причем плазменная шахтная печь последовательно соединена с камерой дожигания, системой охлаждения, фильтром, теплообменником, скруббером, емкостью и теплообменником, который, в свою очередь, подсоединен к скрубберу.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.

На фиг. 2 - плазменная шахтная печь, вид спереди.

На фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

На фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 2.

Устройство для переработки радиоактивных и токсичных отходов (фиг. 1) состоит из плазменной шахтной печи 1, последовательно соединенной с камерой 2 дожигания, системой 3 охлаждения, фильтром 4, теплообменником 5, скруббером 6, емкостью 7 и теплообменником 8, который, в свою очередь, подсоединен к скрубберу 6.

Плазменная шахтная печь 1 (фиг. 2-3) состоит из шахты 9, шлюзового узла 10 загрузки, воздушного холодильника 11, верхнего устройства 12 для подвода окислителя, наклонного газоотводного канала 13, устройства 14 для подвода сжатого воздуха, нижнего устройства 15, для подвода окислителя, топливной форсунки 16, камеры 17 гомогенизации, вертикального топливно-плазменного генератора камеры 18 гомогенизации, плазменных генераторов 19 шахты, сообщающихся отверстий 20, нижнего сливного отверстия 21, верхнего сливного отверстия 22, запорных стопоров 23 и сливных каналов 24.

Верхнее устройство для подвода окислителя 12, устройство для подвода сжатого воздуха 14 и нижнее устройство 15 для подвода окислителя (фиг. 4) соединены через фурмы 25 и сообщающиеся отверстия 20 с внутренним пространством шахты 9, причем устройство 14 для подвода сжатого воздуха размещено в плоскости оси входного отверстия наклонного газоотводного канала 13, расположенного в средней части шахты, а топливная форсунка 16 встроена в нижнее устройство 15 для подвода окислителя.

Камера 17 гомогенизации имеет наклонный скат 17a, над которым размещены плазменные генераторы 19 шахты, а ось вертикального топливно-плазменного генератора камеры 18 гомогенизации находится в плоскости размещения нижнего сливного отверстия 21 и верхнего сливного отверстия 22, встроенных в боковые стенки камеры 17 гомогенизации, причем нижнее сливное отверстие 21 расположено выше уровня днища камеры 17 гомогенизации.

Запорные стопоры 23 выполнены водоохлаждаемыми, причем их запорные части, входящие в сливное отверстие 21 и сливное отверстие 22, имеют длину большую, чем длина каждого из сливных отверстий, за счет чего носовые концы запорных частей выступают над внутренней поверхностью боковых стенок камеры 17 гомогенизации. Данная конструкция обеспечивает надежный слив расплава при открывании сливного отверстия 21 и сливного отверстия 22 за счет разрушения гарнисажного слоя, образующегося на поверхности носовых концов запорных частей стопоров (образование гарнисажного слоя является следствием водяного охлаждения запорных стопоров 23).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Непосредственно перед загрузкой отходов включают вертикальный топливно-плазменный генератор камеры 18 гомогенизации и плазменные генераторы 19 шахты и разогревают все устройство до температуры 1400^oC. Одновременно с этим подают воздух в воздушный холодильник 11.

Упаковки с радиоактивными и/или токсичными отходами в контейнерах из полипропилена через шлюзовой узел 10 загрузки загружают в шахту 9 до ее заполнения и через верхнее устройство 12 для подвода окислителя и нижнее устройство 15 для подвода окислителя подают дутьевой (окисляющий) воздух, причем уровень заполнения шахты 9 отходами в процессе дальнейшей переработки поддерживают постоянным. Одновременно с подачей дутьевого воздуха включают топливную форсунку 16, а через устройство 14 для подвода сжатого воздуха подают сжатый воздух. По мере сгорания образующийся коксовый остаток и неорганическая часть отходов под действием силы тяжести движутся вниз совместно с образующимися летучими продуктами газификации органической части отходов и поступают в зону горения и плавления, расположенную в камере 17 гомогенизации. Здесь происходит сгорание горючей составляющей отходов и плавление их негорючей части, а также зольного остатка. Образующийся расплав, концентрирующий в себе основную часть радионуклидов и токсичных элементов, по мере накопления в камере 17 гомогенизации сливают через нижнее сливное отверстие 21, а в случае необходимости (при быстром заполнении расплавом камеры 17 гомогенизации) - и через верхнее сливное отверстие 22, которые открывают путем выдвижения запорных стопоров 23, изготовленных из карбида кремния и обладающих возможностью поступательно-вращательного движения вдоль своих осей. Расплав стекает через сливные отверстия по сливным каналам 24 в специальные контейнеры, где его выдерживают до приобретения им монолитного состояния и отправляют на захоронение.

Наличие наклонного ската 17a и расположение плазменных генераторов 19 шахты обеспечивают исключение образования в камере 17 гомогенизации застойных зон, а также гарантированный слив расплава в зону действия вертикального топливно-плазменного генератора камеры 18 гомогенизации, топливная форсунка 16 повышает интенсивность горения отходов, а расположение сливных отверстий выше уровня днища камеры 17 гомогенизации делает возможным их нахождение в зоне повышенных температур, достаточных для предотвращения возможной кристаллизации расплава.

Воздушный холодильник 11 предотвращает преждевременную газификацию отходов в верхней части шахты 9, обеспечивая тем самым ликвидацию опасности выброса токсичных газов через шлюзовой узел 10 загрузки в окружающую среду.

Верхнее устройство 12 для подвода окислителя предотвращает образование аэрозолей, возникновение которых будет происходить уже в верхней части шахты при недостаточном количестве окислителя.

Вертикальный топливно-плазменный генератор 18 шахты печи имеет топливную вставку, обеспечивающую достижение температур, достаточных для поддержания зольного остатка в распавленно-текучем состоянии, необходимо для его гарантированного слива. Плазменные генераторы 19 шахты таких вставок не имеют, т.к. их основной функцией является подача ионизированного окисляющего газа в зону горения.

Сжатый воздух, поступающий в шахту 9 через устройство 14 для подвода сжатого воздуха, предотвращает уплотнение коксового остатка и неорганической части отходов по мере их движения по шахте 9, ликвидируя тем самым опасность забивки наклонного газоотводного канала 13 или выброса коксового остатка и неорганической части отходов в камеру 2 дожигания и далее - в газоочистную систему.

Газообразные продукты сгорания из верхней и нижней частей шахты 9 выходят через наклонный газоотводной канал 13 и поступают в камеру 2 дожигания, где происходит дожиг их горючих компонентов при средней температуре порядка 1000^oC, причем наклон газоотводного канала ликвидирует опасность скопления в нем зольного остатка от сжигания отходов.

После камеры 2 дожига газы поступают в систему 3 охлаждения, представляющую водный испаритель, где охлаждаются водой, подаваемой пневматическими форсунками с температуры 1000^oC до 300^oC. Быстрое охлаждение до 300^oC позволяет значительно снизить количество диоксинов в отходящих газах, образование которых наиболее вероятно при температурах 350 - 600^oC. Затем охлажденные газы поступают в фильтр 4, выполненный рукавным, где происходит удаление более 95% всех аэрозолей. Из фильтра 4 газы поступают в теплообменник 5 для охлаждения до температуры 250 - 280^oC, после чего их направляют в скруббер 6, где они очищаются от кислых газов. Орошающий раствор, представляющий собой раствор натриевой щелочи и имеющий pH 6 - 9 и температуру 45 - 50^oC, циркулирует по замкнутому контуру: емкость 7 - теплообменник 8 - скруббер 6 - емкость 7. Очищенные газы из скруббера 6 сбрасывают в атмосферу предварительно использовав их, как теплоагент в теплообменнике 5.

Испытания показали, что за весь период работы устройства (500 ч) не наблюдалось каких-либо выбросов недожженных отходов в систему газоочистки. Расположение сливных устройств на боковых стенках камеры гомогенизации, их иная конструкция, а также карбид кремния, из которого изготовлены запорные штоки, обладающий хорошей теплопроводностью, высокой термической устойчивостью и несмачиваемостью расплавом, обеспечивали надежный слив расплава, в то время как у прототипа приходилось периодически прогревать сливной узел вследствие его постоянного зашлаковывания и ломки слитка. Было также установлено, что производительность работы устройства по сравнению с прототипом по количеству перерабатываемых отходов повысилась в 1,5 раза, а ресурс работы системы газоочистки - в 2,5 раза. Кроме того, за время испытаний не было отмечено фактов газовыделений из загруженных отходов в окружающую среду через шлюзовой загрузочный узел.

Все это позволяет сделать вывод о подтверждении наличия вышеуказанных преимуществ заявляемого устройства по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Устройство для переработки радиоактивных и токсичных отходов, включающее плазменную шахтную печь, снабженную узлом загрузки, шахтой, устройством для подвода окислителя, охватывающим шахту по периметру, газоотводным каналом, расположенным на боковой стенке шахты, плазменными генераторами шахты, камерой гомогенизации, имеющей наклонный скат, вертикальным плазменным генератором камеры гомогенизации, снабженным топливной вставкой, сливным устройством, и систему газоочистки, включающую камеру дожигания, подсоединенную к шахте, систему охлаждения, подсоединенную к камере дожигания, и фильтр, подсоединенный к системе охлаждения, отличающееся тем, что узел загрузки выполнен шлюзовым, в верхней части шахты установлен встроенный в ее корпус воздушный теплообменник, шахта содержит дополнительное устройство для подвода окислителя и устройство для подвода сжатого воздуха, соединенные с внутренним пространством шахты через отверстия, причем верхнее устройство для подвода окислителя расположено между воздушным теплообменником и наклонным газоотводным каналом, входное отверстие которого расположено в средней части шахты, нижнее устройство для подвода окислителя с встроенной в него топливной форсункой размещено между газоотводным каналом и камерой гомогенизации, плазменные генераторы шахты установлены в горизонтальной плоскости в боковых стенках шахты над плоскостью наклонного ската камеры гомогенизации, камера гомогенизации имеет дополнительное сливное устройство, причем оба сливных устройства представляют собой отверстия, выполненные в боковых стенках камеры гомогенизации на разных уровнях от ее днища и снабженные водоохлаждаемыми запорными стопорами, запорные части которых имеют длину большую, чем длина сливных отверстий, ось вертикального плазменного генератора камеры гомогенизации проходит через плоскость размещения сливных устройств, в боковых стенках камеры гомогенизации расположены сливные каналы, а система газоочистки дополнительно снабжена теплообменником, подсоединенным к фильтру, скруббером, подсоединенным к теплообменнику, емкостью, подсоединенной к скрубберу, и теплообменником, связывающим емкость со скруббером.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройства для подвода окислителя и сжатого воздуха представляют собой коллекторы, снабженные фурмами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что запорные стопоры изготовлены из карбида кремния и обладают возможностью поступательно-вращательного перемещения вдоль своей оси.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система охлаждения представляет собой испарительный теплообменник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3