Установка по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива
PLANT ON THERMAL NEUTRALISATION OF VAPORS AND INDUSTRIAL WASTES OF PROPELLANT COMPONENTS

Изобретение относится к установкам по термической нейтрализации газообразных и жидких экологически опасных веществ, прежде всего паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива, например несимметричного диметилгидразина, тетраоксида диазота и др.
Известно, что несимметричный диметилгидразин (гептил) является ракетным горючим, обладающим хорошими энергетическими возможностями и может храниться в топливных баках готовой к пуску ракеты до 20 лет. В качестве окислителя в ракетных двигателях используется азотный тетраоксид (тетраоксид диазот) - летучая жидкость желтого или красного цвета с резким запахом. В то же время несимметричный диметилгидразин и тетраоксид диазот являются высокотоксичными веществами 1-го класса опасности. Всемирной организацией здравоохранения эти вещества внесены в список особо опасных химических соединений (Лопырев В.А. Новые пути утилизации высокотоксичного компонента ракетного топлива - 1,1-диметилгидразина // В.А. Лопырев, Г.В. Долгушин, Б.М. Ласкин // Рос. хим. журнал. - 2001. - Т. XLV, №5-6. - С. 149-156.)
Известен способ нейтрализации (деструкции) гептила с помощью биопрепаратов, основанных на микроорганизмах, выделенных из природных сред. Предлагается для деструкции гептила использовать ассоциативные культуры, выделенные из пропитанных гептилом или нефтепродуктами почв, а также из почв, в которые вносили органические удобрения (навоз или компосты на основе растительных отходов), а также биопрепарат, созданный на основе этой культуры (Патент РФ №2174553, от 10.10.2001). Однако данный способ может быть применен только для нейтрализации небольших количеств компонентов ракетного топлива.
Известен способ термического уничтожения невыработанных остатков жидких компонентов ракетных топлив в отработанных ступенях жидкостных ракет (Патент РФ №2196081, опубл. от 10.01.2003). Однако данный способ термической нейтрализации компонентов ракетного топлива может быть применен только непосредственно на ракетах-носителях на этапе спуска ступени ракеты после ее входа в атмосферу при ориентации двигательным отсеком вперед и притока остатков компонентов топлива к заборным устройствам топливных баков.
Известна циклонная топка для сжигания жидких и мелкодисперсных сред, включающая в себя горизонтальную цилиндрическую футерованную камеру сгорания с воздушной рубашкой, воздух в которую подается через тангенциально присоединенный патрубок, внутреннюю цилиндрическую вставку с выходным окном, образующей с боковой поверхностью камеры сгорания кольцевой канал, и горелочное устройство (А.с. №1218245, опубл. от 15.03.86. Бюл. №10). Однако данная циклонная топка предназначена для сжигания жидких и мелкодисперсных сред и не может быть использована для сжигания паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Известно устройство установки контейнерного типа для термической нейтрализации газообразных, жидких и твердых экологически опасных веществ (например, попутного нефтяного газа и нефтяных отходов бурения), содержащее расположенные в контейнере футерованную циклонную камеру сжигания, усеченную в виде конуса в задней части, с воздушной рубашкой охлаждения и вентилятором, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения, горелку поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, расположенную в передней торцевой части циклонной камеры сжигания, емкость для хранения углеводородного топлива (например, керосин или дизельное топливо) и дымовую трубу (Патент РФ №2484374, опубл. от 10.06.2013. Бюл. №16). Однако данная установка не может быть использована для сжигания паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива, поскольку не имеет устройства для окончательной очистки уходящих газов от сжигания паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в возможности повышения эффективности сжигания паров или промышленных стоков компонентов ракетного топлива за счет организации более качественного процесса горения, повышения экологической чистоты при нейтрализации различных видов компонентов ракетного топлива газа за счет очистки уходящих газов продуктов сгорания от вредных компонентов путем их взаимодействия с химически активными реагентами, а также повышения экономической эффективности установки за счет снижения расхода основного углеводородного топлива.
Для достижения данного технического результата установка по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива, содержащая расположенные в контейнере футерованную циклонную камеру сжигания, выполненную в виде горизонтального цилиндра с задней частью в виде конуса, с воздушной рубашкой охлаждения и вентилятором, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения циклонной камеры, горелку поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, расположенную в передней торцевой части циклонной камеры сжигания, емкость для хранения углеводородного топлива (например, керосин или дизельное топливо) и дымовую трубу, снабжена второй горелкой для поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, запальной горелкой с использованием углеводородного топлива, футерованной камерой нейтрализации с воздушной рубашкой охлаждения и вентилятором, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения камеры нейтрализации, компрессором для производства сжатого воздуха, емкостью для хранения карбамида, дозаторной емкостью для приготовления водного раствора карбамида, линией подачи водного раствора карбамида в циклонную камеру сжигания с насосом, форсункой подачи водного раствора карбамида, установленной в конусной части циклонной камеры сгорания, при этом камера нейтрализации соединена в своей боковой части с конусной частью циклонной камеры сжигания и в верхней части с дымовой трубой, первая и вторая горелки поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива размещены на разных уровнях, в верхней и в нижней частях торцевой поверхности циклонной камеры сжигания, и снабжены линиями подачи сжатого воздуха, запальная горелка с использованием углеводородного топлива размещена в нижней части циклонной камеры сжигания, а в центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания установлена цилиндрическая вставка, содержащая тангенциально установленный штуцер для подсоединения линии подачи смеси паров компонентов ракетного топлива и сжатого воздуха, форсунку для подачи жидких промышленных стоков компонентов ракетного топлива с подсоединенной к ней линией сжатого воздуха и завихритель смеси компонентов ракетного топлива со сжатым воздухом перед их поступлением в циклонную камеру сжигания.
Введение в состав установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива двух горелок для поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, расположенных на разных уровнях торцевой поверхности циклонной камеры сжигания, футерованной камеры нейтрализации, соединенной в своей боковой части с конусной частью циклонной камеры сжигания и в верхней части с дымовой трубой, емкости для хранения карбамида, дозаторной емкости для приготовления водного раствора карбамида, линии подачи водного раствора карбамида с форсункой, установленной в конусной части циклонной камеры сгорания, цилиндрической вставки, установленной в центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания и содержащей тангенциально установленный штуцер для подсоединения линии подачи смеси паров компонентов ракетного топлива и сжатого воздуха, форсунку для подачи жидких промышленных стоков компонентов ракетного топлива с подсоединенной к ней линией сжатого воздуха и завихритель смеси компонентов ракетного топлива со сжатым воздухом перед их поступлением в циклонную камеру сжигания, компрессора для производства сжатого воздуха и линий подачи сжатого воздуха ко всем форсункам позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности повышения эффективности и полноты сжиганий паров или промышленных стоков несимметричного диметилгидразина и тетраоксида диазота за счет применения оригинальной конструкции цилиндрической вставки, установленной в центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания, выполняющей роль комбинированной форсунки для подготовки смеси паров и жидких промстоков компонентов ракетного топлива со сжатым воздухом и обеспечивающей распыление утилизируемых опасных веществ и их тангенциальное, вращательное, движение в циклонной камере сгорания, а также за счет более равномерного и качественного сжигания компонентов ракетного топлива в объеме циклонной камеры сгорания при использовании нескольких горелок на разных уровнях циклонной камеры, повышении экологической чистоты при нейтрализации различных видов компонентов ракетного топлива газа за счет очистки уходящих газов продуктов сгорания от вредных компонентов (в частности, от окислов азота) путем их взаимодействия с химически активными реагентами (например, карбамидом) в камере нейтрализации, а также в повышении энергетической и экономической эффективности установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива за счет снижения расхода основного углеводородного топлива и обеспечения условий для использования утилизируемых компонентов ракетного топлива в качестве дополнительного вида топлива.
На фиг. 1 изображена установка по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Установка по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива содержит футерованную циклонную камеру сжигания 1, выполненную в виде горизонтального цилиндра с задней частью в виде конуса, с воздушной рубашкой охлаждения 2 и вентилятором 3, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения 2 циклонной камеры 1, горелку 4 для поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, установленную в верхней части торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1, горелку 5 для поддержания стабильности процесса горения с использованием углеводородного топлива, установленную в нижней части торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1, запальную горелку 6 с использованием углеводородного топлива, размещенную в нижней части циклонной камеры сжигания 1.
В центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1 установлена цилиндрическая вставка 7, содержащая тангенциально установленный штуцер 8 для подсоединения линии подачи смеси паров компонентов ракетного топлива и воздуха 9, форсунку 10 для подачи промышленных стоков компонентов ракетного топлива в камеру 1 с подсоединенной к ней линией сжатого воздуха 11 и завихритель 12 смеси компонентов ракетного топлива со сжатым воздухом перед их поступлением в циклонную камеру сжигания 1.
В состав установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива также входит футерованная камера нейтрализации 13 с воздушной рубашкой охлаждения 14 и вентилятором 15, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения 14 камеры нейтрализации 13, компрессор для производства сжатого воздуха 44, емкость для хранения карбамида 16, дозаторная емкость для приготовления водного раствора карбамида 17, линия 18 подачи водного раствора карбамида в циклонную камеру сжигания 1 с насосом 19 и форсункой 20, установленной в конусной части циклонной камеры сгорания 1, при этом камера нейтрализации 13 соединена в своей боковой части с конусной частью циклонной камеры сжигания 1 и в верхней части с дымовой трубой 21, емкость 22 для хранения углеводородного топлива (например, дизельного топлива) с насосом 33 и линиями подачи углеводородного топлива 23, 24, и 25 соответственно в горелки 6, 5 и 4, емкость 26 для хранения жидких промышленных стоков компонентов ракетного топлива с насосом 34 и линией подачи промышленных стоков 27 к форсунке 10, линия подачи паров компонентов ракетного топлива 28, подсоединяющаяся к штуцеру 8, линия подачи сжатого воздуха 29, подсоединенная к линии 18 подачи водного раствора карбамида, линия подачи сжатого воздуха 30, подсоединенная к линии подачи углеводородного топлива 25, линия подачи сжатого воздуха 31, подсоединенная к линии подачи углеводородного топлива 24, линия подачи сжатого воздуха 32, подсоединенная к линии подачи паров компонентов ракетного топлива 28. Линии 23, 24, 25, 29, 30, 11, 31, 32 снабжены запорно-регулирующей арматурой (например, вентили, задвижки, клапана и т.д.) соответственно 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 и 42. Заправка дозаторной емкости для приготовления водного раствора карбамида 17 необходимым количеством воды осуществляется по линии подачи воды 43. Все оборудование установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива может быть размещено в стандартном контейнере заводского изготовления (на фиг. 1 не показан), размеры которого зависят от мощности установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Установка по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива работает следующим образом.
Перед началом работы футеровки циклонной камеры сжигания 1 и камеры нейтрализации 13 должны быть просушены за счет работы горелок 4 и 5. Для этого первоначально зажигается запальная горелка 6 за счет подачи углеводородного топлива (например, дизельного топлива) из емкости 22 с помощью насоса 33 в линию подачи топлива 23 при открытом вентиле 35. Затем осуществляется подача углеводородного топлива из емкости 22 с помощью насоса 33 в линии подачи топлива 24 и 25 при открытых вентилях 36 и 37 непосредственно в горелки 5 и 4. Для качественного распыления топлива к линиям подачи топлива 24 и 25 подсоединены линии подачи сжатого воздуха 31 и 30, в которые сжатый воздух за счет компрессора 44 нагнетается через открытые вентиля 41 и 39. От запальной горелки 6 в камере сжигания 1 загорается мелкодисперсная смесь углеводородного топлива и сжатого воздуха, подаваемая горелками 4 и 5.
Подъем температуры в камере сжигания 1 идет до величины порядка 1000°C, после которой установка переходит на рабочий режим по сжиганию паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива. В установке могут быть реализованы различные режимы работы: сжигание только паров компонентов ракетного топлива, сжигание только промышленных стоков компонентов ракетного топлива и одновременное сжигание паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Для сжигания паров компонентов ракетного топлива пары компонентов ракетного топлива по линии подачи паров 28 смешиваются со сжатым воздухом, поступающим из компрессора 44 по линии 32 через открытый вентиль 42, после этого смесь паров компонентов ракетного топлива и воздуха по линии 9 под давлением поступает в тангенциально установленный штуцер 8 на цилиндрической вставке 7, размещенной в центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1. За счет тангенциального вращения и давления смесь паров компонентов ракетного топлива и воздуха начинает вращательное движение внутри вставки 7, которое усиливается за счет завихрителя 12 при поступлении смеси в циклонную камеру сжигания 1.
Для сжигания промышленных стоков компонентов ракетного топлива промышленные стоки компонентов ракетного топлива из емкости 26 с помощью насоса 34 поступают в линию подачи промышленных стоков 27 к форсунке 10, установленной в цилиндрической вставке 7, размещенной в центре торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1. В форсунке 10 промстоки компонентов ракетного топлива смешиваются со сжатым воздухом, поступающим из компрессора 44 по линии 11 через открытый вентиль 40, после этого смесь промышленных стоков компонентов ракетного топлива и воздуха закручивается в завихрителе 12 и поступает в циклонную камеру сжигания 1.
За счет размещения горелок 4 и 5 на разных уровнях торцевой поверхности циклонной камеры сжигания 1 процесс горения вращающейся смеси воздуха с парами и промстоками компонентов ракетного топлива происходит более равномерно и качественно.
Более того, поскольку компоненты ракетного топлива сами являются топливом, то есть могут гореть при высокой температуре и качественном смешении с необходимым количеством воздуха, то при выходе установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива на рабочие режимы можно значительно снизить количество расходуемого углеводородного топлива, проходящего через горелки 4 и 5. В рабочим режиме горелки 4 и 5 используются только для поддержания стабильности процесса горения в камере 1. Это приводит к повышению энергетической и экономической эффективности установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива.
Для более глубокой очистки уходящих газов продуктов сгорания от вредных компонентов (в частности, от окислов азота) уходящие газы обрабатывают водным раствором карбамида. Для хранения и подготовки водного раствора карбамида предусмотрена емкость хранения карбамида 16 и дозаторная емкость для приготовления водного раствора карбамида 17, из которой по линии 18 с помощью насоса 19 осуществляется подачи водного раствора карбамида в форсунку 20, установленную в конусной части циклонной камеры сгорания 1. Вода для подготовки водного раствора карбамида в емкость 17 поступает по линии 43.
Для качественного распыления водного раствора карбамида к линии подачи водного раствора карбамида 18 перед форсункой 20 присоединена линия подачи сжатого воздуха 29, по которой через открытый вентиль 38 из компрессора 44 поступает воздух под давлением, необходимым для распыления водного раствора карбамида в форсунке 20.
За счет конусного сужения циклонной камеры сгорания 1 уходящие газы от горения компонентов ракетного топлива уплотняются, перемешиваются с распылением водного раствора карбамида и поступают в футерованную камеру нейтрализации 13. В камере нейтрализации 13 при высокой температуре уходящие газы от горения компонентов ракетного топлива активно вступают в химическую реакцию с распыленным раствором карбамида, в результате которой очищаются от вредных веществ (например, окислов азота).
Поскольку процесс горения и нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива в циклонной камере сжигания 1 и камере нейтрализации 13 происходят при высокой температуре, камера сжигания 1 имеет воздушную рубашку охлаждения 2 с вентилятором 3, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения 2 циклонной камеры 1, а камера нейтрализации 13 имеет воздушную рубашку охлаждения 14 с вентилятором 15, подающим атмосферный воздух в рубашку охлаждения 14 камеры нейтрализации 13.
После очистки в камере нейтрализации 13 уходящие газы от горения компонентов ракетного топлива удаляются через дымовую трубу 21 в окружающую среду.
Все оборудование установки по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива может быть размещено в стандартном 40-фунтовом контейнере (на фиг. 1 не показан), что делает возможным устанавливать контейнер на любое транспортное средство (например, автомобильный трейлер-полуприцеп, железнодорожную платформу и т.д.) и делает установку по термической нейтрализации паров и промышленных стоков компонентов ракетного топлива мобильной.
Источники информации
1. Лопырев В.А. Новые пути утилизации высокотоксичного компонента ракетного топлива - 1,1-диметилгидразина // В.А. Лопырев, Г.В. Долгушин, Б.М. Ласкин // Рос. хим. журнал. - 2001. - T. XLV, №5-6. - С. 149-156.
2. Патент РФ №2174553, опубл. от 10.10.2001.
3. Патент РФ №2196081, опубл. от 10.01.2003.
4. А.с. №1218245, опубл. от 15.03.86. Бюл. №10.
5. Патент РФ №2484374, опубл. от 10.06.2013. Бюл. №16 - прототип.