установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов

Формула изобретения

Установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов, содержащая печь, представляющую собой термохимический реактор, состоящий из заключенного в кожух корпуса, выполненного из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб, крышки, имеющей сдувочное отверстие с задвижкой в нем, и откидного решетчатого днища, состоящего из не менее чем двухслойного набора пластин, расположенных в шахматном порядке таким образом, что угол , образованный горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин, на 15-20 меньше угла естественного откоса перерабатываемых горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов в смеси с порошкообразным металлизированным топливом и другими добавками, смеситель с загрузочным люком, в котором установлена задвижка, и выгрузочным люком, узел загрузки зажигательного материала, выполненный из телескопически установленных с зазором друг между другом труб, встроенный в крышку термохимического реактора и находящийся в его полости, зажигательное устройство, узел загрузки перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, состоящий из цилиндра, подсоединенного к выгрузочному люку смесителя своим боковым отверстием и, установленного в нем, механизма для перемещения вышеуказанной смеси, узел фильтрации, связанный с термохимическим реактором, и последовательно подсоединенные к узлу фильтрации вытяжную вентустановку и газосбросную трубу, узел выгрузки шлака с выгрузочным окном и боковым отверстием в корпусе, связанный с кожухом термохимического реактора, и воздухозаборный узел, подсоединенный к боковому отверстию на корпусе узла выгрузки шлака и состоящий из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборного трубопровода со встроенным в него нагревателем, отличающаяся тем, что она содержит съемную емкость с задвижкой, предназначенную для компонентов перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, установленную на загрузочный люк смесителя, шнековый механизм выгрузки с выгрузочным люком и приводной задвижкой в нем, подсоединенный к выгрузочному окну узла выгрузки шлака, съемную емкость для шлака с задвижкой, подсоединенную к выгрузочному люку шнекового механизма выгрузки шлака, трубопровод, связывающий верхнюю часть полости смесителя с каналом, соединяющим термохимический реактор и узел фильтрации, термохимический реактор содержит вспомогательную камеру, расположенную сбоку основной камеры, вне зоны откидного решетчатого днища, цилиндр узла загрузки перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, своим торцовым отверстием подсоединен к боковому отверстию, имеющемуся на вспомогательной камере термохимического реактора, а механизм для перемещения вышеуказанной смеси представляет собой поршень, связанный с винтовым приводом и выполняющий, одновременно, функцию задвижки выгрузочного люка смесителя, зажигательное устройство встроено в корпус узла выгрузки шлака с возможностью перемещения и расположено под решетчатым днищем термохимического реактора, задвижка загрузочного люка смесителя выполнена приводной и содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для компонентов перерабатываемой смеси, а приводная задвижка выгрузочного люка механизма выгрузки шлака также содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для шлака.

Описание изобретения к патенту

Заявляемая установка относится к области охраны окружающей среды, а точнее к оборудованию для 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 известной установки являются:

- пониженная надежность работы из-за частого 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 необходимостью периодической замены или регенерации слоя гранул, поглощающих микроволновое излучение.

Известна установка для термической переработки горючих порошкообразных или гранулированных РАО (2), включающая смеситель для приготовления смеси отработанных РАО с углем, последовательно соединенный со снабженной электродами сушилкой, снабженный электродами термореактор для терморазложения смеси отработанных РАО с углем, доокислитель шлака, образующегося в термореакторе и узел фильтрации, причем термореактор через циклон 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;

- недостаточная ненадежность работы из-за невозможности поддержания в сушилке и термореакторе стабильной рабочей температуры и из-за постоянного изменения электропроводности перерабатываемой смеси, движущейся между электродами вышеуказанных аппаратов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является “Установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов” (3).

Известная установка включает:

печь, представляющую собой термохимический реактор, состоящий из заключенного в кожух корпуса со встроенным зажигательным устройством, откидного решетчатого днища, крышки с регулируемым задвижкой сдувочным отверстием и узлом для загрузки зажигательного материала, находящимся внутри корпуса реактора;

смеситель с загрузочным и выгрузочным люками, предназначенный для подготовки перерабатываемой смеси, состоящей из порошкообразных или измельченных РАО, порошкообразного металлизированного топлива (ПМТ) и других добавок;

узел загрузки перерабатываемой смеси, связывающий реактор с выгрузочным люком смесителя и состоящий из цилиндра и установленного в нем механизма для перемещения перерабатываемой смеси из смесителя в печь;

узел выгрузки шлака, подсоединенный к кожуху термохимического реактора;

воздухозаборный узел, подсоединенный к корпусу узла выгрузки шлака и включающий в себя циклонный смеситель с газоподводным патрубком и воздухозаборный трубопровод со встроенным нагревателем;

узел фильтрации, связанный с реактором, а также последовательно подсоединенные к узлу фильтрации вытяжную вентустановку и газосбросную трубу, при этом корпус термохимического реактора выполнен из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб, откидное решетчатое днище состоит из не менее чем двухслойного набора пластин, расположенных в шахматном порядке с углом , образованным горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин, на 15-20 меньше угла естественного откоса ПС, а узел загрузки зажигательного материала выполнен из телескопически установленных с зазором друг между другом труб.

Недостатками известной установки являются:

- пониженная производительность, обусловленная невозможностью обеспечить непрерывность процесса переработки. Всякий раз при загрузке новой порции перерабатываемой смеси требуется и новая порция зажигательного материала, который нельзя загружать в раскаленную печь из-за опасности несвоевременного его воспламенения, а для остывания печи требуется дополнительное время. Процесс зажигания перерабатываемой смеси, также растянут во времени из-за того, что наконечник зажигательного устройства завален перерабатываемыми материалами и зона воспламенения очень мала, что, в конечном итоге, отрицательно влияет и на весь термохимический процесс;

- низкая экономичность в результате уже отмеченной невысокой производительности, а также за счет повышенного расхода зажигательного материала, требующегося для зажигания каждой новой порции перерабатываемой смеси;

- малая долговечность, по крайней мере, термохимического реактора, из-за частой смены температурных нагрузок (нагрев, охлаждение, нагрев, охлаждение и т.д.);

- недостаточно высокая степень безопасности, т.к., при загрузках и перезагрузках смесителя и реактора приходится открывать задвижки, что приводит к увеличению мощности дозы радиоактивного облучения обслуживающего персонала. Кроме того, при перемешивании компонентов перерабатываемой смеси в смесителе в нем накапливается выделяющийся при этом водород, который не удаляется оттуда принудительно и, в сочетании с имеющимся кислородом воздуха, взрывоопасен.

Преимуществами заявляемой установки являются повышение ее производительности, экономичности, долговечности и безопасности.

Указанные преимущества обеспечиваются тем, что предлагается установка для термохимической переработки горючих порошкообразных и измельченных радиоактивных отходов, содержащая печь, представляющую собой термохимический реактор, состоящий из заключенного в кожух корпуса, выполненного из установленных с зазором друг между другом воронкообразных колец или телескопически установленных с зазором друг между другом труб, крышки, имеющей сдувочное отверстие с задвижкой в нем и откидного решетчатого днища, состоящего из не менее чем двухслойного набора пластин, расположенных в шахматном порядке таким образом, что угол , образованный горизонталью и линией, соединяющей ближайшие края каждой пары расположенных друг над другом пластин, на 15-20 меньше угла естественного откоса перерабатываемых горючих порошкообразных или измельченных радиоактивных отходов в смеси с порошкообразным металлизированным топливом и другими добавками, смеситель с загрузочным люком, в котором установлена приводная задвижка, и выгрузочным люком, узел загрузки зажигательного материала, выполненный из телескопически установленных с зазором друг между другом труб, встроенный в крышку термохимического реактора и находящийся в его полости, узел загрузки перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, состоящий из цилиндра, подсоединенного к выгрузочному люку смесителя своим боковым отверстием и установленного в нем механизма для перемещения вышеуказанной смеси, узел выгрузки шлака с выгрузочным окном и боковым отверстием в корпусе, связанный с кожухом термохимического реактора, зажигательное устройство, встроенное в корпус узла выгрузки шлака с возможностью перемещения и расположенное под откидным решетчатым днищем термохимического реактора, шнековый механизм выгрузки с выгрузочным люком и приводной задвижкой в нем, подсоединенный к выгрузочному окну узла выгрузки шлака, воздухозаборный узел, подсоединенный к боковому отверстию на корпусе узла выгрузки шлака и состоящий из циклонного смесителя с газоподводным патрубком и воздухозаборного трубопровода со встроенным в него нагревателем, узел фильтрации, связанный с термохимическим реактором, и последовательно подсоединенные к узлу фильтрации вытяжную вентустановку и газосбросную трубу, съемную емкость с задвижкой, предназначенную для компонентов перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, установленную на загрузочный люк смесителя, шнековый механизм выгрузки с выгрузочным люком и приводной задвижкой в нем, подсоединенный к выгрузочному окну узла выгрузки шлака, съемную емкость для шлака с задвижкой, подсоединенную к выгрузочному люку шнекового механизма выгрузки шлака, трубопровод, связывающий верхнюю часть полости смесителя с каналом, соединяющим термохимический реактор и узел фильтрации, при этом термохимический реактор содержит вспомогательную камеру, расположенную сбоку основной камеры, вне зоны откидного решетчатого днища, а цилиндр узла загрузки перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, своим торцовым отверстием подсоединен к боковому отверстию, имеющемуся на вспомогательной камере термохимического реактора, а механизм для перемещения вышеуказанной перерабатываемой смеси, представляет собой поршень, связанный с винтовым приводом и выполняющий, одновременно, функцию задвижки выгрузочного люка смесителя, задвижка загрузочного люка смесителя выполнена приводной и содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для компонентов перерабатываемой смеси, а приводная задвижка выгрузочного люка механизма выгрузки шлака также содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для шлака.

Согласно изобретению отличительными признаками заявляемой установки является то, что она содержит съемную емкость с задвижкой, предназначенную для компонентов перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, установленную на загрузочный люк смесителя, шнековый механизм выгрузки с выгрузочным люком и приводной задвижкой в нем, подсоединенный к выгрузочному окну узла выгрузки шлака, съемную емкость для шлака с задвижкой, подсоединенную к выгрузочному люку шнекового механизма выгрузки шлака, трубопровод, связывающий верхнюю часть полости смесителя с каналом, соединяющим термохимический реактор и узел фильтрации, термохимический реактор термохимический реактор содержит вспомогательную камеру, расположенную сбоку основной камеры, вне зоны откидного решетчатого днища, а цилиндр узла загрузки перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, своим торцовым отверстием подсоединен к боковому отверстию, имеющемуся на вспомогательной камере термохимического реактора, механизм для перемещения вышеуказанной перерабатываемой смеси представляет собой поршень, связанный с винтовым приводом и выполняющий, одновременно, функцию задвижки выгрузочного люка смесителя, зажигательное устройство встроено в корпус узла выгрузки шлака с возможностью перемещения и расположено под откидным решетчатым днищем термохимического реактора, задвижка загрузочного люка смесителя выполнена приводной и содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для компонентов перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки, а приводная задвижка выгрузочного люка механизма выгрузки шлака также содержит палец, находящийся в зацеплении с отверстием, имеющимся на задвижке съемной емкости для шлака.

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

На фиг.1 схематично представлена установка в целом.

На фиг.2 представлено увеличенное изображение находящихся в зацеплении, пальца, имеющегося на приводной задвижке загрузочного люка смесителя, с отверстием, выполненным на задвижке съемной емкости для компонентов перерабатываемой смеси.

На фиг.3 представлено увеличенное изображение находящихся в зацеплении, пальца, имеющегося на приводной задвижке выгрузочного люка механизма выгрузки шлака, с отверстием, имеющемся на задвижке съемной емкости для шлака.

Заявляемая установка содержит:

печь, представляющую собой термохимический реактор с корпусом 1 заключенным в кожух 2, включающий основную камеру 3 с откидным решетчатым днищем 4, вспомогательную камеру 5 и крышку 6 с регулируемым задвижкой 7 сдувочным отверстием и узлом для загрузки 8 зажигательного материала;

зажигательное устройство 9, расположенное под откидным решетчатым днищем 4;

смеситель 10 с загрузочным люком в котором установлена приводная задвижка 11, содержащая палец 12 и выгрузочным люком 13;

съемную емкость 14 для компонентов перерабатываемой смеси с задвижкой 15, содержащей отверстие 16, с которым находится в зацеплении палец 12 приводной задвижки 11;

узел загрузки перерабатываемой смеси, состоящий из цилиндра 17, подсоединенного своим боковым отверстием к выгрузочному люку 13 смесителя 10, а торцовым отверстием - к вспомогательной камере 5 термохимического реактора и установленного в цилиндре 17, механизма для перемещения перерабатываемой смеси, выполненного в виде поршня 18, связанного с винтовым приводом 19 и осуществляющего, одновременно, функции задвижки выгрузочного люка 13 смесителя 10;

узел выгрузки шлака 20 с выгрузочным окном 21;

воздухозаборный узел, включающий в себя циклонный смеситель 22 с газоподводным патрубком 23 и воздухозаборный трубопровод 24 со встроенным нагревателем 25;

шнековый механизм выгрузки шлака 26 с приводной задвижкой 27, содержащей палец 28, подсоединенный к выгрузочному окну 21 узла выгрузки шлака 20;

съемную емкость 29 для шлака с задвижкой 30, содержащей отверстие 31, с которым находится в зацеплении палец 28 приводной задвижки 27;

узел фильтрации 32;

вытяжную вентустановку 33;

газосбросную трубу 34;

трубопровод 35, соединяющий верхнюю часть полости смесителя с каналом, соединяющим узел фильтрации 32 с термохимическим реактором.

Заявляемая установка работает следующим образом.

Включают вентустановку 33, нагреватель 25 и прогревают горячим воздухом весь газодинамический тракт установки. Параллельно с этим на загрузочный люк смесителя 10 при помощи внешнего подъемно-транспортного средства устанавливают съемную емкость 14 с компонентами перерабатываемой смеси, включающей горючие порошкообразные или измельченные радиоактивные отходы, порошкообразное металлизированное топливо и другие добавки. При этом палец 12, имеющийся на приводной задвижке 11 загрузочного люка смесителя, входит в отверстие 16, выполненное на задвижке 15 съемной емкости 14. Посредством привода перемещают сблокированные между собой задвижки 11 и 15, в результате чего одновременно открываются емкость 14, загрузочный люк смесителя 10 и включается его привод, компоненты перерабатываемой смеси пересыпаются в смеситель 10 и перемешиваются. Задвижки 11 и 15 закрывают.

После прогрева системы нагреватель 25 и вентустановку 33 выключают и через узел загрузки 8 в основную камеру 3 реактора на решетчатое днище 4 загружают необходимую порцию зажигательного материала. Далее пустую съемную емкость 14 отсоединяют от смесителя 10 и отправляют к месту загрузки новой порции компонентов перерабатываемой смеси, а посредством винтового привода 19 отодвигают в крайнее правое положение поршень 18 механизма перемещения перерабатываемой смеси, открывая тем самым выгрузочный люк 13 смесителя 11 и часть уже подготовленной перерабатываемой смеси, под собственным весом и при помощи лопаток смесителя 10, привод которого выполнен реверсивным, пересыпается в цилиндр 17 узла загрузки перерабатываемой смеси. После этого поршень 18 перемещают в крайнее левое положение и сдвигают перерабатываемую смесь в основную камеру 3 термохимического реактора поверх зажигательного материала. Далее поршень 18 перемещают снова в крайнее правое положение, и в цилиндр 17 из смесителя 10 пересыпается оставшаяся часть перерабатываемой смеси, после чего к загрузочному люку смесителя 10 вновь присоединяют съемную емкость 14 с новой порцией компонентов перерабатываемой смеси.

Теперь поршень 18 механизма перемещения перерабатываемой смеси сдвигают таким образом, чтобы выгрузочный люк 13 смесителя 10 стал перекрытым, а остаток перерабатываемой смеси заполнил вспомогательную камеру 5 термохимического реактора. После этого вновь включают нагреватель 25, вентустановку 33 и при помощи зажигательного устройства 9 поджигают зажигательный материал, который, в свою очередь, воспламеняет перерабатываемую смесь. Пошел процесс термохимической переработки первой порции. Параллельно с этим в смеситель 10 из съемной емкости 14 вновь загружают компоненты перерабатываемой смеси и готовят следующую порцию, зажигательное устройство 9 убирают из под откидного решетчатого днища 4 к периферии. Управление процессом переработки осуществляется за счет изменения количества поступающего в реактор окислителя (кислорода), а также скорости его подачи. Это достигается путем изменения скорости вращения лопастей вентустановки 33 и обогащения или обеднения воздуха, поступающего в термохимический реактор через щели в его корпусе 1 и откидное решетчатом днище 4 путем подачи в циклон 22 воздухозаборного узла через газоподводный патрубок 23 кислорода или инертного газа.

После выхода процесса переработки на оптимальный режим нагреватель 25 отключают и поступающий через воздухозаборный узел уже холодный воздух охлаждает корпус 1 термохимического реактора и откидное решетчатое днище, что положительно влияет на их долговечность. Для предотвращения образования взрывоопасных стехиометрических пропорций, которые возможны при смешивании кислорода воздуха с выделяющимся из перерабатываемой смеси водородом, в крышке 6 термохимического реактора, имеется отверстие с задвижкой 7, при открытии которого происходит быстрая сдувка (унос) накопившихся там газов через вентустановку 33 и газосбросную трубу 34 в атмосферу, а верхняя часть полости смесителя 10, где упомянутое образование также возможно, связана трубопроводом 35 с каналом связывающим узел фильтрации 32 с термохимическим реактором.

После завершения термохимического процесса в основной камере 3 термохимического реактора откидывают решетчатое днище 4 и шлак, образовавшийся после переработки перерабатываемой смеси, сбрасывают в узел выгрузки шлака 20. При этом во вспомогательной камере 5 термохимического реактора, вне зоны откидного решетчатого днища 4, осталась часть горящей перерабатываемой смеси. Далее откидное решетчатое днище 4 возвращают в исходное горизонтальное положение и при помощи поршня 18 механизма перемещения перерабатываемой смеси сдвигают оставшуюся горящую часть смеси из вспомогательной камеры 5 в основную камеру 3. После этого обе камеры догружают новой порцией уже приготовленной к этому времени перерабатываемой смеси и продолжают ее переработку без включения зажигательного устройства 9, так как воспламенение новой порции происходит от оставшейся, горящей части. Наконец, выдвигают приводную задвижку 27 шнекового механизма выгрузки шлака 26 и задвижку 30, уже подсоединенной к этому времени, съемной емкости 29 для шлака, которые сблокированы между собой при помощи пальца 28, установленного на приводной задвижке 27 механизма выгрузки шлака 26 и входящего в отверстие 31, выполненное на задвижке съемной емкости 29 для шлака, включают шнек механизма выгрузки шлака 26 и пересыпают шлак в сменную емкость 29. Очевидно, что процесс переработки может продолжаться сколь угодно долго.

Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков позволяет:

- увеличить производительность труда не менее чем на 30% за счет обеспечения непрерывности процесса переработки, за счет сокращения до 1 раз (в начале работы) операций по засыпке зажигательного материала и операций зажигания, за счет сокращения времени на процесс воспламенения перерабатываемой смеси, в результате наличия вспомогательной полости в термохимическом реакторе и установки зажигательного устройства под решетчатым днищем реактора;

- повысить экономичность работ на установке не менее чем на 35% прежде всего, за счет увеличения производительности труда и за счет сокращения количества зажигательного материала, необходимого для зажигания перерабатываемой смеси. В заявляемой установке загрузка зажигательного материала в термохимический реактор и сам процесс зажигания осуществляются только один раз, в начале смены;

- увеличить долговечность установки за счет значительного сокращения количества циклов нагрева и охлаждения, т.е. снижения температурных нагрузок на металлоконструкцию, т.к. наличие вспомогательной емкости термохимического реактора позволяет проводить процесс переработки непрерывно и в одном (горячем) режиме;

- повысить безопасность работ на установке за счет введения элементов (отверстия, пальцы) блокировки задвижек съемной емкости для компонентов перерабатываемой смеси и загрузочного люка смесителя, а также задвижек съемной емкости для шлака и выгрузочного люка шнекового механизма выгрузки шлака, что приводит к ликвидации зон открытого радиоизлучения на обслуживающий персонал. Кроме того, за счет установки трубы, связывающей верхнюю полость смесителя с каналом, связывающим узел фильтрации с термохимическим реактором, что препятствует образованию в смесителе стехиометрических пропорций кислорода воздуха и выделяющегося из компонентов перерабатываемой смеси водорода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США №4718358, МКИ⁴ F 23 G 5/00, НКИ 110/250, оп. 12.01.88;

2. Заявка Японии №5088440 В4, МКИ G 21 F 9/30, опубл. 22.12.93;

3. Патент РФ №2183873, МКИ⁷ G 21 F 9/32, опубл. БИ №17 от 20.06.2002.