Установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов

 

Изобретение относится к области переработки радиоактивных ионообменных смол путем их термохимической переработки с получением продукта, пригодного для долгосрочного хранения. Технический результат: повышение безопасности работы устройства для окружающей среды, повышение коэффициента сокращения объема термоперерабатываемых радиоактивных ионообменных смол, а также повышение производительности работы устройства за единичный цикл термопереработки радиоактивных ионообменных смол. Сущность изобретения: устройство содержит смеситель, узел загрузки порошкообразных или гранулированных радиоактивных отходов и печь. Печь содержит термохимический реактор, состоящий из корпуса, выполненного из установленных с зазором воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором труб, и решетчатое днище, выполненное откидным и состоящее из не менее чем двухслойного набора пластин. Устройство также содержит кожух, окружающий корпус термохимического реактора, узел выгрузки шлака, воздухозаборный узел, состоящий из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборным трубопроводом со встроенным в него нагревателем, последовательно соединенные узел фильтрации, вытяжную установку и газосбросную трубу. Узел фильтрации соединен с термохимическим реактором, а пластины слоев решетчатого днища термохимического реактора расположены в шахматном порядке. 3 ил.

Заявляемая установка относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых горючих радиоактивных отходов (РАО). Наиболее эффективно заявляемая установка может быть использована при термохимической переработке горючих порошкообразных и измельченных РАО, к которым относятся отработанные порошкообразные или измельченные радиоактивные ионообменные смолы (РИОС), отработанные горючие гранулированные радиоактивные сорбенты (различные виды отработанных радиоактивных гранулированных активированных углей) и т.п.

Известна установка для термической (микроволновой) переработки горючих порошкообразных или гранулированных РАО (1), включающая генераторы микроволнового излучения, волноводы, загрузочное устройство, печь с подом и воздухоподводящим устройством, расположенный на поде слой гранул, поглощающих микроволновое излучение, ножевой смеситель, расположенный в слое гранул, а также узел выгрузки.

Недостатками известного устройства являются: - пониженная надежность работы, обусловленная повышенной вероятностью выхода из строя ножевого смесителя, вследствие воздействия на него (при его вращении) механических нагрузок, создаваемых слоем гранул; - повышенное энергопотребление, обусловленное использованием в качестве средства нагрева генераторов микроволнового излучения; - пониженная производительность, обусловленная периодичностью ее работы в связи с необходимостью периодической замены или регенерации слоя гранул, поглощающих микроволновое излучение.

Известна установка для термической переработки горючих порошкообразных или гранулированных РАО (отработанных РИОС) (2), включающая смеситель для приготовления смеси отработанных РИОС с углем, последовательно соединенный со снабженной электродами сушилкой, снабженным электродами термореактором для терморазложения смеси отработанных РИОС с углем, доокислителем шлака, образующегося в термореакторе, и узлом фильтрации, причем термореактор через циклон также соединен с узлом фильтрации.

Недостатками известной установки являются: - повышенное энергопотребление, обусловленное использованием в качестве средства нагрева электродов и электронагревателя, требующих постоянного подвода электроэнергии извне; - повышенная опасность работы, вследствие возможности короткого замыкания электродов в сушилке и термореакторе; - ненадежность работы, обусловленная невозможностью поддержания в сушилке и термореакторе стабильной рабочей температуры, из-за возможности изменения электропроводности смеси отработанных РИОС с углем, движущейся между электродами вышеуказанных аппаратов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является установка для термохимической переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО (отработанных РИОС) с помощью порошкообразного металлизированного топлива (ПМТ) (3). Известная установка предназначена в первую очередь для термохимической переработки мокрых отработанных РИОС без их предварительного высушивания, однако в ней возможна также и термохимическая переработка сухих горючих порошкообразных или гранулированных РАО (сухих отработанных РИОС, различных видов отработанных радиоактивных измельченных активированных углей и т.п.) с аналогичным результатом.

Известная установка включает: 1) смеситель; 2) снабженную узлом загрузки горючих порошкообразных или измельченных РАО печь, содержащую термохимический реактор, состоящий из корпуса и решетчатого днища, и окружающий корпус термохимического реактора кожух; 3) узел выгрузки шлака;
4) воздухозаборный узел (на чертеже, иллюстрирующем конструкцию наиболее близкого аналога воздухозаборный узел не изображен, однако для обеспечения подачи воздуха внутрь кожуха обязательно наличие, как минимум, воздухозаборного патрубка, являющегося простейшим воздухозаборным узлом);
5) а также последовательно соединенные узел фильтрации, состоящий из фильтров грубой и тонкой очистки, вытяжную вентустановку и газосбросную трубу;
6) причем смеситель соединен с узлом загрузки горючих порошкообразных или измельченных РАО, а узел выгрузки шлака, воздухозаборный узел и узел фильтрации соединены с кожухом.

Известная установка работает следующим образом. На решетчатое днище термохимического реактора через смеситель и узел загрузки загружают порцию зажигательного материала из чистого ПМТ. Затем в смесителе готовят смесь из горючих порошкообразных или измельченных РАО и ПМТ, полученную смесь через узел загрузки загружают в термохимический реактор поверх зажигательного материала, включают вентустановку и воспламеняют зажигательный материал, что инициирует окислительно-восстановительную экзотермическую реакцию, в процессе которой происходит термохимическая переработка горючих порошкообразных или измельченных РАО. Воздух, поступающий при этом внутрь кожуха через воздухозаборный узел, участвует как окислитель в термохимическом процессе, одновременно охлаждая элементы конструкции известного устройства. Образующиеся газообразные продукты из кожуха с помощью вытяжной вентустановки прокачиваются через узел фильтрации и, уже очищенные, сбрасываются в атмосферу через газосбросную трубу, а твердые продукты термохимической переработки РАО (шлак) удаляются через решетчатое днище термохимического реактора и узел выгрузки. После этого термохимический реактор перезагружают и приступают к переработке следующей порции горючих порошкообразных или измельченных РАО.

Недостатками известной установки являются:
- пониженная производительность, обусловленная повышенными временными интервалами между термохимическими переработками порций горючих порошкообразных или измельченных РАО;
- повышенная опасность работы для окружающей среды, из-за возможности разрушения кожуха под действием скачкообразного возрастания давления в нем или образования взрывоопасных концентраций смеси кислорода с водородом, вследствие отсутствия в составе установки предотвращающих эти явления узлов;
- пониженный срок эксплуатации, обусловленный повышенной коррозией корпуса термохимического реактора из-за высокой температуры и пониженной величины его охлаждаемой поверхности;
- пониженная надежность работы, вследствие отсутствия в составе известной установки узлов, обеспечивающих регулирование процесса термохимической переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО в термохимическом реакторе;
- пониженный коэффициент сокращения объема перерабатываемых горючих порошкообразных и измельченных РАО.

Преимуществами заявляемой установки являются повышение ее производительности, безопасности, надежности, срока эксплуатации и коэффициента сокращения объема перерабатываемых горючих порошкообразных и измельченных РАО.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных РАО включает:
- смеситель;
- узел загрузки зажигательного материала, выполненный из телескопически установленных с зазором друг между другом труб ;
- зажигательное устройство;
- снабженную узлом загрузки горючих порошкообразных или измельченных РАО печь, содержащую термохимический реактор, состоящий из крышки, имеющей сдувочное отверстие с задвижкой, корпуса, выполненного из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб и решетчатого днища, выполненного откидным и состоящего из не менее чем двухслойного набора пластин, и окружающий корпус термохимического реактора кожух;
- узел выгрузки шлака;
- воздухозаборный узел, состоящий из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборным трубопроводом со встроенным в него нагревателем;
- узел загрузки горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов соединен с термохимическим реактором ;
- а также последовательно соединенные узел фильтрации, состоящий из фильтров грубой и тонкой очистки, вытяжная вентустановка и газосбросная труба;
- причем смеситель соединен с узлом загрузки горючих порошкообразных или измельченных РАО, узел загрузки зажигательного материала подвижно установлен на крышке термохимического реактора и проходит в его полость, зажигательное устройство встроено в корпус термохимического реактора, узел выгрузки соединен с кожухом, циклонный смеситель соединен с узлом выгрузки шлака, узел фильтрации соединен с термохимическим реактором, пластины слоев решетчатого днища термохимического реактора расположены в шахматном порядке, а угол α, образованный горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин на 15-20^o меньше угла естественного откоса перерабатываемых горючих порошкообразных или измельченных РАО.

Отличительными признаками заявляемой установки является то, что:
- установка дополнительно содержит узел загрузки зажигательного материала, выполненный из телескопически соединенных с зазором друг между другом труб и зажигательное устройство;
- термохимический реактор дополнительно содержит крышку, имеющую сдувочное отверстие с регулируемой задвижкой;
- корпус термохимического реактора выполнен из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб;
- решетчатое днище термохимического реактора выполнено откидным и состоит из не менее чем двухслойного набора пластин;
- воздухозаборный узел состоит из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборным трубопроводом со встроенным в него нагревателем;
- узел загрузки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов соединен с термохимическим реактором;
- узел загрузки зажигательного материала расположен на крышке термохимического реактора и проходит в его полость, зажигательное устройство встроено в корпус термохимического реактора, циклонный смеситель соединен с узлом выгрузки шлака, узел фильтрации соединен с термохимическим реактором, пластины слоев решетчатого днища термохимического реактора расположены в шахматном порядке, а угол α, образованный горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин на 15-20^o меньше угла β - естественного откоса перерабатываемых горючих порошкообразных или измельченных РАО.

Заявляемая установка иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 схематично представлена установка в целом.

На фиг. 2 представлено взаимное расположение пластин решетчатого днища термохимического реактора.

На фиг. 3 представлен термохимический реактор с корпусом, выполненным из телескопически установленных с зазором друг между другом труб.

Заявляемая установка содержит корпус 1 термохимического реактора, решетчатое днище 2 термохимического реактора, кожух 3, крышку 4 термохимического реактора, задвижку 5 загрузочного отверстия термохимического реактора, узел загрузки 6 горючих порошкообразных или измельченных РАО, смеситель 7, задвижку 8 загрузочного люка смесителя, задвижку 9 выгрузочного люка смесителя, узел выгрузки 10 шлака, задвижку 11 узла выгрузки шлака, воздухозаборный трубопровод 12, нагреватель 13, циклонный смеситель 14, газоподводной патрубок 15, узел фильтрации 16, вытяжную вентустановку 17, газосбросную трубу 18, зажигательное устройство 19, узел загрузки 20 зажигательного материала, задвижку 21 узла загрузки зажигательного материала, задвижку 22 сдувочного отверстия термохимического реактора, слой 23 порошкообразного зажигательного материала, смесь 24 горючих порошкообразных или измельченных РАО с порошкообразным металлизированным топливом (ПТМ).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В смеситель 7 через его загрузочный люк при открытой задвижке 8 загрузочного люка смесителя в необходимой пропорции загружают горючие порошкообразные или измельченные РАО и ПМТ, после чего осуществляют их перемешивание. Одновременно с этим включают вытяжную вентустановку 17 и нагреватель 13. Воздух, проходя через воздухозаборный трубопровод 12 со встроенным в него нагревателем 13, уже в нагретом состоянии проходит через циклонный смеситель 14 в узел выгрузки 10 шлака, откуда через зазоры в решетчатом днище 2 термохимического реактора и корпусе 1 термохимического реактора поступает внутрь термохимического реактора. Из термохимического реактора нагретый воздух поступает в узел фильтрации 16, вытяжную вентустановку 17 и через газосбросную трубу 18 выходит в атмосферу. В результате этого происходит прогрев всех вышеуказанных узлов установки, что делает более надежной работу узла фильтрации 16 за счет уменьшения степени конденсатообразования, а также снижения степени коррозии элементов металлоконструкций. После прогрева вытяжную вентустановку 17 выключают и через узел загрузки 20 зажигательного материала при открытой задвижке 21 узла загрузки зажигательного материала на решетчатое днище 2 термохимического реактора насыпают слой чистого ПМТ (слой 23 порошкообразного зажигательного материала). Затем открывают задвижку 5 загрузочного отверстия термохимического реактора и задвижку 9 выгрузочного люка смесителя и с помощью узла загрузки 6 горючих порошкообразных или измельченных РАО из смесителя 7 в термохимический реактор на слой 23 порошкообразного зажигательного материала насыпают приготовленную смесь 24 горючих порошкообразных или измельченных РАО с ПМТ. Благодаря вышеуказанному расположению пластин слоев решетчатого днища 2 термохимического реактора, порошкообразный зажигательный материал и смесь горючих порошкообразных или измельченных РАО с ПМТ будут удерживаться на его поверхности, причем в случае, если угол α будет меньше, чем β-20°, то значительно увеличится гидравлическое сопротивление решетчатого днища 2 термохимического реактора и проход воздуха через перерабатываемую смесь будет затруднен, а в случае, если угол α будет больше, чем β-15°, то порошкообразный зажигательный материал и смесь горючих порошкообразных или измельченных РАО с ПМТ будет просыпаться через щели решетчатого днища 2 термохимического реактора. После загрузки задвижку 5 загрузочного отверстия термохимического реактора и задвижку 9 выгрузочного люка смесителя закрывают и вновь включают вытяжную вентустановку 17 и нагреватель 13, а в смесителе 7 начинают готовить следующую порцию смеси горючих порошкообразных или измельченных РАО с ПМТ. Горячий воздух, проходя через вышеуказанную смесь, нагревает ее, что обеспечивает ее лучшее воспламенение. Затем включают зажигательное устройство 19 и зажигают слой 23 ПМТ, от которого в свою очередь воспламеняется смесь 24 горючих порошкообразных или измельченных РАО с ПМТ. После начала термохимического процесса переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО нагреватель 13 отключают, что делает возможным использование прокачиваемого с помощью вытяжной вентустановки 17 воздуха в качестве хладоагента, охлаждающего узел выгрузки 10 шлака, а также корпус 1 термохимического реактора и решетчатое днище 2 термохимического реактора. Так как корпус 1 термохимического реактора выполнен из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб, а решетчатое днище 2 термохимического реактора состоит из не менее чем двухслойного набора пластин, то суммарная площадь охлаждаемой поверхности термохимического реактора (при одинаковых габаритных размерах) превосходит аналогичную площадь термохимического реактора наиболее близкого аналога, что повышает надежность его работы и увеличивает срок его эксплуатации за счет снижения степени высокотемпературной коррозии. Одновременно, наряду с присутствующим в составе ПМТ окислителем (нитратом щелочного металла), поступающий в термохимический реактор вместе с воздухом кислород также участвует в термохимической переработке горючих порошкообразных или измельченных РАО в качестве окисляющего агента, что повышает, с одной стороны, производительность установки (благодаря возрастанию скорости термохимической переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО), а с другой - коэффициент сокращения их объема.

Одновременно с включением вытяжной вентустановки 17 через газоподводной патрубок 15 в циклонный смеситель 14 подают кислород или инертный газ, который смешивается в нем с поступающим туда воздухом, благодаря чему становится возможным регулировка количества кислорода, поступающего в термохимический реактор, что обеспечивает повышение надежности работы и срока эксплуатации заявляемой установки за счет возможности регулирования процесса термохимической переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО. Кроме того, введение инертного газа через вышеуказанный патрубок позволяет предотвратить повышение концентраций кислорода и водорода, (выделяющихся в процессе термохимической переработки горючих порошкообразных или измельченных РАО) внутри термохимического реактора до их взрывоопасных уровней. Кроме того, предотвращение возникновения взрывоопасной ситуации обеспечивается также путем частичного или полного (в зависимости от условий проведения процесса) открытия задвижки 22 сдувочного отверстия, в результате чего становится возможным быстрое разбавление засасываемым из атмосферы через сдувочное отверстие воздухом взрывоопасной смеси газов в термохимическом реакторе и их последующее удаление через узел фильтрации 16, вытяжную вентустановку 17 и газосбросную трубу 18.

После завершения процесса термохимической переработки первой порции горючих порошкообразных или измельченных РАО откидывают решетчатое днище 2 термохимического реактора и через узел выгрузки 10 шлака при открытой задвижке 11 узла выгрузки шлака осуществляют его удаление из установки. Затем решетчатое днище 2 термохимического реактора возвращают в исходное положение и в вышеуказанной последовательности осуществляют термохимическую переработку следующей порции горючих порошкообразных или измельченных РАО.

Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков позволяет:
- увеличить производительность не менее чем на 20%, за счет параллельного проведения таких операций, как прогрев газодинамического тракта установки и загрузки в реактор зажигательного материала и операции по подготовке в смесителе смеси ПМТ с порошкообразными или изсмельченными РАО, что невозможно осуществить в прототипе, а также за счет увеличения скорости термохимического процесса, благодаря кислороду, который вместе с воздухом попадает в термохимический реактор и является дополнительной, помимо имеющейся в составе порошкообразного металлизированного топлива, порцией окислителя;
- повысить до максимума безопасность работ на установке, т.к. имеющаяся возможность изменять в реакторе концентрации водорода и кислорода, их количественные соотношения за счет разбавления воздуха, проходящего через термохимический реактор, инертным газом, поступающим через циклонный смеситель, и за счет разбавления воздухом, поступающим в реактор через регулируемое сдувочное отверстие в крышке, газообразной составляющей продуктов термохимического процесса, сводит к минимуму возникновение взрывоопасной ситуации и какое-либо значимое повышение давления в реакторе;
- увеличить срок эксплуатации и повысить надежность установки за счет того, что площади охлаждаемых поверхностей термохимического реактора заявляемой установки значительно большие, чем у аналогов, качество и интенсивность охлаждения выше, а, стало быть, долговечность и надежность работы реактора выше, что предварительные нагрев и просушка газодинамического тракта установки предотвращает конденсатообразование и делает более надежной работу узла фильтрации, снижает степень и скорость коррозии элементов металлоконструкции и, хотя численные значения улучшений названых параметров указать не представляется возможным, они (улучшения) очевидны;
- повысить коэффициент сокращения объема перерабатываемых порошкообразних и измельченных РАО на 10-15% за счет уменьшения на 40-50% количества ПМТ, что обеспечивается предварительным нагревом газодинамического тракта установки и перерабатываемой смеси, а также за счет улучшения качества термохимического процесса, которое достигается наличием возможности его регулировки путем изменения количества и состава воздушно-газовой смеси, поступающей в термохимический реактор через водухозаборное устройство и циклонный смеситель.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США 4718358, МКИ⁴ F 23 G 5/00, НКИ 110/250, oп. 12.01.88.

2. Заявка Японии 5088440 В4, МКИ G 21 F 9/30, oп. 22.12.93.

3. М.И. Ожован, Г.А. Петров, К.Н. Семенов Разработка технологии и опытной стендовой установки сжигания мокрых ионообменных смол в композиции с порошком металлизированного топлива, Охрана окружающей среды и обращение с радиоактивными отходами научно-промышленных центров. Итоги научной деятельности Мос. НПО "Радон" за 1997 год, М.: РАДОН-ПРЕСС, 1998, с. 19-20.

4. Патент РФ 2114471 С1, МКИ⁶ G 21 F 9/32, оп. 27.06.98, бюл. 18.

Формула изобретения

Установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов, содержащая смеситель, узел загрузки порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов, печь, содержащую термохимической реактор, состоящий из корпуса и решетчатого днища, и окружающий корпус термохимического реактора кожух, узел выгрузки шлака, воздухозаборный узел, а также последовательно соединенные между собой узел фильтрации, состоящий из фильтров грубой и тонкой очистки, вытяжную вентустановку и газосбросную трубу, причем смеситель соединен с узлом загрузки горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов, а узел выгрузки шлака соединен с кожухом печи, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит узел загрузки зажигательного материала, выполненный из телескопически соединенных с зазором друг между другом труб, и зажигательное устройство, термохимический реактор дополнительно содержит крышку, имеющую сдувочное отверстие с регулируемой задвижкой, а корпус термохимического реактора выполнен из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб, решетчатое днище термохимического реактора выполнено откидным и состоит из не менее чем двухслойного набора пластин, воздухозаборный узел состоит из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборным трубопроводом, со встроенным в него нагревателем, узел загрузки горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов соединен с термохимическим реактором, узел загрузки зажигательного материала расположен внутри термохимического реактора, зажигательное устройство встроено в корпус термохимического реактора, циклонный смеситель соединен с узлом выгрузки шлака, пластины слоев решетчатого днища термохимического реактора расположены в шахматном порядке, а угол α, образованный горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин, на 15-20^o меньше угла естественного откоса перерабатываемых горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3