СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ УРАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCESSING METHOD OF URANIUM METAL CHIPS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области переработки твердых радиоактивных отходов и оборотных продуктов, в частности к способам и устройствам для сжигания оборотного металлического урана.
При механической обработке слитков и изделий в урановом производстве образуется металлическая стружка урана, которую после сжигания можно использовать в качестве исходного продукта для получения тетрафторида урана высокой чистоты.
Известен способ сжигания твердых радиоактивных отходов, включающий предварительное измельчение радиоактивных отходов и послойное пересыпание их порошкообразной экзотермической смесью, которая состоит из порошка магния 50÷80 маc. %, калия азотнокислого 1÷5 мас. %, масла индустриального 1÷2 маc. %, порошка алюминий-магниевого сплава - остальное. (Патент РФ №2086023, 6 G21F 9/32, опубл. 27.07.1997 г.)
Известный способ не обеспечивает высокого качества продукта сжигания металлической стружки урана из-за загрязнения его большим количеством примесей, присутствующих в порошкообразной экзотермической смеси. Повышенное содержание примесей в продукте сжигания приводит к необходимости дополнительных затрат на очистку его от примесей, что в конечном счете ведет к повышению себестоимости переработки оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана.
Известен способ сжигания твердых радиоактивных отходов, включающий пересыпку радиоактивных материалов экзотермическим материалом и сжигание. В качестве экзотермического материала используются отходы производства тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок в виде стружки и опилок сплава циркония, полученных после резки трубок в размер оболочек тепловыделяющих элементов, изготовления нижних решеток, дистанционирующих решеток и каналов, направляющих для тепловыделяющих сборок, а пересыпку циркониевой стружкой и опилками радиоактивных отходов осуществляют небольшими порциями непосредственно перед загрузкой их на сжигание. При этом соотношение циркониевой стружки и опилок к твердым радиоактивным отходам в весовых единицах составляет 0,1:(80÷100). (Патент РФ №2228552 С2, 7 G21F 9/32, опубл. 05.10.2004 г.)
Известный способ не обеспечивает высокого качества продукта сжигания металлической стружки урана из-за загрязнения его примесями, присутствующими в экзотермическом материале (циркониевой стружке и опилках). Повышенное содержание примесей в продукте сжигания требует дополнительных затрат на очистку, что в конечном счете ведет к повышению себестоимости переработки оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ переработки урансодержащих отходов, описанный в RU 2236477 (опубл. 20.09.2004, бюл. №26), включающий подготовку и сжигание стружки перед использованием отходов в качестве исходного сырья для изготовления металлического урана.
Известный способ не позволяет получать продукт сжигания требуемой кондиции по химическому и фракционному составу из-за наличия большого количества примесей в сгораемых урановых материалах, изделиях и отходах производства металлического урана. Поэтому требуются дополнительные затраты на доработку получаемого оксидного продукта сжигания до требуемой кондиции по химическому и фракционному составам, что приводит к повышению себестоимости переработки оксидного продукта сжигания в тетрафторид урана высокого качества.
Известно устройство для окисления металлических отходов, содержащее камеру сгорания, размещенную в камере наклонно колосниковую беспровальную решетку, узел подачи на решетку окисленного материала, систему подачи окислителя, узел выгрузки из камеры твердых продуктов сгорания, узел отвода газообразных продуктов горения, при этом оно снабжено неподвижно закрепленным на корпусе камеры желобом, колосниковая решетка размещена в желобе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль желоба и подсоединена к источнику механических колебаний, между донной частью желоба и решеткой сформирована полость, которая подсоединена к системе подачи окислителя, колосники выполнены с полостями, которые в торцевых зонах подсоединены к коллекторам подвода и отвода газа для охлаждения колосников, а верхние стенки колосников со стороны полости снабжены теплоотводящими ребрами, при этом угол наклона рабочей поверхности каждого колосника к горизонтали составляет от 5 до 15 градусов. (Патент РФ на полезную модель №38381 U1, 7 F23В 1/38, опубл. 24.11.2003.)
Известное устройство для окисления металлических отходов не обеспечивает высокого качества продукта сжигания металлической стружки урана из-за того, что процесс сжигания ее протекает интенсивно в одной зоне, в которой трудно регулировать оптимальную температуру процесса. Это приводит к спеканию продукта и неполному прогоранию стружки урана, в результате чего в получаемом оксидном продукте находится много активной (с частицами металла) и крупной агломерированной фракции. На доработку продукта до требуемой кондиции требуются дополнительные затраты, что требует повышенной себестоимости переработки продукта сжигания металлической стружки (оксида урана) в тетрафторид урана. Известное устройство к тому же отличается сравнительно сложной конструкцией и высокой стоимостью, что приводит к дополнительному повышению себестоимости получаемого тетрафторида урана.
Известна установка для сжигания отходов, содержащая вертикальную шахтную печь с соплами подачи жидкого топлива, механизмом непрерывной подачи отходов, загрузочным бункером, поворотными колосниковыми решетками, размещенными на разных уровнях и снабженными соплами подачи окислителя в печь, теплообменник типа «труба в трубе» и сепаратор, патрубки вывода сажи из которых сообщены с патрубком вывода золы из печи. Установка снабжена пульсатором подачи окислителя и размещенными по ходу движения газов после теплообменника и сепаратора в одном с ним корпусе кожухотрубным обменником, лавсановым фильтром и абсорбционной колонной, патрубки вывода из которых сообщены между собой и с патрубком вывода сажи из сепаратора, при этом поворотные колосниковые решетки выполнены в виде трубных колец, сообщенных с пульсатором подачи окислителя, сопла подачи окислителя размещены по всей длине колец с направлением от центра к периферии тангенциально и вверх, сопла подачи жидкого топлива установлены под углом над каждой колосниковой решеткой навстречу движению газов и окислителя, а сепаратор снабжен металлоткаными фильтрами, сопла подачи окислителя установлены под углом 30-45 градусов к оси кольца, сопла подачи топлива установлены под углом 30-45 градусов к вертикальной оси камеры и снабжены электрозажигательными устройствами, патрубок выхода газов из абсорбционной колонны сообщен с вентилятором, а загрузочный бункер снабжен толкателем в виде пневмоцилиндра. (А.с. СССР №1191685 А, F23G 5/18, опубл. 15.11.1985 г.)
Известная установка для сжигания отходов не обеспечивает высокого качества продукта сжигания металлической стружки урана из-за того, что процесс сжигания ее протекает интенсивно в одной зоне, в которой трудно регулировать оптимальную температуру процесса. Это приводит к спеканию продукта и неполному прогоранию стружки урана, в результате чего в получаемом оксидном продукте находится много активной (с частицами металла) и крупной агломерированной фракции. Кроме того, требуются дополнительные затраты на доработку продукта до требуемой кондиции, что приводит к повышению себестоимости переработки продукта сжигания металлической стружки (оксида урана) в тетрафторид урана. Известная установка для сжигания отходов к тому же отличается сравнительно сложной конструкцией и высокой стоимостью, что приводит к дополнительному повышению себестоимости переработки продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана.
Известна барабанная вращающаяся печь для сжигания твердых отходов, содержащая корпус печи, футерованный огнеупорными материалами, загрузочное устройство, горелку, двухсекционную разгрузочную камеру, золовую и газовую секции, газоход, мигалки для удаления золы, механизм вращения печи и камеру дожигания газов. (М.Н.Бернадинер, А.П.Шурыгин. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М., «Химия» 1990, с.37-39.)
Известная барабанная вращающаяся печь для сжигания твердых отходов не обеспечивает высокого качества продукта сжигания металлической стружки урана из-за того, что процесс сжигания ее протекает интенсивно в одной зоне, в которой трудно регулировать оптимальную температуру процесса. Это приводит к спеканию продукта и неполному прогоранию стружки урана, в результате чего в получаемом оксидном продукте находится много активной (с частицами металла) и крупной агломерированной фракции. Кроме того, требуются дополнительные затраты на доработку продукта до требуемой кондиции, что приводит к повышению себестоимости переработки продукта сжигания металлической стружки (оксида урана) в тетрафторид урана.
В патенте RU 2236477 (опубл. 20.09.2004, бюл. №26) описано оборудование для переработки, включающее установку сжигания.
По причинам, изложенным выше при описании наиболее близкого способа, известное устройство не позволяет получать металлический уран высокого качества при переработке стружки без дополнительной доработки.
Задачей заявляемых изобретений является повышение качества оксидного продукта сжигания металлической стружки урана по крупности и содержанию урана активного, снизить затраты на переработку оксидного продукта сжигания металлической стружки урана за счет снижения количества примесей, получения закиси-окиси урана преимущественно мелких фракций.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки металлической стружки урана, включающем подготовку и сжигание стружки, для сжигания используют стружку толщиной 0,3÷3 мм, процесс сжигания ведут при последовательном перемещении стружки из одной рабочей зоны в другую с подачей воздуха в направлении перемещения и осуществляют в несколько стадий, включающих осушку и нагревание при температуре в слое материала 100÷300°С, а затем - зажигание и горение при температуре 300÷900°С в течение 5÷30 мин.
После стадии горения стружки может быть дополнительно проведена стадия дожигания продуктов горения в тлеющем слое при температуре 200÷700°С в течение 20÷60 мин.
Стружка перед сжиганием может быть подвергнута дроблению.
Для достижения технического результата предлагается устройство, которое содержит установку сжигания, которая выполнена в виде горизонтальной трубчатой электропечи, содержащей корпус, футерованный огнеупорными материалами, трубу с внутренними витками и лопатками, выполненную с возможностью вращения вокруг своей оси, разделенную на рабочие зоны с автономными источниками нагрева для осуществления последовательных стадий процесса сжигания, средство для подачи воздуха в трубу в направлении перемещения стружки, узлы загрузки, выгрузки продуктов горения стружки и удаления газов.
Предпочтительно, чтобы труба с внутренними витками и лопатками установки сжигания может быть отлита из жаропрочного сплава.
Труба установки сжигания может иметь две рабочие зоны, при этом между витками второй рабочей зоны выполнены лопатки высотой, равной высоте витков, и расположены на витках через 180 градусов.
Труба установки сжигания может иметь три рабочие зоны, при этом между витками второй и третьей рабочих зон выполнены лопатки высотой, равной высоте витков, и расположены на витках через 180 градусов.
Предпочтительно, чтобы устройство для сжигания стружки дополнительно содержало дожигатель продуктов горения стружки, последовательно связанный с установкой сжигания в один агрегат.
Дожигатель продуктов горения стружки может содержать корпус, шнек с витками и лопатками, средство для подачи воздуха, источник нагрева, узлы загрузки, выгрузки продукта и удаления газов.
Между витками шнека дожигателя продуктов горения стружки могут быть выполнены лопатки высотой, равной высоте витков, и расположены на витках шнека через 240 градусов.
При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемых технических решений.
Сравнение заявляемых технических решений не только с наиболее близкими аналогами, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известно измельчение промышленных отходов перед их сжиганием (М.Н.Бернадинер, А.П.Шурыгин. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М., «Химия» 1990).
Известны горизонтальные барабанные вращающиеся печи для сжигания твердых отходов, содержащие механизмы загрузки, выгрузки, нагрева и барабан. (М.Н.Бернадинер, А.П.Шурыгин. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М., «Химия» 1990, с.37-41).
Однако в заявленных технических решениях только вся совокупность известных и новых существенных признаков позволяет решить поставленную задачу - значительно снизить затраты на переработку оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана и повысить качество самого продукта.
Использование в заявляемом способе переработки металлической стружки урана на операции сжигания стружки толщиной 0,3÷3 мм и ведение процесса сжигания с подачей воздуха в направлении перемещения стружки несколько стадий, включающих осушку и нагревание при температуре в слое материала 100÷300°С, а затем зажигание и горение при температуре 300÷900°С в течение 5÷30 мин, позволяет существенно повысить качество оксидного продукта сжигания металлической стружки урана, преимущественно до мелких фракций закиси-окиси урана, которые легко и полно конвертируются с получением тетрафторида урана высокого качества и далее в гексафторид урана, соответствующий требованиям стандартов. Отсутствие в оксидном продукте сжигания металлической стружки урана по заявляемому способу крупных агломерированных фракций (доля фракции +0,4 мм менее 5%), а также неоднородности химического состава разных оксидов урана переменного состава, минимальное количество активного урана (менее 1,0 маc. %) приводит к тому, что не требуются дополнительные затраты на доработку оксидного продукта сжигания металлической стружки урана до требуемой кондиции (например, с применением выщелачивания, экстракционного аффинажа), что в конечном счете приводит к значительному снижению себестоимости переработки оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана высокого качества по сравнению с известными способами.
Проведение в процессе сжигания стружки дополнительной третьей стадии: дожигания продуктов горения в тлеющем слое при температуре 200÷700°С в течение 20÷60 мин, а также использование дробленной стружки позволяет дополнительно повысить производительность устройства для сжигания стружки при обеспечении повышения качества оксидного продукта урана по крупности и содержанию урана активного, а также позволяет снизить себестоимость переработки оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана высокого качества по сравнению с известными способами.
Заявленная конструкция устройства для сжигания металлической стружки позволяет осуществить поступательно-вращательное перемещение стружки через рабочие зоны, в которых проводят в заданных заявляемым способом стадиях последовательную обработку стружки урана при заявляемых условиях, обеспечивающих достижение технического результата.
В первой рабочей зоне трубы установки сжигания не предусмотрены лопатки в связи с тем, что на стадии осушки, удаления влаги и нагревания стружки не требуется интенсивного ее перемешивания. Кроме того, это позволяет избежать преждевременного воспламенения стружки, содержащей остаточную воду, которая катализирует процесс бурного горения с интенсивным пылеобразованием.
Использование по заявляемому техническому решению установки сжигания, у которой труба имеет три рабочие зоны с выполнением между витками второй и третьей рабочих зон лопаток высотой, равной высоте витков, и расположенных на витках через 180 градусов, или содержащей дожигатель продуктов горения стружки, выполненный и связанный с установкой сжигания в заявляемых условиях, дает возможность осуществить дополнительно дожигание продуктов горения, что при заявляемых способом условиях позволяет создать оптимальные условия для сжигания металлической стружки урана и существенно повысить производительность устройства и качество оксидного продукта сжигания до требуемой кондиции преимущественно до мелких фракций закиси-окиси урана, которые легко и полно конвертируются с получением тетрафторида урана высокого качества и далее в гексафторид урана в соответствии с требованиями стандартов. Отсутствие в оксидном продукте сжигания металлической стружки урана по заявляемому способу крупных агломерированных фракций (доля фракции +0,4 мм менее 5%), а также неоднородности химического состава разных оксидов урана переменного состава, минимальное количество активного урана (менее 1,0 мас.%) приводит к тому, что не требуются дополнительные затраты на доработку оксидного продукта сжигания металлической стружки урана до требуемой кондиции (например, с применением выщелачивания, экстракции и аффинажа), что в конечном счете приводит к значительному снижению себестоимости переработки оксидного продукта сжигания металлической стружки урана в тетрафторид урана высокого качества по сравнению с известными устройствами.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 представлено заявляемое устройство для сжигания металлической стружки урана, которое осуществляет процесс сжигания стружки в две стадии;
на фиг.2 представлено заявляемое устройство для сжигания металлической стружки урана, которое осуществляет процесс сжигания стружки в три стадии без дожигателя;
на фиг.3 представлено заявляемое устройство для сжигания металлической стружки урана, которое осуществляет процесс сжигания стружки в три стадии с дожигателем.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности. Подготовленную стружку урана толщиной 0,3÷3 мм загружают в установку сжигания, где сначала проводят ее сушку и нагревание. Затем осушенную и подогретую стружку сжигают при интенсивном перемешивании и подаче воздуха в направлении движения стружки, что способствует полному ее сжиганию.
Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа. Сжигали металлическую стружку урана, образованную при механической обработке слитков урана.
Пример 1
Использовали металлическую стружку урана разной толщины: 0,2; 0,3; 1,6; 3,0; 3,1 мм как не дробленную, так и предварительно дробленную. Стружку загружали в устройство для переработки (фиг.1). В направлении перемещения стружки подводили воздух. Процесс сжигания стружки проводили в две стадии. На первой стадии осуществляли осушку и нагревание стружки в первой рабочей зоне трубы 2 установки сжигания при разных температурах: 98, 100, 150, 300, 305°С. На второй стадии -зажигание и горение стружки во второй зоне трубы 2 установки сжигания при разных температурах: 295, 300, 600, 900, 905°С в течение разного времени: 4; 5; 17,5; 30; 31 мин. Продолжительность сжигания стружки регулировали скоростью вращения трубы 2 установки сжигания. Готовый оксидный продукт выгружали в контейнер.
Пример 2
Стружку урана разной толщины: 0,3; 1,6 и 3,0 мм как не дробленную, так и предварительно дробленную загружали в устройство для переработки (фиг.2). В направлении перемещения стружки подводили воздух. Процесс сжигания стружки проводили в три стадии. На первой стадии осуществляли осушку и нагревание стружки в первой рабочей зоне трубы 2 установки сжигания при разных температурах: 100, 150 и 300°С. На второй стадии осуществляли зажигание и горение стружки во второй зоне трубы 2 установки сжигания при разных температурах: 300, 600 и 900°С в течение разного времени 5, 17,5 и 30 мин. На третьей стадии проводили дожигание продуктов горения в тлеющем слое в третьей зоне трубы 2 установки сжигания при разных температурах: 195; 200; 450; 700 и 705°С в течение разного времени: 19; 20; 40; 60 и 61 мин. Продолжительность сжигания стружки регулировали скоростью вращения трубы 2 установки сжигания. Готовый оксидный продукт выгружали в контейнер.
Пример 3
Стружку урана разной толщины: 0,3; 1,6 и 3,0 мм как не дробленную, так и предварительно дробленную загружали в устройство для переработки (фиг.3). В направлении перемещения стружки подводили воздух. Процесс сжигания стружки проводили в три стадии: на первой стадии осуществляли осушку и нагревание стружки в первой рабочей зоне трубы 2 установки сжигания I при разных температурах: 100, 150 и 300°С. На второй стадии проводили зажигание и горение стружки во второй части трубы 2 установки сжигания I при разных температурах: 300, 600, 900°С в течение разного времени: 5; 17,5 и 30 мин. На третьей стадии продукты горения стружки дожигали в тлеющем слое в дожигателе II при разных температурах: 200; 450; 700°С в течение разного времени: 20; 40 и 60 мин. Время сжигания регулировали скоростью вращения трубы 2 установки сжигания I и шнека 7 дожигателя II. Готовый оксидный продукт выгружали в контейнер.
Пример 4
Для получения сравнительных данных проводили сжигание стружки по наиболее близкому аналогу. В качестве исходного сырья для сжигания использовали сгораемые материалы, содержащие уран, отходы производства металлического урана и металлическую стружку урана. Данное сырье сжигали в вертикальной установке сжигания в одну стадию. Готовый оксидный продукт выгружали в контейнер.
Из полученных способами по примерам 1-4 оксидных продуктов получали тетрафторид урана.
Пример 5
Заявляемое устройство для сжигания металлической стружки урана (фиг.1) состоит из установки сжигания, которая выполнена в виде горизонтальной вращающейся трубчатой электропечи, содержащей корпус 1 с футеровкой, трубу 2 с внутренними витками 3, узел загрузки (не показан), средство для подачи воздуха в направлении перемещения стружки (не показано), узел вращения трубы (не показан), узел выгрузки продуктов горения (не показан) и узел удаления газов (не показан). Труба 2 установки сжигания имеет две рабочие зоны I и II для осуществления первой и второй стадий процесса сжигания стружки с отдельными источниками нагрева 4, между витками 3 трубы 2 второй ее рабочей зоны II выполнены лопатки 5 высотой, равной высоте витков 3, и расположены на витках 3 через 180 градусов. Труба 2 с внутренними витками 3 и лопатками 5 отлита из жаропрочного сплава.
Устройство работает следующим образом. Включают источники нагрева 4 установки сжигания. При достижении заданных температур в рабочих зонах I и II трубы 2 (фиг.1) установки сжигания включают узел вращения трубы 2. Дробленную стружку толщиной 0,3÷3 мм загружают в узел загрузки установки сжигания. В трубу 2 подают воздух в направлении перемещения стружки. Из узла загрузки стружка за счет вращения трубы 2 поступает в первую ее рабочую зону I, где осуществляется осушка и нагревание при температуре в слое материала 100÷300°С, далее стружка за счет вращения трубы 2 поступает во вторую рабочую зону II трубы 2, где она загорается и горит при температуре 300÷900°С. Протекает процесс активного горения стружки, при этом горящая стружка с помощью лопаток 5 интенсивно перемешивается, происходит разрушение внешнего коркового слоя стружки и обеспечивается доступ воздуха к новым внутренним слоям стружки, что способствует полному сжиганию металлической стружки урана в тлеющем слое продукта и доведению его до требуемой кондиции. Готовый оксидный продукт выгружается через узел выгрузки продуктов горения стружки, а газы удаляются на утилизацию. По окончанию работы устройства отключают источники нагрева 4 и вращения трубы 2 установки сжигания.
Пример 6
Устройство для сжигания металлической стружки урана (фиг.2) состоит из установки сжигания, которая выполнена в виде горизонтальной вращающейся трубчатой электропечи, содержащей корпус 1 с футеровкой, трубу 2 с внутренними витками 3, узел загрузки (не показан), узел вращения трубы (не показан), средство для подачи воздуха (не показано), узел выгрузки продуктов горения (не показан) и узел удаления газов (не показан). Труба 2 установки сжигания имеет три рабочие зоны (I, II и III на фиг.2) для осуществления трех стадий процесса сжигания стружки с отдельными источниками нагрева, между витками 3 трубы 2 второй II и третьей III ее рабочих зон выполнены лопатки 5 высотой, равной высоте витков 3, и расположены на витках 3 через 180 градусов. Труба 2 с внутренними витками 3 и лопатками 5 отлита из жаропрочного сплава.
Устройство работает следующим образом. Включают источники нагрева 4 установки сжигания. При достижении заданных температур в рабочих зонах трубы 2 установки сжигания включают узел вращения трубы 2. Дробленную стружку толщиной 0,3÷3 мм загружают в узел загрузки установки сжигания. В трубу 2 подают воздух в направлении перемещения стружки. Из узла загрузки стружка за счет вращения трубы 2 поступает в первую ее рабочую зону I, где осуществляется осушка и нагревание при температуре в слое материала 100÷300°С, далее стружка за счет вращения трубы 2 поступает во вторую рабочую зону II трубы 2, где она загорается и горит при температуре 300÷900°С. Протекает процесс активного горения стружки, при этом продукт горения с помощью лопаток 5 интенсивно перемешивается, происходит разрушение внешнего коркового слоя стружки и обеспечивается доступ воздуха к новым внутренним слоям стружки. Далее продукт горения за счет вращения трубы 2 поступает в ее третью рабочую зону III, где он дожигается в тлеющем слое при температуре 200-700°С. Это способствует полному сжиганию металлической стружки урана и доведению продукта горения до требуемой кондиции. Готовый оксидный продукт выгружается через узел выгрузки продуктов горения стружки, а газы удаляются на утилизацию. По окончании работы устройства отключают источники нагрева 4 и вращения трубы 2 установки сжигания.
Пример 7
Устройство для сжигания металлической стружки урана (фиг.3) состоит из установки сжигания, выполненной аналогично установке, описанной в примере 5, и дожигателя 6 продуктов горения стружки, последовательно связанного с установкой сжигания в один агрегат, при этом установка сжигания и дожигатель 6 оснащены средствами подачи воздуха (не показаны), а труба 2 установки сжигания содержит узел перегрузки продуктов горения стружки в дожигатель 6 (не показан).
Дожигатель 6 содержит корпус 7, шнек 8 с витками 9 и лопатками 10, узел загрузки (не показан), узел вращения шнека 8 (не показан), узел выгрузки продукта (не показан) и узел удаления газов (не показан). Лопатки 10 шнека 8 выполнены высотой, равной высоте витка, и расположены на витках через 240 градусов.
Устройство работает следующим образом. Включают источники нагрева 4 установки сжигания и дожигателя 6 (не показаны). При достижении заданных температур в рабочих зонах I и II трубы 2 и в дожигателе 6 включают узлы вращения трубы 2 и шнека 8. Дробленную стружку толщиной 0,3÷3 мм загружают в узел загрузки установки сжигания. В трубу 2 подают воздух в направлении перемещения стружки. Из узла загрузки стружка за счет вращения трубы 2 поступает в первую ее рабочую зону I, где осуществляется осушка и нагревание при температуре 100÷300°С, далее стружка с помощью витков 3 поступает во вторую рабочую зону II трубы 2, где она загорается и горит при температуре 300÷900°С. Протекает процесс активного горения стружки, при этом горящая стружка с помощью лопаток 5 интенсивно перемешивается, происходит разрушение внешнего коркового слоя стружки и обеспечивается доступ воздуха к новым внутренним слоям стружки. Из второй рабочей зоны II трубы 2 образующиеся продукты горения стружки поступают в дожигатель 6, в корпус 7. В дожигателе 6 при температуре 200÷700°С данный продукт перемещается витками 9 шнека 8 с заданной скоростью. При этом он интенсивно перемешивается лопатками 10, что способствует полному сжиганию металлической стружки урана в тлеющем слое продукта и доведению его до требуемой кондиции. Готовый оксидный продукт выгружается из дожигателя 6, а газы удаляются на утилизацию. По окончании работы устройства отключают источники нагрева и вращения трубы 2 и шнека 8 дожигателя 6.
В ходе выполнения работ определяли по стандартным методикам химический и фракционный составы оксидных продуктов сжигания, марку тетрафторида урана, полученного после переработки оксидного продукта. Результаты испытаний приведены в таблице.
Анализ приведенных в таблице данных показывает, что заявляемый способ позволяет получать оксидный продукт сжигания металлической стружки урана более высокого качества по химическому и фракционному составам. Так, этот продукт содержит значительно меньше примесей (концентрация активного урана менее 1%) и крупных фракций (масс. доля фракции +0,4 мм менее 5%). Из этого продукта путем штатной переработки получается тетрафторид урана марки А в отличие от тетрафторида марки Б, получаемого из оксидного продукта сжигания, полученного по наиболее близкому способу. Применение третьей стадии сжигания стружки: дожигание продуктов горения в тлеющем слое позволяет достичь еще более высокой производительности процесса сжигания и повысить качество готового продукта по химическому и фракционному составам. Кроме того, заявляемые технические решения отличаются более низкой себестоимостью переработки получаемого оксидного продукта в тетрафторид урана (84,2÷86,3% по заявляемым техническим решениям вместо 100% по наиболее близким аналогам).
Оптимальными параметрами процесса сжигания металлической стружки урана являются следующие (опыты №№2-4, 7-9, 12-14, 17-19, 22-24, 27-29, 32, 33):
- толщина стружки 0,3÷3 мм;
- предварительное дробление стружки;
- постадийное ведение процесса сжигания стружки:
- на первой стадии при температуре 100÷300°С;
- на второй стадии при температуре 300÷900°С в течение 5÷30 мин;
- на третьей стадии при температуре 200÷700°С в течение 20÷60 мин;
- воздух подают в устройство в направлении перемещения стружки.
Уменьшение параметров процесса сжигания металлической стружки урана:
- толщина стружки менее 0,3 мм;
- температура первой стадии менее 100°С;
- температура второй стадии менее 300°С;
- продолжительность второй стадии менее 5 мин;
- температура третьей стадии менее 200°С;
- продолжительность третьей стадии менее 20 мин
приводит к резкому ухудшению качества оксидного продукта сжигания по химическому и фракционному составам, а также к снижению производительности процесса сжигания, потерям стружки при дроблении и мелкодисперсной закиси-окиси с газами.
Увеличение параметров процесса сжигания металлической стружки урана:
- толщина стружки более 3 мм;
- температура первой стадии более 300°С;
- температура второй стадии более 900°С;
- продолжительность второй стадии более 30 мин;
- температура третьей стадии более 700°С;
- продолжительность третьей стадии более 60 мин
приводит к ухудшению качества оксидного продукта сжигания по фракционному составу, а также к повышению себестоимости сжигания металлической стружки урана и к сокращению безремонтного срока эксплуатации оборудования.
Заявляемые способ и устройство для переработки металлической стружки урана опробованы в производственных условиях ОАО ЧМЗ с положительным результатом. Переработана опытная партия металлической стружки урана по заявляемому способу и на заявляемых устройствах. Из полученного оксидного продукта сжигания по штатной технологии получена партия тетрафторида урана, соответствующего требованиям ТУ 95. 1713-2005 марки А, которая отправлена заказчику.