РЕАКТОР ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к устройствам для обезвреживания отходов различного происхождения, включая твердые бытовые отходы, токсичные отходы лечебных, транспортных, торговых и других предприятий и учреждений городской структуры, а также радиоактивные отходы среднего и низкого уровня активности и боевые отравляющие вещества.
Известно устройство для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, 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 генератор.
Недостатками устройства являются ненадежность его работы, пониженная производительность и ресурс работоспособности. Патент Российской Федерации №1810991, МПК: G21F 9/32, 1993 г.
Известен реактор для термической переработки радиоактивных и токсичных отходов, содержащий шахтную печь, со шлюзовым узлом загрузки, шахтой, устройством для подвода окислителя, плазменными генераторами шахты, сливным устройством, и выходом газов в систему газоочистки, систему охлаждения; шахта содержит устройство для подвода окислителя и сжатого воздуха, плазменные генераторы шахты установлены в горизонтальной плоскости в боковых стенках шахты; система включает также камеру гомогенизации со сливным устройством, и аппараты газоочистки. Патент Российской Федерации №2107347, МПК: G21F 9/32, 1998 г. Прототип.
В прототипе предусмотрена установка одного плазмотрона для обогрева ванны расплава путем прямого воздействия на ее поверхность струи горячего воздуха, что приводит к неравномерному нагреву.
Техническим результатом полезной модели является устранение образования зон чрезмерного теплового напряжения футеровки реактора, повышение надежности и увеличение ресурса работы, обеспечение газопроницаемости столба отходов, повышение эффективной конверсии органических компонентов отходов, обеспечение захвата радионуклидов и гомогенизации шлакового расплава.
Технический результат достигается тем, что в реакторе для термической переработки отходов, содержащем шахтную печь, со шлюзовым узлом загрузки, для термической переработки отходов, содержащий шахтную печь со шлюзовым узлом загрузки, систему подвода рабочего газа с плазменными генераторами, смесительными камерами и фурмами подачи рабочего газа в реактор, камеру для расплава со сливным устройством и систему газоочистки, отличающийся тем, что система подвода окислителя выполнена двухъярусной, верхний ярус ввода окислительной смеси содержит плазменный генератор, систему подачи воздуха, ввод вторичного воздуха, смесительную камеру, водоохлаждаемую панель и дутьевые фурмы верхнего яруса, барботажную плавильную камеру с сифоном для вывода шлакового расплава, нижний ярус ввода высокотемпературной окислительной смеси содержит плазменный генератор, узел ввода вторичного воздуха, смесительную камеру, снабженную водоохлаждаемыми панелями, в верхней части шахты под узлом загрузки расположен газоход для отвода газа на дожигание, охлаждение и очистку.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично изображен реактор, где: 1 - узел загрузки отходов; 2 - шахта реактора; 3.1-3.7 - элементы верхнего яруса ввода рабочего газа (горячего воздуха); 3.1 - плазменный генератор; 3.2 - подача электроэнергии; 3.3 - подача воздуха и 3.4 - ввод вторичного воздуха; 3.5 - смесительная камера; 3.6 - водоохлаждаемая панель; 3.7 - дутьевые фурмы верхнего яруса; 4 - барботажная плавильная камера; 4.1 - сифон для вывода шлакового
расплава; 4.2 - индуктор или омический нагреватель обогрева сифона; 4.3 - сливная летка с запорным стопором; 5.1-5.7 - элементы нижнего яруса ввода горячего воздуха; 5.1 - плазменный генератор; 5.2 - подача электроэнергии; 5.3 - подача воздуха; 5.4 - ввод вторичного воздуха; 5.5 - смесительная камера; 5.6 - водоохлаждаемая панель; 5.7 - дутьевые фурмы нижнего яруса; 6 - газоход для отвода синтез-газа на дожигание, охлаждение и очистку.
Узел загрузки 1, расположенный в верхней части реактора, снабжен системой шлюзовых шиберов и тепловой водоохлаждаемой заслонкой, исключающей возможность перегрева конструктивных элементов потолочной части реактора и шиберов в процессе пуска реактора, пока шахта 2 не окажется заполненной подаваемыми в реактор отходами.
Перед началом проведения процесса переработки отходов в барботажную плавильную камеру 4 через узел загрузки 1 засыпают предварительно подготовленный шлаковый материал в форме кусков. Стопор перекрывает отверстие сливной летки 4.3. Затем включают в работу плазменный генератор 3.1 и горячий воздух с температурой, превышающей температуру плавления шлака, подают в барботажную плавильную камеру 4, обеспечивая плавление шлака и заполнение ванны барботажной камеры жидким шлаком до уровня слива в сифоне 4.1. По заполнении барботажной плавильной камеры 4 жидким шлаком включают обогреватель 4.2 сливного лотка сифона 4.1.
С помощью внешнего вентилятора или дымососа (на чертеже не показаны) в шахте создают разрежение примерно 200 Па. Затем включают плазменный генератор 3.1 верхнего яруса и через узел загрузки 1 подают отходы в шахту 2 до заполнения ее объема до уровня, несколько ниже уровня газохода 6. После выхода реактора на стационарный режим подачу отходов в верхнюю часть шахты осуществляют по мере выработки находящегося в ней материала. В процессе термической переработки отходы под действием силы тяжести продвигаются вниз навстречу потоку отходящих газов, удаляемых из шахты через газоход 6 на дожигание и очистку.
В верхней части шахты 2 свободная влага из отходов испаряется под воздействием горячих газовых продуктов пиролиза и газификации, поступающих из нижней зоны шахты. Подсушенные твердые отходы поступают в среднюю зону шахты 2, где при температуре 400-800°С происходит их термическое химическое разложение под воздействием газообразных продуктов, поступающих из нижних отделов шахты 2.
Фурмы 3.7 равномерно расположенные по окружности корпуса шахты 2 повышают степень газификации отходов. Этому способствует и расширяющаяся к низу конусность шахты.
При переработке радиоактивных отходов радионуклиды и аэрозоли, содержащиеся в газообразных продуктах окисления, поднимающихся из нижней части шахты 2, поглощаются слоем перерабатываемых отходов за счет поверхностной молекулярной адсорбции и хемосорбции на окислах кремния, алюминия и коксовом остатке, и в химически связанном виде вновь поступают в нижние слои шахты 2.
Коксовый остаток смеси, поступая к основанию шахты 2, сгорает при взаимодействии с горячим воздухом, поступающим через фурмы 3.7. Коксовый остаток смешивается с восходящим от шлакового расплава горячим воздухом, проходящим через него от дутьевых фурм нижнего яруса 5.7. Регулируя расход и температуру подаваемого в нижнюю часть шахты 2 воздуха, в слое отходов нижней зоны шахты 2 поддерживают температуру ниже температуры оплавления зольного остатка - 1000°С, препятствуя ошлаковыванию зольного остатка в зоне реактора выше уровня ввода подогретого воздуха через фурмы 3.7, сохраняя тем самым газопроницаемость столба отходов и обеспечивая непрерывное поступление негорючего компонента отходов на поверхность расплава, находящегося в барботажной плавильной камере 4. Зольный остаток, в жидкой ванне барботажной плавильной камеры 4, перемешивается с жидким шлаком несколькими дутьевыми фурмами 5.7 нижнего яруса и нагревается до температуры 1400-1500°С до его полного расплавления.
Радионуклиды, улетучивающиеся с поверхности расплава при плавлении зольного остатка, вступают в реакцию минералообразования при твердофазных превращениях с образованием тугоплавких соединений в нагретом слое зольного остатка, непрерывно поступающего из зоны газификации. В результате таких взаимодействий радионуклидов в отходящих из реактора газах снижают количество выносимых радионуклидов, а основное их количество попадает в шлаковый расплав. По мере поступления зольных остатков в барботажную ванну плавильной камеры 4, их смешения с расплавленным шлаком и плавлением, происходит вытеснение расплава через сифон 4.1 в сливной лоток и далее в гранулятор.
Для остановки реактора прекращают подачу отходов в шахту 2. Все устройства функционируют до полной выработки материала отходов в шахте. После этого отключают плазменные генераторы 3.1 верхнего яруса, генераторы 5.1 переводят в режим подачи горячего воздуха с температурой, превышающей температуру плавления шлака. Для предотвращения возможного перегрева верхней части реактора через фурмы верхнего яруса 3.7 подают холодный воздух. Далее стопор сливной летки 4.3 открывают и освобождают ванны от жидкого шлака.
Процессы пиролиза и газификации органической части отходов и плавления неорганической части отходов разделены в пространстве: превращение органики в топливный газ идет в процессе встречного движения загружаемых сверху отходов и горячего воздуха от плазменных генераторов верхнего яруса 3.1, подаваемого через сопла 3.7 в футеровке реактора. Температура воздуха несколько ниже (1150-1200°С) температуры плавления неорганических компонентов; а плавление неорганических компонентов отходов происходит в объеме жидкой шлаковой ванны барботажной плавильной камеры 4, в которую через дутьевые фурмы 5.7 нижнего яруса, расположенные ниже уровня шлака в ванне, подают под
давлением горячий воздух с температурой 1700-1750°С от плазменных генераторов 5.1.
Плазменные генераторы 3.1 верхнего и нижнего яруса 5.1 установлены в футерованных смесительных камерах, снабженных для жароустойчивости панелями водяного охлаждения, из которых горячий воздух вводят в соответствующие зоны реактора. Камеры снабжены дополнительными соплами для ввода холодного или предварительно подогретого воздуха с учетом необходимости обеспечения указанной выше температуры подаваемого в реактор факела рабочего газа (теплоносителя) за счет смешивания этого холодного (подогретого) воздуха с горячим воздухом. Смесительные камеры обеспечивают формирование потока рабочего газа, подаваемого в реактор.
Барботажная плавильная камера 4, округлая по форме, футерована изнутри и снабжена сифоном 4.1, через который избыток жидкого шлака выводят в сливной лоток, снабженный индукционным или омическим нагревателем 4.2 для предотвращения застывания в нем шлака. Подаваемый через фурмы в барботажной плавильной камере 4 горячий воздух обеспечивает продвижение расплава в направлении выпускного отверстия сифона 4.1. Фурмы, как верхнего яруса 3.7, так и нижнего яруса 5.7 в плавильной барботажной камере 4 подают теплоноситель от смесительных камер 3.5 и 5.5 сквозь футеровку шахтной части реактора и барботажной плавильной камеры 4, при этом формируют, поток рабочего газа. В низшей точке барботажной плавильной камеры 4 расположена сливная летка 4.3 для освобождения камеры от шлака при остановке реактора.
Летка 4.3 снабжена стопором, который в режиме работы реактора перекрывает ее. Для облегчения продвижения столба отходов в футерованной изнутри шахте, она выполнена круглой в сечении и имеет конусность 3-5° с расширением в сторону барботажной плавильной камеры 4. Образуемый топливный газ выводят через газоход 6 в верхней части реактора.