Способ безотходного уничтожения отравляющих веществ

 

Изобретение относится к обезвреживанию супертоксичных веществ и может быть использовано для уничтожения ядовитых отходов и отравляющих веществ (ОВ), в состав которых входят такие супертоксичные элементы, как хлор, фтор, сера, фосфор, мышьяк и др., в частности химическое оружие. В способе безотходного уничтожения отравляющих веществ путем сжигания в доменной печи отравляющие вещества в ходе химических боеприпасов заключают в металлическую герметичную капсулу и дискретно вводят в фурменную зону доменной печи через герметичное загружаемое устройство, соединенное с печью специальным отверстием типа летки, в количестве 20-50 кг на 1 т чугуна, размещая в герметичной капсуле по несколько боеприпасов и вводя одновременно несколько капсул. При использовании изобретения решается задача уничтожения супертоксичных отравляющих веществ без нарушения экологии окружающей среды. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к обезвреживанию ядовитых веществ и может быть использовано для уничтожения супертоксичных отравляющих веществ (ОВ), в частности химического оружия (химических боеприпасов), в состав которых входят такие супертоксичные элементы, как хлор, фтор, сера, фосфор, мышьяк и др.

Проблема уничтожения и утилизации различных бытовых и промышленных отходов, а также ОВ и химических боеприпасов в соответствии с программой разоружения и уничтожения химического оружия заключается в накоплении больших объемов этих веществ.

В настоящее время наиболее эффективными способами уничтожения ядовитых отходов являются высокотемпературные огневые способы в уже существующих агрегатах металлургической, коксохимической промышленности и др., в которых достигаются температуры и параметры окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающие полное сгорание отходов.

Известен способ огневого уничтожения ядовитых веществ путем сжигания в присутствии окислителя и горючего под слоем жидкости, не реагирующей с продуктами сгорания реакционной смеси, под давлением, с использованием для этого отработанных нефтяных и газовых скважин. Патент СССР N 1789042, F 23 G 7/00, опубл. бюл. N 2 от 15.01.93 г.

Этот способ экологически эффективен, т.к. отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, но трудоемок, требует глубоких укрепленных, прочных скважин и подходит в основном для уничтожения и обезвреживания жидких ОВ или их смесей с водой (сточных вод).

За прототип взят способ, предложенный в патенте N 2072478, C 23 B 5/00, 27.01.97.

По этому способу токсичные и супертоксичные вещества, топливо и воздух подают в химический реактор сжатия, где подвергают сжатию-расширению при максимальной температуре в импульсе 1500- 3000 K, максимальном давлении в импульсе 9-20 МПа и характерных временах 10^-3-10^-2 с. Отходящие из первого реактора газы вновь подвергают импульсному расширению-сжатию при тех же временах и давлениях и температуре 1500-2300 K. Таким образом, достигается высокая степень превращения.

Этот способ позволяет уничтожать токсичные и супертоксичные вещества, но не решает проблемы обезвреживания супертоксичных ОВ, в частности, химических боеприпасов в тех случаях, когда супертоксичные вещества должны уничтожаться вместе с металлической оболочкой.

Заявляемый способ решает актуальную задачу уничтожения супертоксичных ОВ без нарушения экологии окружающей среды с высокой производительностью и экономическим эффектом.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается за счет того, что в способе безотходного уничтожения отравляющих веществ путем сжигания в доменной печи отравляющие вещества в виде химических боеприпасов заключают в металлическую герметичную капсулу и дискретно вводят в фурменную зону доменной печи через герметичное загружаемое устройство, соединенное с печью специальным отверстием типа летки, в количестве 20-50 кг на 1 т чугуна, с возможностью размещения в герметичной капсуле по несколько боеприпасов и ввода одновременно нескольких капсул.

Проблема уничтожения и утилизации различных ядовитых бытовых и промышленных отходов, а также ОВ и химических боеприпасов в соответствии с программой разоружения заключается в накоплении больших объемов этих веществ. Доменная печь в настоящее время является готовым мощным и высокопроизводительным плавильным агрегатом шахтного типа, который без дополнительных капиталовложений способен переработать огромное количество ядовитых веществ без вторичных выбросов в атмосферу. Доменная печь может непрерывно работать около 20 лет. Полезный объем печи от 100-150 м³ до 5500 м³ с суточной производительностью от 200 - 300 т до 12 тыс. т. Доменная печь работает по принципу противотока (шихта движется вниз, а нагретые газы, продукты сгорания - вверх). В нижней части печи находятся фурменные устройства, через которые вдувают в печь нагретый воздух, иногда и жидкое топливо. Температура в этой зоне 2000-2400^oC. Органические соединения при этих температурах разлагаются полностью с образованием неорганических соединений - газов и летучих оксидов. Доменная печь отличается практически полным отсутствием вредных выбросов. Супертоксические ОВ, подлежащие обезвреживанию, содержат в своем составе распространенный набор элементов органических соединений: углерод, водород, кислород, хлор, фтор, сера, фосфор, мышьяк и др., и металлическую оболочку, состоящую из железа никеля и др. металлов. В условиях фурменной зоны органические соединения, в том числе содержащие диоксины, полихло-рированные бифинилы переходят в CO₂ и H₂O, которые затем выводятся из печи в атмосферу. Галогены связываются с шихтой и переходят в шлак. Соединения фосфора превращаются в P₂O₅ и затем распределяются между чугуном и шлаком. Металлы оболочки частично восстанавливаются или переходят в шлак. Отличительной особенностью печи является и то, что отходящие газы проходят через слой нагретой шихты, которая является мощным, постоянно обновляемым и движущимся навстречу отходящим газам сорбентом (слой высотой несколько метров). В связи с этим выброс из печи любых газов, кроме CO₂ и H₂O, практически исключен. Перечисленные выше химические элементы ОВ уже содержаться в составе шихты обычной плавки доменой печи гораздо в больших количествах, чем их предлагается вводить согласно способу из расчета 20-50 кг/1 т чугуна. Расчет на ЭВМ термодинамического равновесия процесса, который будет происходить в фурменной зоне, показал, что выбросы в атмосферу изменятся всего на 1%, а в составе чугуна наличие примесей супертоксичных элементов не поддается идентификации (10^-5%). Изменение предельных значений количества уничтожаемого ОВ по отношению к 1 т чугуна в большую сторону может привести к потере контроля над происходящими процессами в печи, а в меньшую сторону - к уменьшению производительности. Предлагаемый диапазон дискретного введения ОВ с металлической оболочкой в доменную печь не снижает качество чугуна и шлака и не изменяет состава печных газов.

Супертоксичные ОВ, хранящиеся в оболочках, заключаются в герметичные капсулы, которые обеспечивают их безопасное хранение, транспортировку к месту уничтожения, а также безопасность обслуживающего персонала в процессе их обезвреживания.

Способ осуществляют следующим образом. Уничтожаемое ОВ в металлической герметичной оболочке, в частности химический боеприпас, по одной или несколько штук размещают в металлической капсуле и герметизируют ее, затем с помощью герметичного загружаемого устройства, герметично соединенного с доменной печью в фурменной зоне посредством отверстия типа летки, вводят капсулу дискретно по одной или несколько штук, капсула с содержимым сгорает, затем вводится следующая капсула с боеприпасами, и процесс повторяется. Прерывность или дискретность ввода зависит от концентрации уничтожаемых ОВ на тонну выплавляемого чугуна. Подготовка и ввод наполненных ОВ оболочек могут быть автоматизированы и осуществляться на автоматических линиях, которые уже опробованы и дают хорошие результаты. При этом должна быть обеспечена герметичность печи. Попадая в высокотемпературную зону 2400^oC и выше, металлическая капсула нагревается и расплавляется с вскрытием боеприпаса, содержимое которого сжигается. Выброс жидкой фазы при вскрытии боеприпаса, имеющего внутреннее давление несколько атмосфер, исключен. Оболочка боеприпаса, расплавляясь, распределяется между чугуном и шлаком, превращаясь в товарный чугун и шлак. Наличие незначительного количества меди (направляющие пояски боеприпасов) не влияет на качество выплавляемого чугуна.

1. Доменная печь объемом 2000 м³ (АК "Тулачермет", АО "Нижнетагильский металлургический комбинат") с суточной производительностью 4500 - 5000 т и годовой 16 - 18 млн. т, при введении изделий для уничтожения в количестве 50 кг (один боеприпас) на 1 т чугуна, уничтожит 200-250 т ОВ в сутки или 80 - 90 тыс. т в год, считая по суммарному весу (оболочка и ОВ), капсулы вводят в печь с дискретностью около 200 штук в час.

Расчеты показали, что при получении 1 т чугуна в нормальных условиях образуется 2000 - 3000 м³ печных газов. Дополнительное количество газов при введении изделий для уничтожения в указанном количестве составляет около 100-150 м³, что не превышает 5% и не оказывает влияния на процесс. Аналогично давление в доменной печи по сравнению с обычным в 2,5 - 3,5 атм. увеличивается не более чем на 1-2%.

2. Доменная печь объемом 300 м³ (небольшие заводы Урала), суточная производительность 500-600 т, годовая около 200 тыс.т чугуна. Объем уничтожения ОВ из расчета 20 кг/т чугуна при вводе порядка 20 штук в час составит 10 т в сутки и 3 тыс. т в год.

Предложенный способ уничтожения ядовитых веществ в доменной печи сохраняет ее основную функциию - получение товарных чугуна и шлака, качество которых не снижается, таким образом осуществляется не просто уничтожение, но и утилизация этих веществ. Расчеты подтверждают экологическую безвредность способа, выбросы в атмосферу не превосходят обычных выбросов доменной плавки. Резко сокращаются сроки и затраты при уничтожении химического оружия. Способ имеет неограниченные перспективы высокопроизводительной утилизации отходов электротехнической, химической промышленности, агропромышленного комплекса и пр., с минимальными затратами без дополнительного строительства высокотемпературных печей для сжигания. Для широкого использования данного способа могут быть пущены законсервированные в настоящее время доменные печи, что приведет к новому возрождению инфраструктуры производства в этой отрасли и занятости населения.

Формула изобретения

1. Способ безотходного уничтожения отравляющих веществ, включающий сжигание их в печи, отличающийся тем, что используют доменную печь, в фурменную зону которой через загрузочное устройство герметично вводят отравляющие вещества в виде химических боеприпасов, заключенных в металлическую герметичную капсулу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в доменную печь герметично вводят несколько капсул.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что химические боеприпасы вводят в количестве 20 - 50 кг на 1 т выплавляемого чугуна.