Результат интеллектуальной деятельности: ПЛАЗМЕННАЯ ШАХТНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ И ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных и токсичных отходов. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при сжигании твердых радиоактивных отходов (ТРО) и токсичных отходов, содержащих целлюлозу, полимеры, резину, поливинилхлорид (ПВХ), а также такие негорючие примеси, как стекло и металлы с последующим плавлением образующихся продуктов сгорания до получения монолитного конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Известна плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов (1), включающая вертикальную шахту, снабженную узлом загрузки, расположенным в верхней части вертикальной шахты, газоотводным патрубком, устройством для подвода окислителя, плазменными генераторами, и соединенную своей нижней частью с камерой гомогенизации, имеющей в своем составе плазменный реактор и узел выгрузки конечного продукта.

Недостатками известной плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов являются:
ненадежность работы, связанная с возможностью прекращения перемещения по вертикальной шахте перерабатываемых ТРО из-за их встречного движения с отходящими газами, обусловленного расположением газоотводного патрубка в верхней части шахты печи;
повышенная опасность работы, связанная со значительным уносом радиоактивных аэрозолей, вследствие:
- повышения скорости движения отходящих газов по мере их движения по шахте печи, из-за сужения поперечного сечения ее верхней части:
- встречного движения отходящих газов и ТРО, обусловленного тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов:
- залповых выбросов отходящих газов при загрузке в шахтную печь новой партии ТРО, вызываемых повышенной температурой в верхней части шахты печи, вследствие отсутствия у нее охлаждающего узла;
- пониженная производительность, связанная с замедленным перемещением по вертикальной шахте перерабатываемых ТРО из - за встречного движения отходящих газов, обусловленного тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов.

Известна "Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов" [2], включающая вертикальную шахту, снабженную узлом загрузки, расположенным в верхней части вертикальной шахты, газоотводным патрубком, устройством для ввода жидких негорючих РАО, устройством для подвода окислителя, плазменными генераторами и соединенную своей нижней частью с камерой гомогенизации, имеющей в своем составе плазменный реактор и узел выгрузки конечного продукта.

Недостатками известной плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных отходов являются:
ненадежность работы, связанная с возможностью прекращения перемещения по вертикальной шахте перерабатываемых ТРО из-за их встречного движения с отходящими газами, обусловленного расположением газоотводного патрубка в верхней части шахты печи;
пониженная производительность, связанная с замедленным перемещением по вертикальной шахте перерабатываемых ТРО из-за их встречного движения с отходящими газами, обусловленного тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов;
повышенная опасность работы, связанная со значительным уносом радиоактивных аэрозолей, вследствие:
- встречного движения отходящих газов и ТРО, обусловленного тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов;
- залповых выбросов отходящих газов при загрузке в шахтную печь новой партии ТРО, вызываемых повышенной температурой в верхней части шахты печи, вследствие отсутствия у нее охлаждающего узла.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой плазменной шахтной печи является плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных и токсичных отходов [3], включающая вертикальную шахту, снабженную узлом загрузки и воздушным холодильником, расположенными в верхней части вертикальной шахты, газоотводным каналом, расположенным в средней части вертикальной шахты, устройством для подвода окислителя в среднюю и верхнюю части вертикальной шахты и соединенную своей нижней частью с камерой гомогенизации, имеющей в своем составе наклонный скат, топливно-плазменный генератор, плазменные генераторы и узлы выгрузки конечного продукта.

Работа известной шахтной печи заключается в том, что ТРО по мере их перемещения по шахте печи последовательно подвергаются сушке, пиролизу, газификации коксового остатка и горению, после чего они поступают в камеру гомогенизации, где на поверхности предварительно накопленного там расплава дожигаются и расплавляются. Чем более значительна доля недожженной горючей составляющей в поступающих в камеру гомогенизации ТРО, тем требуется большая площадь поверхности расплава (а следовательно и большие габариты камеры гомогенизации) для того, чтобы не произошло снижение производительности работы печи или даже ее остановки вследствие возможности образования на поверхности расплава твердой захоложенной корки.

Недостатками известной плазменной шахтной печи для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов являются:
ненадежность работы, связанная с возможностью прекращения перемещения по вертикальной шахте перерабатываемых отходов, из-за того, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов;
повышенная опасность работы, связанная со значительным уносом отходящими газами радиоактивных аэрозолей перерабатываемых ТРО из-за:
- встречного движения отходящих газов и ТРО, обусловленного тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней ТРО, так и для отвода по ней отходящих газов;
- залповых выбросов отходящих газов при загрузке в шахтную печь новой партии ТРО, вызываемых повышенной температурой в верхней части шахты печи, вследствие пониженной эффективности работы воздушного холодильника;
- пониженная производительность, связанная с замедленным перемещением по вертикальной шахте перерабатываемых отходов из-за встречного движения отходящих газов, обусловленного также тем, что шахта печи является однокамерной и предназначена одновременно, как для сжигания в ней отходов, так и для отвода по ней отходящих газов;
- повышенные габариты камеры гомогенизации, вследствие содержания значительной доли в поступающих в него ТРО недожженной горючей составляющей (до 30 мас. %), из-за пониженной эффективности работы шахты печи, обусловленной ее конструкцией.

Преимуществами плазменной шахтной печи для переработки радиоактивных и токсичных отходов являются снижение габаритов камеры гомогенизации, повышение производительности, надежности и безопасности работы.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что печь состоит из вертикальной шахты, днище которой выполнено в виде наклонного пода, а также камеры гомогенизации, соединенной с вертикальной шахтой в ее нижней боковой части.

Вертикальная шахта разделена перегородкой на сообщающиеся между собой своими нижними частями, камеру сжигания и газовую камеру, а также имеет в своей нижней части устройство для подвода окислителя, выполненное в виде воздухоподводящих каналов, объединенных воздушным коллектором и плазменные генераторы.

Камера сжигания снабжена узлом загрузки, водяной форсункой и воздухоподводяще-фракционирующим узлом, выполненным в виде параллельно расположенных на расстоянии друг от друга и снабженных отверстиями труб, причем расстояние между каждыми двумя соседними трубами S составляет не менее 1/8D, но не более 1/4D, где D - гидравлический диаметр проходного сечения [4] камеры сжигания.

Газовая камера предназначена для отвода отходящих газов и снабжена газоотводным каналом, расположенным в ее верхней части.

Камера гомогенизации, снабжена топливно-плазменным генератором и узлами выгрузки конечного продукта.

Отличительными признаками заявляемой плазменной шахтной печи для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов являются:
- наличие перегородки, разделяющей вертикальную шахту на две камеры;
- наличие у вертикальной шахты днища, выполненного в форме наклонного пода;
- расположение плазменных генераторов в нижней части вертикальной шахты;
- наличие водяной форсунки, расположенной в верхней части камеры сжигания вертикальной шахты;
- расположение газоотводного канала в верхней части газовой камеры вертикальной шахты;
- наличие воздухоподводяще-фракционирующего узла, расположенного в камере сжигания и выполненного в виде параллельно расположенных на расстоянии друг от друга и снабженных отверстиями труб, причем расстояние между каждыми двумя соседними трубами S составляет не менее 1/8D, но не более 1/4D, где D - гидравлический диаметр проходного сечения камеры сжигания;
- подсоединение камеры гомогенизации к нижней боковой части вертикальной шахты.

Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - 2.

На фиг. 1 представлена плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов, вид сбоку;
На фиг. 2 представлена плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов в разрезе по А-А.

Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов состоит из вертикальной шахты 1, перегородки 2, камеры сжигания 3, узла загрузки 4, водяной форсунки 5, воздухоподводяще-фракционирующего узла 6, газовой камеры 7, газоотводного канала 8, днища 9 вертикальной шахты, устройства 10 для подвода окислителя, топливно-плазменного генератора 11, камеры гомогенизации 12, плазменных генераторов 13 и узлов выгрузки 14 конечного продукта.

Непосредственно перед загрузкой радиоактивных и токсичных отходов в плазменную шахтную печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов включают топливно-плазменный генератор 11, плазменные генераторы 13 и разогревают камеру гомогенизации 12 до температуры 1400^oC. Одновременно с разогревом камеры гомогенизации 12 горячими газообразными продуктами работы топливно-плазменного генератора 11 и плазменных генераторов 13 разогревают камеру сжигания 3 таким образом, чтобы в ее верхней части температура не превышала 400-550^oC, что достигается путем подачи через форсунку 5 охлаждающей воды, а через воздухоподводяще-фракционирующий узел 6 подают окисляющий газ (воздух, кислород). Предотвращение повышения температуры в верхней части камеры сжигания 3 сверх вышеуказанного предела ликвидирует возможность залповых выбросов отходящих газов при загрузке в шахтную печь новых партий ТРО.

После вывода в результате вышеуказанных операций плазменной шахтной печи на рабочий режим осуществляют загрузку через узел загрузки 4 на воздухоподводяще-фракционирующий узел 6 крупногабаритных и/или малогабаритные упаковок с радиоактивными и/или токсичными отходами в контейнерах из полипропилена, полиэтилена или картона, которые сразу же начинают подвергаться термической деструкции и газификации. Куски образующегося при этом коксового остатка с размером меньшим 1/4D проваливаются через межтрубное пространство воздухоподводяще-фракционирующего узла 6 на днище 9 вертикальной шахты. После заполнения ими пространства между воздухоподводяще-фракционирующим узлом 6 и днищем 9 вертикальной шахты в вертикальную шахту 3 через устройства 10 для подвода окислителя подают газообразный окислитель, причем уровень заполнения вышеуказанного пространства коксовым остатком поддерживают постоянным (за счет загрузки новых упаковок с радиоактивными и/или токсичными отходами) в течение всего времени работы вертикальной шахтной 1.

По мере сгорания в результате работы плазменных генераторов 13 коксового остатка, образующийся шлак под действием силы тяжести движется по днищу 9 вертикальной шахты в камеру гомогенизации 12, причем на наклонном поде 9 происходит окончательное дожигание коксового остатка и начинается расплавление продуктов дожига с образованием плава (смеси расплавленных и нерасплавленных продуктов дожига), поступающего в камеру гомогенизации 12 непосредственно в зону действия факела топливно-плазменного генератора 11. В камере гомогенизации 12 плав переходит в расплав, концентрирующий в себе основную часть радионуклидов и токсичных элементов, причем наличие наклонного пода, обеспечивающего подачу плава непосредственно в зону факела топливно-плазменного генератора 11, позволяет ограничить габаритные размеры камеры гомогенизации 12 размерами факела топливно-плазменного генератора 11, т.е. позволяет использовать в заявляемом устройстве камеру гомогенизации минимальных размеров.

В случае, если расстояние между трубами воздухоподводяще-фракционирующего узла 6 будет больше 1/4D, то не будет обеспечиваться повышение производительности плазменной печи за счет повышенного времени сжигания крупных кусков коксового остатка и плавления образующихся кусков шлака. В случае если вышеуказанное расстояние будем меньше 1/8D, то не будет обеспечиваться повышение производительности плазменной печи за счет возрастания времени термической деструкции и коксования загружаемых упаковок отходов до размеров кусков коксового остатка меньших 1/8D.

Расплав из камеры гомогенизации 12 сливают через узлы выгрузки 14 конечного продукта. Образующиеся в камере гомогенизации 12 и камере сжигания 3 отходящие газы поступают в газовую камеру 7, где подвергаются перемешиванию, термической деструкции и через газоотводной канал 8 подаются на газоочистку.

Заявляемая плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов:
- обладает большей надежностью и безопасностью в работе, чем аналогичная печь наиболее близкого аналога, т.к. наличие двух камер обеспечивает раздельное перемещение сжигаемых отходов и отходящих газов, следствием чего является ликвидация опасности забивки вертикальной шахты плазменной шахтной печи сжигаемыми отходами и снижение степени уноса отходящими газами радиоактивных и токсичных аэрозолей сжигаемых отходов в 1,5-2 раза;
- обладает более высокой (в 1,2-1,4 раза) производительностью, чем аналогичная печь наиболее близкого аналога (в случае одинаковости их габаритов) вследствие наличия воздухоподводяще-фракционирующего узла, ускоряющего степень термической деструкции и газификации упаковок с отходами;
- имеет в своем составе узел гомогенизации минимально допустимых размеров.

Литература
1. Патент РФ N 1810912, МКИ⁵: G 21 F 9/32, F 27 В 1/00, оп. в Бюл. N 15, 1993.

2. Патент РФ N 1552893, МКИ⁵: G 21 F 9/16, оп. в Бюл. N 1, 1994.

3. Патент РФ N 2107347, МКИ⁶ G 21 F 9/32, оп. в Бюл. N 8, 1998.

4. "Расчет нагревательных и электрических печей", Справочник, под редакцией В.М.Тымчака, В.Л.Гусовского, М., Металлургия, 1983, стр. 226-227.