УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЯ УРАНА

Заявленная полезная модель относится к области утилизации органосодержащих отходов.
Известна установка для переработки радиоактивных отходов, предусматривающая сжигание отходов в шахтной печи. [Маркелов Н.И. и др. Установка для переработки радиоактивных отходов. Патент model-22837, 09.07.02002 г.].
Недостатком данной установки является то, что поскольку сжигание отходов производится за счет работы горелочного устройства с избытком воздуха и подачей дымовых газов на слой материала, весь технологический процесс проходит под избыточным давлением и существует возможность неконтролируемого выхода радиоактивных материалов в атмосферу.
Другим недостатком установки является отсутствие устройств, предотвращающих возможность попадания в атмосферу радиоактивных компонентов при загрузочно-разгрузочных операциях, а также несоответствие конструктивного исполнения отдельных узлов требованиям ядерной безопасности.
Известна установка для термического уничтожения твердых отходов загрязненных радиоактивными компонентами [Двоскин Г.И, Старостин А.Д. и др. Патент РФ №81292 от 10.03.2009 г.] содержащая камеру термического разложения, снабженную устройством для загрузки отходов, средством выгрузки коксозольного остатка, колосниковой решеткой для сжигания коксового остатка, каналом для вывода газообразных продуктов термического разложения, вертикальной циклонной топкой с горелочным устройством, каталитическим дожигателем, теплообменником, системой газоочистки и дымососом.
Недостатком установки является пульсация режимных параметров технологического процесса из-за неравномерного цикличного разложения отходов в камере термического разложения и, соответственно, цикличного поступления и горения газообразных продуктов в горелочном устройстве циклонной топки с неравномерным, кратковременным (залповым) выделением большого количества тепла, что, в свою очередь, требует наличия больших поверхностей теплообменного оборудования, которое используется неэффективно, так как работает в неоптимальном пульсирующем режиме. Такой ход процесса объясняется следующим:
Предметом утилизации является, как правило, загрязненная оксидами урана смесь отходов примерно следующего состава: резинотехнические изделия -50%, ветошь -35%, пластики -10%, прочее -5%. Средняя калорийность смеси примерно 20-22 МДж/кг. Обычно в процессе пиролиза органики основное время занимает нагрев материала до температуры начала его термического разложения, а сам процесс пиролиза происходит очень быстро. При разовой загрузке в камеру термического разложения порции материала цикл его разложения делится на три временных периода: нагрев - примерно 35% от суммарного времени цикла, основной процесс пиролиза -20%, остаточные процессы -45%. Таким образом, основная нагрузка на оборудование, в том числе теплообменное, приходится только на 20% общего времени цикла. В остальное время энергоресурсы, рассчитанные по максимуму на подачу количества воздуха необходимого для сжигания парогазовой смеси и охлаждающего агента (воздуха) в теплообменник, тратятся впустую. Особенно это сказывается при пиролизе высококалорийного материала, когда имеет место бурное выделение парогазовой смеси и соответственно большого количества тепла в течение нескольких минут. Для снятия большого количества тепла за ограниченное время теплообменное оборудование должно иметь большую поверхность, которую, исходя из требований ядерной безопасности, лимитирующей геометрические размеры оборудования (поперечные диаметры не более 110 мм), приходится набирать из большого количества мелких узлов, что нетехнологично и неэкономично. Выравнивать же пульсацию процесса путем добавления новой порции материала в реакционное устройство нельзя из-за опасности накопления в нем критической массы урана 235 (более 2,5 кг).
Другим недостатком установки является то, что при сжигании коксового остатка на колосниковой решетке накопление золы также может привести к образованию критической массы урана 235, так как основная масса радиоактивных компонентов остается в золе.
Еще одним недостатком установки является то, что при загрузке очередной порции отходов и выгрузке коксозольного остатка возможно попадание воздуха из окружающей среды в камеру термического разложения и наоборот, продуктов пиролиза в окружающую среду.
Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель является уменьшение металлоемкости теплообменного оборудования и экономия энергоресурсов за счет обеспечения равномерности процесса термического разложения; обеспечение невозможности попадания воздуха в камеру термического разложения, а продуктов термического разложения в окружающую среду за счет шлюзования подачи отходов в камеру термического разложения; и обеспечение невозможности накопления критической массы соединений урана 235 в отдельных узлах установки за счет их выполнения в соответствии с требованиями ядерной безопасности.
Поставленная задача достигается тем, что вход в камеру термического разложения установки снабжен шлюзовым загрузочным устройством дискретного действия, внутренний объем камеры термического разложения снабжен перемещающим устройством непрерывного действия, выход из камеры термического разложения снабжен шлюзовым устройством выгрузки коксозольного остатка дискретного действия и устройством отвода парогазовой смеси соединенным с горелочным устройством, выход из которого соединен с входом в каталитический дожигатель выход из которого соединен с входом в теплообменник, а внутренние объемы и геометрические размеры узлов установки не превышают соответственно 4-х литров, и 110 мм.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема установки реализующей процесс термического разложения отходов содержащих соединения урана 235.
Установка содержит устройство подготовки отходов 1 с перемещающим устройством 2, шлюзовое загрузочное устройство дискретного действия 3, камеру термического разложения 4 снабженную внешним обогревателем 5 и перемещающим устройством непрерывного действия 6, шлюзовое устройство дискретного действия для выгрузки коксозольного остатка 7, бункер-бокс 8, горелочное устройство 9, каталитический дожигатель 10, теплообменник 11, циклон 12, «мокрый» скруббер 13, дымосос 14.
Установка работает следующим образом:
Камеру термического разложения 4 предварительно разогревают с помощью внешнего обогревателя 5. Из устройства подготовки отходов 1 порцию отходов массой не более 2,5 кг перемещающим устройством 2 перемещают в шлюзовое загрузочное устройство дискретного действия 3. После окончания перемещения порции отходов в шлюзовое загрузочное устройство 3 закрывают его верхний затвор и открывают нижний затвор. После опорожнения шлюзового устройства 3 закрывают его нижний затвор, открывают верхний затвор и операция загрузки повторяется. Отходы из шлюзового устройства 3 высыпаются на входной участок постоянно работающего перемещающего устройства 6 камеры термического разложения 4 и далее равномерно подаются им во внутренний объем камеры. По мере продвижения отходов вдоль оси нагретой камеры термического разложения 4 к ее выходу отходы постепенно нагреваются, пиролизуются и превращаются в газообразные продукты и твердый коксозольный остаток. На выходе из камеры термического разложения 4 коксозольный остаток равномерно поступает в шлюзовое устройство 7, а газообразные продукты равномерно поступают в горелочное устройство 9. После заполнения шлюзового устройства 7 заданной массой коксозольного остатка, открывают его нижний затвор и сбрасывают коксозольный остаток в бункер-бокс 8. К моменту заполнения шлюзового устройства 7 заданной массой коксозольного остатка в шлюзовом загрузочном устройстве 3 подготавливают новую порцию отходов и операции повторяются.
После сгорания газообразных продуктов в горелочном устройстве 9 образовавшиеся дымовые газы поступают в каталитический дожигатель 10, где происходит каталитическое дожигание остатков органики, а затем в кожухотрубный теплообменник 11. Охлажденные в теплообменнике 11 дымовые газы очищают от пыли в циклоне 12, промывают в «мокром» скруббере 13 и через дымосос 14 выводят из процесса.
Снабжение камеры термического разложения 4 шлюзовым загрузочным устройством 3 и шлюзовым устройством для выгрузки коксозольного остатка 7, исключает возможность попадания воздуха из внешней среды в камеру термического разложения 4 и, наоборот, газообразных продуктов пиролиза из камеры термического разложения 4 во внешнюю среду.
Снабжение камеры термического разложения 4 внутренним перемещающим устройством 6 непрерывного действия обеспечивает равномерное перемещение отходов в камере термического разложения 4 и, как следствие, практически равномерный установившийся режим нагрева и пиролиза отходов по температурным зонам камеры термического разложения 4, что в свою очередь обеспечивает равномерное поступление газообразных продуктов пиролиза в горел очное устройство 9. В свою очередь равномерное поступление дымовых газов в теплообменник 11 позволяет производить их равномерное во времени охлаждение в одном теплообменнике, тем самым, избегая необходимости использования сразу нескольких таких теплообменников для снятия большого количества тепла за короткий промежуток времени при «залповом» выделении продуктов пиролиза. Кроме того отпадает необходимость в резком увеличении расхода охлаждающей среды подаваемой в теплообменник, при «залповом» выделении продуктов пиролиза. Следствием этого является снижение общей металлоемкости установки и экономия энергоресурсов
Снабжение камеры термического разложения 4 шлюзовым загрузочным устройством 3 дискретного действия при непрерывно работающем перемещающем устройстве 6 и выполнение узлов установки в соответствии с требованиями ядерной безопасности, исключают возможность накопления критической массы соединений урана в ходе технологического процесса.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает уменьшение металлоемкости теплообменного оборудования и экономию энергоресурсов за счет равномерности процесса охлаждения продуктов горения, обеспечивает невозможность поступления воздуха в камеру термического разложения за счет подачи отходов в камеру термического разложения и вывод коксозольного остатка через шлюзовые питатели дискретного действия и обеспечивает невозможность накопления критической массы урана 235 за счет выполнения узлов установки в соответствии с требованиями ядерной безопасности.