ПЛАВИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области переработки радиоактивных отходов и может быть использована для переработки твердых отходов деятельности ядерных электростанций, горнохимических комбинатов, утилизации материалов отработавших ядерных установок.
Твердые радиоактивные отходы могут быть металлическими (металлические радиоактивные отходы) и неметаллическими. Переработка металлических радиоактивных отходов производится с целью их дезактивации и возвращения дезактивированного металла в хозяйственный оборот.
Неметаллические радиоактивные отходы перерабатывают с целью увеличения их плотности и, соответственно, уменьшения их объема для уменьшения затрат на их хранение.
Известны небольшие сталеплавильные агрегаты для переплава твердых неметаллических отходов, использующие электрическую энергию для нагрева и плавления отходов: индукционные тигельные печи, дуговые печи, установки электрошлакового переплава, индукционные печи с холодным тиглем [1].
Все эти агрегаты имеют общие недостатки, ограничивающие их применение для переработки твердых радиоактивных отходов, особенно неметаллических:
- низкая производительность и повышенный расход энергии на плавление отходов;
- значительный улет радионуклидов из-за высокой температуры процесса, трудность герметизации этих агрегатов и невозможность исключения выброса радионуклидов в помещение и дополнительного облучения персонала цеха;
- трудоемкость и облучение персонала;
- образование вторичных радиоактивных отходов в результате износа футеровки плавильных агрегатов;
- невозможность быстрого перехода от переработки неметаллических радиоактивных отходов к процессу дезактивации металлических радиоактивных отходов из-за загрязнения огнеупорной футеровки металлической ванны плавильного агрегата радионуклидами из получаемого шлака.
Известны плазменные плавильные агрегаты шахтного типа для переработки твердых радиоактивных отходов [2-4]. Такие агрегаты имеют те же недостатки, что и упомянутые выше плавильные агрегаты. Кроме того, им присущи собственные специфические недостатки:
- необходимость использования сложного многостадийного процесса переработки отходов в различных зонах шахтной плазменной печи;
- трудность регулирования и точного поддерживания температуры в различных зонах шахтного агрегата;
- использование высокотемпературного плазменного нагрева при переработке твердых радиоактивных отходов вызывает повышенный улет радионуклидов и быстрый износ огнеупорной футеровки шахтного плавильного агрегата;
- для транспортировки и выгрузки шлакового расплава и окончательных продуктов переработки твердых радиоактивных отходов предлагается динамическое воздействие на них плазменной струи, что вряд ли осуществимо на практике.
Известен агрегат для переработки металлических радиоактивных отходов, содержащий плавильную камеру с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем кожухом, контур охлаждения жидкометаллического теплоносителя, системы загрузки металлических отходов и флюсов, улавливания и очистки отходящих газов, раздельного выпуска металла и шлака, выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога (патент RU 2345141 [5]).
В известном агрегате плавильная камера снабжена установленными в торцевой и боковых стенках на высоте 0,8-1,4 м от уровня расплава под углом 35-55° к поверхности расплава топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, тепловая мощность которых составляет 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% к расчетному, над отверстием в центральной части верхней поверхности кожуха установлен герметичный шахтный подогреватель для подогрева металлических отходов отходящими газами перед загрузкой в плавильную камеру до 700-800°C с удерживающими и дозирующими отходы устройствами и фурмами для дожигания CO отходящих газов, плавильная камера снабжена леткой для непрерывного выпуска металла, расположенной на высоте 100-200 мм от уровня огнеупорного пода, оборудованной обогреваемым сифонным желобом, причем сливной носок желоба расположен на 200-300 мм ниже поверхности раздела шлак-металл, противоположной стороне плавильная камера снабжена леткой для периодического выпуска шлака с желобом, расположенной на 50-100 мм выше границы раздела шлак-металл и оборудованной запорным устройством, и на этой же стороне плавильной камеры в боковой стенке установлены инжекторы на высоте 50-100 мм от поверхности шлака под углом 45° к поверхности шлака для вдувания в шлак уловленной в системе очистки газов пыли.
Кроме того, плавильная камера оборудована устройством для замера уровня расплавленного металла, обеспечивающим возможность периодического выпуска металла большими порциями.
Известный агрегат имеет следующие недостатки:
- недостаточная герметизация, вследствие этого неорганизованные выбросы газов, содержащих радионуклиды;
- значительные капитальные затраты, повышенный расход топлива и кислорода;
- нерациональное расположение горелок относительно продольной оси плавильной камеры;
- невозможность полного выпуска металла в случае аварийной ситуации;
- нерациональное месторасположение леток для слива металла и шлака в стенах плавильной камеры;
- сифонный сливной желоб не дает возможность качественно обслужить летку для выпуска металла;
- не обеспеченность непрерывности в работе агрегата при переходах от переработки металлических радиоактивных отходов к переработке неметаллических радиоактивных отходов и обратно;
- нерешенность вопроса выбора соотношения размерных характеристик плавильной камеры, что не позволяет конструировать плавильные агрегаты различной производительности.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение недостатков ближайшего аналога, а именно:
- повышение производительности плавильного агрегата и уменьшение расхода теплоносителя;
- уменьшение испарения летучих радионуклидов и значительное уменьшение облучения персонала при переработке твердых радиоактивных отходов.
Технический результат достигается тем, что в плавильном агрегате для переработки твердых радиоактивных отходов, содержащем плавильную камеру, шахтный подогреватель перерабатываемых отходов, систему охлаждения корпуса плавильной камеры, систему загрузки твердых радиоактивных отходов и необходимых флюсов, устройства для раздельного выпуска металла и шлака, согласно полезной модели, система загрузки отходов в плавильную камеру и плавильная камера герметизированы, для нагрева и расплавления отходов использованы топливокислородные горелки, суммарная тепловая мощность которых составляет 1,0-1,4 МВт на тонну проплавляемых в один час отходов, горелки установлены на 300-500 мм выше максимального уровня шлакового расплава в боковых стенах плавильной камеры под углом 30-50° к продольной оси камеры и наклонены к поверхности расплава под углом 30-35°, летка для выпуска металла расположена в торцевой стене плавильной камеры на высоте 10-40 мм от уровня огнеупорного пода плавильной камеры, сливной желоб для выпуска металла выполнен разъемным из двух частей, при этом часть, примыкающая к летке, расположена стационарно горизонтально, а вторая часть установлена встык с первой и с возможностью перемещения в сторону по горизонтали, для слива шлака плавильная камера имеет две шлаковые летки, снабженные сливными желобами, расположенные в боковой стенке корпуса плавильной камеры на максимально возможном удалении от летки для выпуска металла, одна на высоте 30-50 мм, вторая на высоте 150-200 мм от верхнего уровня металлической ванны, глубина металлической ванны составляет 20-25% общей высоты рабочего пространства плавильной камеры, отношение высоты рабочего пространства к длине рабочего пространства плавильной камеры равно 0,6-0,9.
Плавильная камера снабжена герметизированным устройством для отбора проб металла и шлака в процессе переработки твердых радиоактивных отходов.
Плавильная камера снабжена устройством для определения толщины огнеупорного пода в процессе непрерывной переработки твердых радиоактивных отходов.
Первичное охлаждение корпуса плавильной камеры производится жидкометаллическим теплоносителем, вторичное охлаждение воздухом или азотом.
Герметизация системы загрузки отходов в плавильную камеру и самой плавильной камеры нужны для того, чтобы исключить неорганизованные выбросы газов, содержащих радионуклиды, в рабочее пространство производственного помещения и уменьшить облучение персонала.
Суммарная тепловая мощность топливокислородных горелок агрегата 1,0-1,4 МВт на тонну проплавляемых в один час отходов обеспечивает необходимую скорость плавления отходов, позволяет уменьшить расход топлива и кислорода, снизить эксплуатационные и капитальные затраты. При суммарной тепловой мощности топливокислородных горелок менее 1,0 МВт на тонну проплавляемых в один час отходов скорость плавления отходов мала, уменьшается производительность плавильного агрегата. При суммарной тепловой мощности горелок более 1,4 МВт на тонну проплавляемых в один час отходов неоправданно увеличивается расход топлива и кислорода, возрастают эксплуатационные расходы.
Установка топливокислородных горелок в стенах плавильной камеры на 300-500 мм выше максимального уровня шлакового расплава под углом 30-50° к продольной оси камеры и под углом 30-35° к поверхности расплава обеспечивает высокую скорость нагрева и плавления шихты и хорошее перемешивание расплава, что необходимо для эффективной переработки твердых радиоактивных отходов. Установка горелок на высоте меньше 300 мм от максимального уровня шлакового расплава нерациональна так как горелки могут быть повреждены в результате случайного вспенивания расплава. Расположение горелок на высоте более чем 500 мм от максимального уровня шлакового расплава ухудшает условия передачи тепла от факела к расплаву и перемешивание расплава. Кроме того, расположение горелок на такой высоте затруднено в случае конструирования плавильного агрегата небольшой производительности и, соответственно, небольших размеров.
Установка топливокислородных горелок в боковых стенах плавильной камеры под углом 30-50° к продольной оси камеры и под углом 30-35° к поверхности расплава обеспечивает более полное покрытие поверхности расплава факелами горелок, увеличивает скорость нагрева и плавления отходов и увеличивает производительность плавильного агрегата. Наклон горелок под углом 30° к продольной оси камеры рекомендован для плавильных агрегатов малой производительности небольших размеров с малым количеством горелок (2-3 штуки). Наклон под углом 50° к продольной оси камеры рекомендуется для плавильных агрегатов большой производительности с большим количеством горелок (5-6 штук). Наклон горелок под углом 30° к поверхности расплава удобен для плавильных агрегатов большой производительности, наклон горелок под углом 35° к поверхности расплава рекомендуется для плавильных агрегатов небольшой производительности.
Расположение летки для выпуска металла в торцевой стене плавильной камеры на высоте 10-40 мм от уровня огнеупорного пода плавильной камеры позволяет слить практически весь расплав из камеры при возникновении аварийной ситуации, а также легко отделить участок разливки чистого дезактивированного металла, от участка разливки шлака, загрязненного радионуклидами. Расположенные летки для выпуска металла на высоте 10 мм от уровня огнеупорного пода предлагается для крупных плавильных агрегатов большой производительности, расположение этой летки на высоте 40 мм от уровня огнеупорного пода предлагается для малых плавильных агрегатов небольшой производительности.
Разъемный сливной желоб для выпуска металла, выполненный из двух частей, позволяет легко обслуживать летку для выпуска металла, отодвинув в сторону съемную часть длинного разъемного желоба.
Наличие двух шлаковых леток, снабженных сливными желобами, расположенных в боковой стенке плавильной камеры на максимальном удалении от летки для выпуска металла, одна на высоте 30-50 мм, вторая на высоте 150-200 мм от уровня металлической ванны, позволяет облегчить слив загрязненного радионуклидами шлака при работе на разного вида отходах. При дезактивации металлических радиоактивных отходов количество расплавленного шлака в плавильной камере невелико и периодический слив избыточного количества шлака производится через низко расположенную летку. При сплавлении неметаллических радиоактивных отходов в плавильной камере постоянно должно находиться достаточно большое количество шлака, чтобы ускорить плавление загружаемых в камеру неметаллических отходов. В таком случае слив избыточного количества шлака производится через выше расположенную летку, и в камере остается необходимое количество жидкого шлака.
При глубине металлической ванны, составляющей 20-25% общей высоты рабочего пространства плавильной камеры, обеспечиваются наилучшие условия для быстрого плавления загружаемых твердых радиоактивных отходов и наибольшая производительность плавильного агрегата. Глубина металлической ванны 20% от общей высоты рабочего пространства удобна для агрегатов больших размеров, глубина 25% от общей высоты рабочего пространства относится к плавильным агрегатам малой производительности и небольших размеров.
При отношении высоты рабочего пространства плавильной камеры к длине рабочего пространства равном 0,6-0,9 обеспечиваются оптимальные условия для размещения топливокислородных горелок в стенах плавильной камеры, большая скорость плавления отходов и высокая производительность плавильного агрегата. Для небольших агрегатов малой производительности это отношение должно быть равно 0,6, для больших плавильных агрегатов должно быть 0,9.
Первичное охлаждение корпуса плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем и вторичное охлаждение воздухом или азотом обеспечивают гарантированную возможность образования шлакового гарнисажа на стенах корпуса камеры в шлаковой зоне и в свободном пространстве плавильной камеры. Вследствие этого отпадает необходимость сооружения огнеупорной футеровки в зонах образования гарнисажа, уменьшается количество вторичных твердых радиоактивных отходов, образующихся при работе плавильного агрегата, отпадает необходимость в частых ремонтах футеровки плавильной камеры и обеспечивается длительная непрерывная работа плавильной камеры. Герметичное устройство для отбора проб металла и шлака в процессе переработки твердых радиоактивных отходов обеспечивает возможность регулирования состава и свойств получаемых продуктов переплава путем корректировки состава загружаемой шихты и обеспечивать оптимальный ход процесса.
Наличие устройства для определения толщины огнеупорного пода плавильной камеры в процессе непрерывной переработки твердых радиоактивных отходов обеспечивает безопасную непрерывную работу плавильного агрегата и позволяет предотвратить аварийные ситуации, вызванные неконтролируемым разрушением футеровки пода. Сущность заявленного технического решения поясняется прилагаемыми рисунками.
На фиг.1 приведен вертикальный разрез предлагаемого плавильного агрегата для переработки твердых радиоактивных отходов.
На фиг.2 приведен разрез А-А предлагаемого плавильного агрегата для переработки твердых радиоактивных отходов.
На фиг.3 приведен разрез Б-Б предлагаемого плавильного агрегата для переработки твердых радиоактивных отходов.
Плавильный агрегат содержит подогреватель шихты 1, плавильную камеру 2 с необходимыми технологическими устройствами и герметизированное устройство загрузки нагретых отходов с толкателем 15. Плавильная камера имеет полый корпус 3, внутри которого находится жидкометаллический теплоноситель для первичного охлаждения камеры. Корпус плавильной камеры помещен внутри металлического кожуха системы вторичного охлаждения камеры. В стенах камеры в специальных патрубках размещены топливокислородные горелки 5, отверстия патрубков уплотнены охлаждаемыми уплотнительными втулками. Горелки установлены на 300-500 мм выше максимального уровня шлакового расплава под углом 30-50° к продольной оси камеры и наклонены к поверхности расплава под углом 30-35°. Суммарная мощность горелок составляет 1,0-1,4 МВт на тонну проплавляемых в один час отходов. В торцевой стене плавильной камеры на высоте 10-40 мм от уровня огнеупорного пода плавильной камеры 13 расположена летка для выпуска металла 6, к которой примыкает сливной составной желоб, состоящий из стационарной части 7 и передвижной части 8, которая для удобства обслуживания металлической летки может отодвигаться в сторону по горизонтали. Для слива шлака плавильная камера имеет две шлаковые летки 9 и 10, снабженные сливными желобами 17 и 18. Шлаковые летки расположены в боковой стенке камеры, одна 9 на высоте 150-200 мм от верхнего уровня металлической ванны, вторая 10 на высоте 30-50 мм от верхнего уровня металлической ванны. Глубина металлической ванны составляет 20-25% общей высоты рабочего пространства плавильной камеры. Плавильная камера снабжена герметизированным устройством для отбора проб металла и шлака в процессе переработки твердых радиоактивных отходов 14, позволяющим контролировать и регулировать ход процесса.
Плавильная камера также снабжена устройством для определения толщины огнеупорного пода (условно не показано на рис.) в процессе непрерывной переработки твердых радиоактивных отходов, обеспечивающим непрерывную безопасную эксплуатацию плавильного агрегата.
Литература
1. М.А.Скачек. Обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС. М. Издательский дом МЭИ. 2007 - 448 с.
2. Патент RU 2123214. Способ переработки твердых радиоактивных отходов. Авторы: Соболев И.А., Дмитриев С.А., Князев И.А., Лифанов Ф.А. Патентообладатель: Московское государственное предприятие Объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды.
3. Патент RU 2140109. Способ и устройство для переработки твердых радиоактивных отходов. Авторы: Дмитриев С.А., Князев И.А., Лифанов Ф.А., Полканов М.А. Патентообладатель: Московское государственное предприятие - Объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды. (Мос. НПО «Радон»).
4. Патент RU 2157570. Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов. Авторы: Лифанов Ф.А., Князев И.А., Полканов М.А., Швецов С.Ю. Патентообладатель: Московское государственное предприятие - Объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды.
5. Патент RU 2345141. Способ переработки металлических радиоактивных отходов и агрегат для его осуществления. Авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью Промышленная компания «Технология металлов».