Способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ и устройство для его осуществления

 

Использование: в области экологии для обезвреживания высокотоксичных веществ. Сущность изобретения: осуществление процессов термического разложения, окисления и ступенчатой нейтрализации конечных продуктов реакции в высокоскоростном трансзвуковом потоке рабочего газа с числом Маха M≥ 1 при коэффициенте избытка окислителя α≅ 1.1. Устройство содержит камеру сгорания ракетного двигателя и смесительные сверхзвуковые струйные аппараты. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к экологии для обезвреживания токсичных веществ высших классов опасности: химического оружия, пестицидов, полихлорбифенилов, цианидов и т. п. в снаряженном состоянии (в оболочке) или в текучем виде (жидком, порошкообразном и газообразном) и может быть эффективно использовано при осуществлении мер по защите окружающей среды от загрязнения, а также при создании ресурсосберегающих технологий.

Известны способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ и устройство для его реализации, принятые в качестве прототипа.

Известный способ основан на том, что обезвреживаемое вещество загружают в полость термической камеры, где с ним осуществляют ряд последовательных операций: разрушение оболочки контейнера, перемешивание обезвреживаемого вещества с высокотемпературным рабочим газом, его нагрев с последующим химическим превращением (обычно полное окисление - сжигание), далее продукты реакции, представляющие собой малотоксичные соединения или нетоксичные, разделяют на фракции и после окончательного обезвреживания утилизируют или выбрасывают в окружающую среду.

Устройство для осуществления этого способа содержит манипулятор (приспособление для загрузки обезвреживаемого вещества), вспомогательный плазмотрон для разрезки оболочки контейнера, основной плазмотрон, малый плазмотрон, термическую камеру, центрифугу, окислительную камеру, систему эвакуации шлаков, выхлопную систему аэрозолей с утилизацией тепла, систему очистки газов, систему утилизации аэрозолей, выхлопную трубу рассеивания газовых выбросов.

Представляя собой уникальный объект в мировой практике промышленной экологии, известное устройство является сложным конструктивно и в эксплуатации. Монументальность обслуживания системы, в первую очередь электрической, создает серьезные препятствия в решении вопроса создания малогабаритных мобильных установок.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является совершенствование и упрощение технологии и конструкции устройства для обезвреживания высокотоксичных веществ при снижении материальных, производственных и эксплуатационных затрат.

Технический результат достигается тем, что в способе перемешивание обезвреживаемого вещества с высокотемпературным газом осуществляют воздействием на обезвреживаемое вещество трансзвукового-сверхзвукового потока с числом Маха М = = 0,9-2,0 при ≥ 2000^оС, после чего в реакционной камере дожигают полученную смесь при коэффициенте избытка окислителя α≅ 1,1 до образования конечных продуктов реакции, а затем ступенчато вводят химические реагенты, которые после перемешивания с конечными продуктами реакции вводят в объем с водным раствором поглотителя.

Устройство снабжено смесительной камерой в виде сверхзвукового эжектора, а источник высокотемпераурного газа выполнен в виде камеры сгорания ракетного двигателя, герметично соединенного соплом с узкой частью эжектора, выход которого скреплен с реакционной камерой, выполненной по форме сопла Лаваля, выходной торец которого соединен с входной частью многозвенной системы нейтрализации, а ее выходная часть выполнена с уменьшающимся по длине сечением и размещена внутри блока для улавливания конечных продуктов реакции, заполненного водным раствором поглотителя.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Оно содержит источник 1 высокотемпературного газа, механический манипулятор ввода обезвреживаемого вещества в оболочке или гидравлическую систему 2 подачи в текучем виде, смесительное устройство 3, системы 4 ввода дополнительных химических реагентов, реакционную камеру 5, многозвенную систему 6 очистки, систему 7 улавливания, систему 8 нейтрализации и утилизации твердых веществ, газовую систему 9 выхлопа.

Источником высокотемпературного газа служит камера сгорания ракетного двигателя. Высокотемпературный рабочий газ разгоняют в сопле до высоких трансзвуковых скоростей и направляют в смесительное устройство 3, на входе в которое заранее устанавливают емкость с обезвреживаемым веществом, либо вводят его в поток специальным приспособлением по определенному временному закону, либо обезвреживаемое вещество впрыскивают в поток рабочего газа. В смесительном устройстве перемешивают обезвреживаемое вещество с рабочим газом и направляют в реакционную камеру 5. В зависимости от конкретного химического состава смеси в реакционную камеру через систему подачи 4 вводят дополнительные химические реагенты в количестве, обеспечивающем полное протекание процессов окисления с образованием устойчивых веществ, которые при охлаждении не вступают в побочные реакции. Эти нетоксичные или малотоксичные соединения проходят многозвенную очистку в устройствах 6 и 7, затем газовая фаза отделяется от жидкой и твердой фазы, причем последняя также проходит многозвеннную систему 8 очистки и утилизации, а газовая фаза направляется в выхлопную систему 9.

Способ и устройство для его реализации позволяют существенно интенсифицировать выполнение всех операций технологического процесса. В частности, контейнер с обезвреживаемым веществом, вводимый в трансзвуковой поток рабочего глаза, в течение десятых долей секунды разрушается, а само вещество эффективно перемешивается с рабочим газом. Таким образом, отпадает необходимость в использовании вспомогательного плазмотрона и центрифуги для перемешивания обезвреживаемого вещества. При этом конструкция термической камеры существенно упрощается, а ее габариты резко сокращаются. С точки зрения экономного расходования энергии отпадает необходимость в создании температуры рабочего газа 20000^оС, для этого достаточно уровня 3500^оС при одинаковых условиях создания окончательного термического режима - температуры в реакционной зоне обезвреживания ≈ 2000^оС.

Указанный уровень температуры характеризует нижнюю границу ее значений, обеспечивающих полное термическое разрушение внутримолекулярных связей обезвреживаемого вещества. Другим принципиально важным обстоятельством является то, что рекомендуемый режим гарантирует предотвращение образования промежуточных высокотоксичных соединений типа диоксинов.

С точки зрения тепломеханического воздействия на обезвреживаемое вещество, целью которого является разрушение оболочки контейнера и равномерное перемешивание рабочего газа с обезвреживаемым веществом, наиболее оптимальным режимом по числу М представляется диапазон трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей с числом М = 0,9-2,0. Химический состав смеси в реакционной зоне должен обеспечить полное окисление горючих элементов, что соответствует суммарному коэффициенту избытка окислителя α≅ 1,1.

При использовании в качестве источника рабочего газа камеры сгорания ракетного двигателя реальные возможности характеризуются верхним уровнем температуры 3200^оС. Анализ показал, что для термического разрушения подавляющего большинства известных высокотоксичных химических веществ такой уровень достаточен. Таким образом, способ и устройство являются достаточно универсальными. Принципиально важным преимуществом такой схемы является возможность создания мобильной установки из-за существенного сокращения габаритов всех основных узлов. При этом производительность и экологическая безопасность установки не только не уступают, а по некоторым показателям превосходят характеристики прототипа. (56) "MGC-PLASMA Umwelttechnik Hofucker-strasse 24 CH-4132 Muttens Swizerland, Ab Oktober 1991", с. 8-9.

Формула изобретения

1. Способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ, включающий подачу обезвреживаемого вещества в термическую камеру, перемешивание его с высокотемпературным рабочим газом с последующим химическим связыванием токсичных элементов, разделением конечных продуктов реакции на фракции и их обезвреживанием, отличающийся тем, что перемешивание обезвреживаемого вещества с высокотемпературным газом осуществляют воздействием на обезвреживаемое вещество трансзвукового сверхзвукового потока с числом Маха M = 0,9 α≅ 1,1 2,0 при температуре не менее 2000^oС, после чего в реакционной камере дожигают полученную смесь при коэффициенте избытка окислителя α ≅ 1,1 до образования конечных продуктов реакции, а затем ступенчато вводят химические реагенты, которые после перемешивания с конечными продуктами реакции вводят в объем с водным раствором поглотителя.

2. Устройство для термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ, содержащее источник высокотемпературного газа, систему подачи обезвреживаемого вещества, реакционную камеру, многозвенную систему нейтрализации продуктов реакции и блок для улавливания конечных продуктов реакции, отличающееся тем, что оно снабжено смесительной камерой в виде сверхзвукового эжектора, а источник высокотемпературного газа выполнен в виде камеры сгорания ракетного двигателя, герметично соединенного соплом с узкой частью эжектора, выход которого скреплен с реакционной камерой, выполненной по форме сопла Лаваля, выходной торец которого соединен с входной частью многозвенной системы нейтрализации, а ее выходная часть выполнена с уменьшающимся по длине сечением и размещена внутри блока для улавливания конечных продуктов реакции, заполненного водным раствором поглотителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1