Способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ВЫСОКОТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ(71) Заявитель ПАПУША Анатолий Иванович(72) Автор ПАПУША Анатолий Иванович(73) Патентообладатель ПАПУША Анатолий Иванович(57) Способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ, в соответствии с которым обезвреживаемое вещество смешивают с высокотемпературным высокоскоростным потоком рабочего газа и подвергают многостадийной обработке, включающей стадии термохимического разложения обезвреживаемого вещества, последующего дожигания продуктов разложения и ввода химических реагентов, обеспечивающих полное прохождение химических реакций с образованием конечных нетоксичных соединений, отличающийся тем, что используют высокотемпературный высокоскоростной поток рабочего газа с числом Маха 0,8-2,0 и температурой не менее 2000 К и, по крайней мере, на одной или на каждой из указанных стадий полученный поток, по крайней мере, однократно специально разгоняют до сверхзвуковой скорости, а затем в скачках уплотнения переводят в область дозвукового течения. 11790 1 2009.04.30 Изобретение относится к экологии для обезвреживания токсичных веществ высоких классов опасности химического оружия, пестицидов, полихлорбифенилов, цианидов и т.п. 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. Известен способ термохимического обезвреживания высокотоксичных веществ, описанный в патенте РФ 2005519,62 3/00, 1994 1. В этом способе перемешивание обезвреживаемого вещества с высокотемпературным газом осуществляют воздействием на обезвреживаемое вещество трансзвукового-сверхзвукового потока с числом Маха М 0,92,0 при температуре 2000 С, после чего в реакционной камере дожигают полученную смесь при коэффициенте избытка окислителя 1,1 до образования конечных продуктов реакции, а затем ступенчато вводят химические реагенты, которые после перемешивания с конечными продуктами реакции сводят в объем с водным раствором поглотителя. Известен также способ очистки газов от аэрозолей, описанный в патенте РФ 2198721, 01 47/06, 2001 2. В указанном способе обеспечивают смешение струй воды, имеющих скорость от 20 до 50 м/с, с очищаемым газом с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, обеспечивают перекрестное движение водяных капель с субмикронными загрязнениями с помощью скачков уплотнений, для создания которых тормозят сверхзвуковую двухфазную равновесную смесь. После этого обеспечивают избыточное содержание пара в очищенном газе, конденсируют избыток пара, содержащийся в газе, и отделяют сконденсировавшуюся воду. Предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить качество обезвреживания. Количественно это выражается коэффициентом разложения и удаления (ЭРУ), требуемый уровень которого для традиционных печей 99,9, а для уничтожения химического оружия требуется 99,9999. В рассматриваемом случае достигается результат не ниже 99,9999. Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в уменьшении дисперсности термохимически разлагаемого токсичного вещества, увеличении полноты сгорания, исключении образования вторичных токсичных химических соединений. Указанный технический результат достигается за счет того, что обезвреживаемое вещество подвергают многостадийному процессу обработки в высокотемпературном высокоскоростном потоке газа с числом Маха М 0,8-2,0 и температурой не менее 2000 К. Многостадийный процесс включает стадию термохимического разложения, стадию доокисления (дожигания) и стадию ввода химических реагентов, обеспечивающих полное прохождение химических реакций с образованием конечных нетоксичных соединений. По крайней мере, на одной стадии процесса обработки поток газа с обезвреживаемым веществом, по крайней мере, однократно специально разгоняют до сверхзвуковой скорости, а затем в скачках уплотнения переводят в область дозвукового течения. Предпочтительным является вариант способа, в котором стадию термохимического разложения проводят при температуре порядка 2500-3200 К. Предпочтительным является вариант способа, когда поток газа с обезвреживаемым веществом однократно разгоняют до сверхзвуковой скорости, а затем в скачках уплотнения переводят в область дозвукового течения на каждой из стадий термохимического разложения, доокисления (дожигания) и химического связывания. Сущность процесса, заложенного в основу заявляемого способа, заключена в применении термохимического метода для разложения сложных химических веществ и смесей при высоких температурах, т.е. при температурах порядка 2000-3500 К. По характеру физико-химических процессов термический режим занимает промежуточное положение между обычным сжиганием или пиролизом при температурах 12001700 К и плазменным обезвреживанием токсичных веществ при характерном уровне тем 2 11790 1 2009.04.30 ператур порядка 5000-10000 К. В то же время процессы образования горючей смеси и перемешивания продуктов сгорания в данном способе значительно отличаются от традиционных процессов, используемых в печах и плазменных реакторах. Основное отличие состоит в том, что все физико-химические процессы обезвреживания токсичного вещества протекают в высокотемпературном газовом потоке, движущемся со сверхзвуковыми и близкими к звуковым скоростями (М 0,8). Принудительный разгон высокотемпературного газового потока до сверхзвуковой скорости с последующим торможением в скачках уплотнения до дозвуковых скоростей преследует цель организации качественного химического взаимодействия химически активных сред, одной из которых является обезвреживаемое вещество. В известном способе 2 сверхзвуковой поток двухфазной среды получается только за счет резкого изменения акустических свойств при образовании двухфазной смеси с большим содержанием жидкой фракции - воды, при этом вода не вступает в химическое взаимодействие, а играет роль объемного фильтра. Скачки уплотнения приводят к дроблению воды до капель и пленок субмикронного размера и обеспечивают перекрестное движение водяной составляющей с субмикронными загрязнениями, приводящее к захвату аэрозолей используемой водой. В отличие от известного 2, в рассматриваемом случае высокотемпературный поток разгоняется до скоростей порядка 200-1000 м/с, а в скачках уплотнения происходит разрушение обезвреживаемого вещества до молекулярного уровня с образованием после торможения однородного потока с высокой равномерностью полей концентрации продуктов реакции, что позволяет увеличить полноту сгорания и практически исключить образование вторичных токсичных химических соединений. Высокая производительность и теплонапряженность процессов в реакционной камере,объемная плотность тепловыделения которой составляет порядка 6000 МВт/м 3 и в сотни раз превышает аналогичный показатель лучших кинетических (с полным предварительным смешением) горелочных устройств, обеспечивает очень высокую полноту физикохимических превращений и перемешивания продуктов реакции. Понижение температуры продуктов реакции в диапазоне от 2000 до 1000 К осуществляется путем быстрого охлаждения (темп охлаждения составляет 106 град./с), что дополнительно препятствует возможности образования вторичных токсичных химических соединений, особенно таких как диоксины и фураны. На заключительной стадии очистки отходящих газов от малотоксичных кислотообразующих химических соединений в атмосферу выбрасываются продукты сгорания, отличающиеся низким содержанием вредных примесей. Изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылками на чертеж, на котором фигура изображает схему установки для реализации способа. Изобретение будет рассмотрено на конкретном примере выполнения устройства обезвреживания, описание работы которого характеризует заявленный способ. Данный пример характеризует только один частный случай использования изобретения и ни в коей мере не может рассматриваться как единственно возможный, ограничивающий все существующие варианты его применения. Устройство для обезвреживания высокотоксичных веществ содержит источник 1 рабочего газа, представляющий собой высокотемпературный газогенератор, систему 2 ввода обезвреживаемого вещества, смесительное устройство 3, реакционную камеру 4, камеру 5 дожигания, камеру 6 химического связывания и систему 7 подачи химических реагентов. Средство 8 изменения скорости потока размещено на выходе реакционной камеры 4 и камеры 5 дожигания. Средство 8 изменения скорости потока конструктивно может составлять часть реакционной камеры 4 или камеры 5 дожигания. Система 9 окончательной очистки, например в виде скруббера, система 10 улавливания, система 11 нейтрализации и утилизации твердых веществ, а также газовая система 12 3 11790 1 2009.04.30 выхлопа последовательно располагаются после камеры 6 химического связывания и являются стандартными для данной области. Работает устройство следующим образом. Источником 1 рабочего газа служит высокотемпературный газогенератор. Рабочий газ разгоняют в сопле до сверхзвуковых скоростей и направляют в смесительное устройство 3. Система 2 ввода обезвреживаемого вещества обеспечивает подачу в смесительное устройство 3 емкостей с обезвреживаемым веществом, либо ввод его в поток специальным приспособлением по определенному временному закону, либо впрыск обезвреживаемого вещества в поток рабочего газа. В смесительном устройстве 3 перемешивают обезвреживаемое вещество с рабочим газом и направляют в реакционную камеру 4. В реакционной камере 4 поток газа с обезвреживаемым веществом разгоняют, если он не был уже разогнан, до сверхзвуковой скорости при температуре 2500-3500 К за счет изменения геометрических характеристик при соответствующей организации тепломассообменных процессов с прохождением химических реакций, затем в скачках уплотнения переводят поток в область дозвукового течения. При этом в разогнанном до высоких скоростей потоке газа обезвреживаемое вещество в скачках уплотнения разрушается вплоть до молекулярного состояния. После этого поток направляют в камеру 5 дожигания, где он взаимодействует с поступающим в нее окислителем при температуре порядка 2000 К. В камере 5 дожигания поток газа с обезвреживаемым веществом также может быть разогнан до сверхзвуковой скорости и переведен в скачках уплотнения в область дозвукового течения. Из камеры 5 дожигания поток поступает в камеру 6 химического связывания. В зависимости от конкретного химического состава смеси в камеру 6 химического связывания через систему 7 подачи 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 системах 9 и 10, затем газовая фаза отделяется от жидкой и твердой фазы, причем последняя также проходит многозвенную систему 11 нейтрализации и утилизации, а газовая фаза направляется в выхлопную систему 12. Таким образом, полученный технический результат позволяет существенно повысить качество обезвреживания высокотоксичных веществ и обеспечить необходимый для уничтожения химического оружия уровень ЭРУ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4