СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR THERMAL DECONTAMINATION OF CHLORINE-CONTAINING ORGANIC SUBSTANCES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение может быть использовано в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности для переработки или уничтожения жидких или газообразных промышленных отходов, также для утилизации отработанного трансформаторного масла и других хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) на основе полихлорированных бифенилов.
Известно изобретение «Способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления» по патенту РФ №2178117, принимаемое нами за прототип, так как оно является ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению.
5
5
Способ термического обезвреживания ХОВ по патенту заключается в подаче в первую зону трехзонного реактора рабочей смеси, когда в центре потока этой смеси помещают ХОВ, по периферии потока - горючее и по всему сечению потока - кислород, сжигании смеси ХОВ с горючим и кислородом в 1-й зоне реактора при температуре (1900-2900)°С при соотношении (кислород): (ХОВ + горючее), равном (1,05-2,0), давлении (3-8)×10 Па и времени пребывания (2-10) мс. Способ-прототип также включает в себя двухстадийное закаливание продуктов сгорания водой. При этом первое закаливание проводят на границе 1-й и 2-й зон, снижая температуру до (1000-1200)°С в течение менее 1 мс. Выдерживают во второй зоне продукты сгорания в течение (3-5) мс. Второе закаливание проводят на границе 2-й и 3-й зон, снижая в третьей зоне при давлении в (1-3)×10 Па температуру до (130-230)°С в течение (2-3) мс. Выводимую из реактора парогазовую смесь конденсируют, а полученный водный конденсат с абсорбированным хлористым водородом направляют на ректификацию с получением соляной кислоты в виде товарного продукта. Остальные газы доочищают водой и сбрасывают в атмосферу.
Основным недостатком способа-прототипа является сравнительно низкая температура переработки ХОВ в первой зоне реактора, а также размещение ХОВ в центре подаваемого в первую зону реактора потока рабочей смеси, горючего - на его периферии, а кислорода - по всему сечению потока. В результате имеет место неполное сгорание рабочей смеси, а также проскок из первой зоны реактора несгоревших ХОВ во вторую зону реактора. Кроме того, выдерживание во второй зоне продуктов сгорания при температуре до (1000-1200)°С в течение (3-5) мс ведет к обратному синтезу и образованию в качестве продуктов сгорания хлорированных диоксинов и дибензофуранов. Известно (Chemosphere, Vol. 19, NN 1-6, p.p. 305-308, 1989; R.Dumler, H.Thoma, D.Lenour, O.Outziner), что при переработке ХОВ максимальная скорость образования диоксинов и дибензофуранов наблюдается в диапазоне температур (300-800)°С с превышением предельно допустимых концентраций при температурах порядка (200-1200)°С. Кроме того, скорости образования диоксинов сдвигаются в сторону увеличения с ростом температур в указанном диапазоне. А образующиеся диоксины и дибензофураны при взаимодействии с молекулярным хлором и хлористым водородом, появляющимися в процессе сжигания ХОВ, образуют токсичные хлорированные диоксины и дибензофураны. Кроме того, недостатком способа-прототипа является неполная очистка сбросных газов от хлористого водорода.
Вследствие указанных недостатков в составе выхлопа могут присутствовать как продукты неполного сгорания уничтожаемого ХОВ, так и новые токсины вследствие их вторичного синтеза в низкотемпературных зонах.
Целью создания предлагаемого способа термического обезвреживания ХОВ является создание способа полного обезвреживания ХОВ с получением товарного продукта и при выбросе в атмосферу нетоксичных газов.
Техническая задача, поставленная при создании предлагаемого способа, состояла в создании состава рабочей смеси из ХОВ, горючего и окислителя, размещении в подаваемом в реактор потоке рабочей смеси ее компонентов, а так же в разработке параметров режимов переработки ХОВ и выборе веществ, обеспечивающих полную нейтрализацию продуктов переработки ХОВ с получением товарного продукта и исключением токсичных выбросов в атмосферу.
6
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе термического обезвреживания ХОВ осуществляется переработка смеси ХОВ с горючим и окислителем в трехзонном реакторе, включающая подачу в 1-ю зону реактора потока рабочей смеси из ХОВ, горючего и окислителя, когда в центр потока подают ХОВ с горючим в соотношении 1:1 в виде эмульсии или суспензии, а по всему сечению потока - окислитель. Рабочую смесь сжигают в первой зоне при температуре порядка 3500°С, при соотношении (окислитель): (ХОВ + горючее), равном (1-0,8), давлении 10 Па и времени около 1 мс, при избытке окислителя α=0,8. Затем проводят двухстадийное закаливание продуктов сгорания и разложения ХОВ впрыском по окружности внутрь реактора закалочной жидкости в виде водного раствора соды. Первое закаливание проводят в конце первой зоны реактора перед входом в турбулизатор, размещенный между первой и второй зонами реактора, снижая температуру до 1200°С в течение менее 1 мс. Перемешивают продукты сгорания и разложения ХОВ, пар от закалочной жидкости и ее остатки в турбулизаторе. Выдерживают во второй зоне реактора образовавшуюся смесь в течение 3 мс. Второе закаливание проводят на границе 2-й и 3-й зон реактора, снижая в третьей зоне температуру до (130-230)°С в течение (2-3) мс. Отбирают пробы парогазовой смеси для текущего анализа ее состава из третьей зоны реактора. Затем парогазовую смесь из продуктов сгорания и разложения ХОВ, а так же паров от закалочной жидкости выводят из реактора через критическое сопло и конденсируют, а водный конденсат парогазовой смеси нейтрализуют содой. Оставшийся углекислый газ вместе с другими газами, содержащимися в концентрациях, не превышающих предельно допустимых, очищают и сбрасывают в атмосферу.
При термическом обезвреживании ХОВ по предлагаемому способу обеспечивается глубокое окисление и полное разложение ХОВ в первой зоне реактора при температуре 3500°С. Это обеспечивается также и подачей в первую зону реактора потока рабочей смеси, когда в центре потока подают ХОВ с горючим в виде эмульсии или суспензии, а по всему сечению потока - окислитель. Для обеспечения экологической безопасности в качестве окислителя используют кислород, а в качестве горючего - керосин или дизельное топливо. Весь процесс сгорания и разложения ХОВ в первой зоне проводят в течение не более 1 мс, что не позволяет начаться обратному синтезу токсичных диоксинов и дибензофуранов. Закаливание на выходе из первой зоны продуктов сгорания и разложения ХОВ впрыском закалочной жидкости в виде водного раствора соды приводит к снижению их температуры на выходе из первой зоны реактора до 1200°С в течение не более 1 мс, а также позволяет нейтрализовать побочные продукты, образовавшиеся при сгорании и разложении ХОВ. Перемешивание продуктов сгорания и разложения ХОВ с закалочной жидкостью в турбулизаторе приводит к их гомогенному по поперечному сечению составу и температуре. После выдерживания во второй зоне в течение 1 мс образовавшуюся парогазовую смесь закаливают второй раз на границе второй и третьей зон, при этом снижают температуру до (130-230)°С в течение (2-3) мс и выдерживают в третьей зоне до полного испарения закалочной жидкости. Затем парогазовую смесь выводят из реактора через критическое сопло, конденсируют ее, а конденсат нейтрализуют содой. В результате получают раствор хлористого натрия, который извлекают из раствора в качестве товарного продукта. Оставшиеся газы очищают и сбрасывают в атмосферу.
В таблице в массовых долях приведены результаты опытной проверки в Балтийском Государственном Техническом Университете «ВОЕНМЕХ» им. Устинова Д.Ф. работоспособности и эффективности предлагаемого способа термического обезвреживания ХОВ.
Зоны/Вещества
СО
CO<sub>2</sub>
HCl
Cl
1-я зона реактора (до закалки перед турбулизатором)
0.358
0.279
0.0735
0.032
2-я зона реактора (до закалки на границе 2-й и 3-й зон реактора)
0.1545
0.529
7.52×10<sup>-6</sup>
1.42×10<sup>10</sup>
1-я зона реактора
8.43×10<sup>-8</sup>
0.141
2.4×10<sup>-17</sup>
не выявлено
2
Здесь СО - это окись углерода, CO - углекислый газ, HCl - соляная кислота, Cl - хлор.
Из таблицы видно, что предлагаемый способ термического обезвреживания ХОВ работоспособен и обеспечивает высокую эффективность их обезвреживания.
В качестве прототипа устройства для реализации предложенного способа термического обезвреживания ХОВ выбрано устройство по патенту РФ №2178117, так как оно является ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому нами устройству.
Устройство-прототип для термического обезвреживания ХОВ по патенту РФ №2178117 включает трехзонный реактор с рубашкой охлаждения, форсуночную головку в торце реактора для подачи компонентов рабочей смеси. В центре форсуночной головки размещены форсунки для подачи ХОВ, по периферии головки-форсунки для подачи горючего и по всей площади головки-форсунки для подачи кислорода. В реакторе на границе первой и второй зон установлено критическое сопло с форсунками для ввода закалочной жидкости, расположенными вокруг его критического сечения. Форсунки для ввода закалочной жидкости также расположены по окружности боковой стенки реактора на границе между второй и третьей зонами реактора. Выходное отверстие реактора выполнено в виде критического сопла и расположено на противоположном форсуночной головке торце реактора. За выходом из реактора, устройство-прототип, размещены блоки газоразделения и ректификации.
Основными недостатками устройства-прототипа являются следующие:
- возможность прогара стенки первой зоны реактора и части стенки критического сопла, размещенного между первой и второй зонами реактора, на участке до его критического сечения, так как эти стенки находятся под воздействием высокой температуры, а охлаждаются только снаружи водой, пропускаемой по зазору между наружной поверхностью реактора и его рубашкой;
- размещение форсунок для подачи ХОВ в центре форсуночной головки, а форсунок для подачи горючего - по периферии головки, что мешает полному сгоранию ХОВ;
- установка критического сопла между первой и второй зонами реактора с размещением форсунок для ввода закалочной жидкости вокруг критического сечения сопла, что приводит к перемешиванию продуктов сгорания с этой жидкостью только на участке после критического сечения и не обеспечивает создание гомогенной по составу и температуре смеси во второй зоне реактора.
Техническая задача, поставленная при создании устройства для осуществления предлагаемого нами способа термического обезвреживания ХОВ, состояла в разработке средств по увеличению ресурса работы реактора, в разработке порядка размещения в форсуночной головке форсунок для подачи в реактор компонентов рабочей смеси, при котором обеспечивается полное сгорание смеси и разложение ХОВ, а также в создании элемента устройства, обеспечивающего гомогенную по составу и температуре смесь во второй зоне реактора при пониженной по сравнению с первой зоной температуре.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемое нами устройство для осуществления способа термического обезвреживания ХОВ включает в себя трехзонный реактор с рубашкой охлаждения с размещенной в торце реактора форсуночной головкой для подачи в реактор компонентов рабочей смеси. В центре форсуночной головки размещены форсунки для подачи ХОВ в смеси с горючим, по периферии - головки-форсунки для подачи жидкости для охлаждения внутренней поверхности первой зоны реактора и по всей площади - головки-форсунки для подачи окислителя. Для обеспечения экологической безопасности в качестве окислителя используют кислород, а в качестве горючего - керосин или дизельное топливо. В качестве охлаждающей жидкости использована вода. В реакторе на границе первой и второй зон установлен турбулизатор в виде сужающегося тела вращения, который снабжен форсунками для ввода закалочной жидкости, расположенными по окружности на входе в турбулизатор. В частном случае турбулизатор может быть выполнен в виде сужающегося конуса. Форсунки для ввода закалочной жидкости также расположены по окружности боковой стенки реактора на границе между его второй и третьей зонами. Устройства для отбора проб парогазовой смеси для текущего анализа ее состава установлено в третьей зоне реактора. Выходное отверстие реактора выполнено в виде критического сопла и расположено на противоположном форсуночной головке торце реактора. За выходом из реактора устройство содержит блок конденсации выходящей из реактора парогазовой смеси, блок нейтрализации конденсата содой и блок очистки оставшихся газов перед их сбросом в атмосферу.
Устройство работает, и способ обезвреживания в нем ХОВ осуществляется следующим образом.
В первую зону реактора подают поток рабочей смеси через форсуночную головку, размещенную в торце реактора. ХОВ подают в смеси с горючим в виде эмульсии или суспензии через форсунки, размещенные в центре головки. Через расположенные по периферии головки форсунки подают воду для охлаждения внутренней поверхности первой зоны реактора, а через форсунки, расположенные по всей площади головки, подают кислород. Весь процесс сгорания и разложения ХОВ в первой зоне проводят в течение не более 1 мс, что не позволяет начаться обратному синтезу токсичных диоксинов и дибензофуранов. Через форсунки, расположенные по окружности на входе в турбулизатор, выполненный в виде сужающегося тела вращения и установленный между первой и второй зонами реактора, вводят закалочную жидкость в виде водного раствора соды. Закаливание на выходе из первой зоны продуктов сгорания и разложения ХОВ впрыском закалочной жидкости приводит к снижению их температуры на выходе из первой зоны реактора до 1200°С в течение не более 1 мс, а также позволяет нейтрализовать побочные продукты, образовавшиеся при сгорании и разложении ХОВ. Перемешивание продуктов сгорания и разложения ХОВ с закалочной жидкостью, остатками охлаждающей воды и пара от нее в турбулизаторе приводит к их гомогенному по поперечному сечению составу и температуре. После выдерживания во второй зоне в течение 1 мс образовавшуюся парогазовую смесь закаливают второй раз на границе второй и третьей зон, снижают при этом температуру до (130-230)°С в течение (2-3) мс и выдерживают в третьей зоне до полного испарения закалочной жидкости. Затем парогазовую смесь выводят из реактора через критическое сопло, размещенное на противоположном форсуночной головке торце реактора, конденсируют ее в блоке конденсации, а конденсат нейтрализуют содой в блоке нейтрализации. В результате получают раствор хлористого натрия, который извлекают из раствора в качестве товарного продукта. Оставшиеся газы очищают в блоке очистки и сбрасывают в атмосферу в концентрациях, не превышающих предельно допустимые.
Предлагаемое нами устройство для осуществления способа термического обезвреживания ХОВ может быть выполнено в стационарном или мобильном вариантах. При реализации в мобильном варианте устройство может доставляться к местам складирования ХОВ на транспортных средствах и осуществлять там переработку ХОВ. При этом устройство дополнительно комплектуется сливной емкостью под нетоксичные продукты и автотанком с окислителем. Разработанное в соответствии с вышеизложенным в Балтийском Государственном Техническом Университете «ВОЕНМЕХ» им. Устинова Д.Ф. опытное устройство для осуществления способа термического обезвреживания ХОВ подтвердило свою работоспособность и высокую эффективность реализуемого им способа термического обезвреживания ХОВ с полным обезвреживанием ХОВ и получением товарного продукта в виде хлористого натрия при сбросе в атмосферу нетоксичных газов.