СПОСОБ ДОЖИГАНИЯ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
AFTERBURNING METHOD OF INCOMPLETE COMBUSTION PRODUCTS AT UTILISATION OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области уничтожения и утилизации ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) путем сжигания зарядов твердого ракетного топлива (ТРТ), и в частности к способам утилизации зарядов ТРТ на стационарных стендовых установках.
Известен способ, реализованный на стендовой установке, позволяющей сжигать заряды ТРТ непосредственно в корпусе РДТТ. Установка представляет собой вертикально ориентированный стенд упорного типа, на котором заряд в корпусе размещается выходным отверстием вверх [1].
Недостатком данного способа является реализация расчетных параметров РДТТ (расход, температура, давление, длина факела), которые, как правило, велики, что приводит к невозможности использования существующих систем дожигания и очистки продуктов сгорания.
2
Известен способ, в соответствии с которым во время сжигания заряда ТРТ высокотемпературные продукты сгорания направляют внутрь газохода с защитным кожухом из теплоемкого материала для частичного охлаждения. Далее продукты сгорания накапливают в газовых емкостях, частично нейтрализуют за счет подачи химических реагентов и на последнем этапе очистки дожигают продукты неполного сгорания атмосферным воздухом до СО и воды путем регулируемого выпуска в блок дожигания [2].
Недостатками этого способа являются потребность в больших накопителях продуктов сгорания, объемы которых для сжигания крупногабаритных зарядов могут достигать тысяч кубометров, а также сохранение в течение достаточно длительного времени продуктов неполного сгорания совместно с хлоросодержащими продуктами, что повышает вероятность образования диоксинов и фуразанов. Уничтожение этих веществ при обычном факельном дожигании воздухом может быть только частичным.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ, в соответствии с которым дожигание продуктов неполного сгорания осуществляют непосредственно после их выхода из РДТТ в смесительную камеру большого удлинения путем подачи воздуха под давлением равномерно по периметру смесительной камеры в области сопловой части РДТТ, который закреплен на конце смесительной камеры с сопловой частью внутри смесительной камеры. Смесительную камеру снабжают турбулизирующим выходным соплом для лучшего перемешивания продуктов сгорания с воздухом [3].
3
Недостатком принятого за прототип способа является ограниченность его возможностей по характеристикам уничтожаемых РДТТ, поскольку подача воздуха в качестве окислительного флюида с расходами, в два раза большими, чем расход продуктов сгорания из РДТТ, потребует либо исключительно больших мощностей компрессоров, либо исключительно больших накопительных емкостей в сочетании с компрессорами меньшей мощности. Например, для обеспечения воздухом дожигания продуктов сгорания заряда ТРТ массой 25000 кг необходимо иметь 48496 кг воздуха или 40360 нм при коэффициенте избытка воздуха 1,1. Увеличенный в несколько раз суммарный расход газов требует повышения размеров проходных сечений проточных трактов на всем пути от РДТТ до выхода в атмосферу, что приводит к существенному увеличению габаритов сооружений для размещения установки и капитальных затрат на строительство.
Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, являлась разработка способа дожигания продуктов неполного сгорания твердого топлива на закрытом стенде с упрощенной инфраструктурой подачи окислителя дожигания, ограничением прироста объемов газов, регулированием температуры продуктов полного сгорания и съемом тепла продуктов полного сгорания для полезного применения.
2
3
2
3
Решение поставленной технической задачи было достигнуто тем, что в способе дожигания продуктов неполного сгорания при утилизации ракетных двигателей твердого топлива путем сжигания на стенде, включающем закрепление ракетного двигателя твердого топлива сопловой частью внутрь конца смесительной камеры большого удлинения, воспламенение двигателя и подачу текучего окислительного материала в смесительную камеру во время горения твердого ракетного топлива равномерно по периметру смесительной камеры в зоне расположения сопловой части ракетного двигателя твердого топлива с интенсификацией смешения газодинамическими средствами, закрепляют ракетный двигатель твердого топлива сопловой частью вверх и внутрь нижнего конца вертикальной смесительной камеры большого удлинения, снабженной питателями ввода текучего твердого зернистого окислительного материала многоразового действия внутрь смесительной камеры равномерно по ее периметру вблизи сопловой части двигателя, после воспламенения двигателя выносят струей продуктов сгорания из сопла зерна текучего твердого окислительного материала многоразового действия в газовый поток в смесительной камере большого удлинения, турбулизацией и взаимодействиями двух фаз в восходящем псевдоожиженном потоке в качестве газодинамических средств интенсифицируют смешение, нагрев зерен текучего твердого окислительного материала до рабочей температуры химических реакций с продуктами неполного сгорания и химические реакции дожигания в смесительной камере большого удлинения, отделяют на выходе из смесительной камеры большого удлинения дезактивированные зерна окислительного материала с отводом их без контакта с воздухом в утилизатор тепловой энергии с регенератором и направляют полностью окисленные и охлажденные продукты сгорания по назначению. Дезактивированные зерна текучего твердого окислительного материала многоразового действия отделяют с помощью отбойника. Текучий твердый зернистый окислительный материал многоразового действия приготовляют на основе оксидов металлов NiO, CuO, FеО, СоO или их смесей. Регенерацию дезактивированного текучего твердого зернистого окислительного материала многоразового действия выполняют путем контролируемого окисления воздухом при температуре до 1000°С. Текучий твердый зернистый окислительный материал многоразового действия приготовляют на основе перекисных соединений щелочноземельных металлов. Текучий твердый зернистый окислительный материал многоразового действия приготовляют на основе нитратов щелочных и щелочноземельных металлов.
Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого способа показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:
- устанавливают вертикально смесительную камеру большого удлинения с питателями ввода текучего твердого зернистого окислительного материала многоразового действия внутрь камеры равномерно по ее периметру вблизи сопловой части двигателя;
- выносят струей продуктов сгорания из сопла зерна текучего твердого окислительного материала в газовый поток в смесительной камере;
- турбулизацией и взаимодействиями двух фаз в восходящем псевдоожиженном потоке в качестве газодинамических средств интенсифицируют смешение, нагрев зерен текучего твердого окислительного материала до рабочей температуры химических реакций с продуктами неполного сгорания и химические реакции дожигания в смесительной камере;
- отделяют на выходе из смесительной камеры дезактивированные зерна текучего твердого окислительного материала с отводом их без контакта с воздухом в утилизатор тепловой энергии с регенератором.
Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения чертежа, который представляет общую схему установки утилизации ТРТ сжиганием РДТТ с реализацией предлагаемого способа.
3
2
За основу механизма действия смесительной камеры принят процесс, имеющий место в стояке реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем. В этих реакторах вертикально установленный газоход пневмотранспорта, или стояк, или подъемная камера, является частью, в которой нормально происходят химические реакции. Реакторы такого типа широко используется во многих промышленных процессах, например для процессов крекинга, сжигания и газогенерации. При реакциях сжигания и газогенерации типично применяют твердую фазу с размерами частиц 100-300 мкм и плотностью 1800-2600 кг/м (группа В), например песок. Используемые горючие включают уголь, нефтяной кокс, биомассы и различные муниципальные отходы. Реакции конверсии различных горючих имеют свои собственные характеристики, которые накладывают свои требования на организацию процесса. В любом случае время, температура и турбулентность считаются тремя основными факторами для высокой полноты химической реакции. Сущность работы стояка реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем заключается в том, что несущий газ, поступающий из сопла в донную часть стояка, захватывает частицы из расположенных несколько выше сопла питателей и уносит их вверх в виде газодисперсного потока с плотностью тока твердой фазы 5-100 кг/м·с. Интенсивные процессы столкновения обеспечивают обмен энергией в стояке и подвод адекватной энергии к частицам. Высокую степень перемешивания газовой и твердой фаз в стояках реакторов с циркулирующим псевдоожиженным слоем обеспечивает турбулентность, которая необходима для высокой полноты превращения. Выбор геометрии стояка применительно к конкретным условиям позволяет повысить полноту прохождения химической реакции.
Дожигание продуктов неполного сгорания может быть осуществлено восстанавливаемыми оксидами металлов и веществами, выделяющими кислород при нагревании.
Процессы окисления газообразных горючих веществ восстанавливаемыми твердыми оксидами металлов известны. В качестве примеров приведены реакции твердого оксида никеля NiO с типичными продуктами неполного сгорания - метаном, оксидом углерода и водородом:
4
2
2
СН+4NiO↔СО+2НO+4Ni;
2
CO+NiO↔CO+Ni;
2
2
H+NiO↔HO+Ni.
Смещение обратимых реакций в сторону образования продуктов окисления обеспечивается подбором условий реакций по температуре и давлению. В книге С.В. Дигонского "Теоретические основы и технология восстановительной плавки металлов из неокускованного сырья", СПб.: Наука, 2007, 322 с., представлена классификация восстановительных процессов по агрегатному состоянию компонентов, а также дан обзор исследований по механизмам протекания реакций восстановления. Показано, что взаимодействие между веществами, находящимися в твердом и газообразном состояниях, может быть эффективным в случае образования продукта реакции в жидком или газообразном состоянии и вывода его из зоны реакции. При образовании продукта реакции в твердом виде ее течение осложняется процессом диффузии через твердое вещество. Применение твердых оксидов металлов в качестве носителей кислорода с развитой поверхностью несколько компенсирует этот недостаток. Термодинамическая осуществимость процессов с участием газовых фаз при нормальном давлении оценивается по знаку изменения энергии Гиббса при рабочих температурах соответствующих реакций.
В способе дожигания продуктов неполного сгорания высокотемпературной газовой струи вводимый холодный текучий твердый окислительный материал служит для снижения температуры струи до рабочей температуры окислительного материала, рассеивания струи по сечению камеры, снижения скорости газа и повышения температуры текучего твердого окислительного материала до его рабочей температуры. Степень снижения температуры конечных продуктов сгорания и дезактивированного текучего твердого окислительного материала на выходе из смесительной камеры определяет величину аккумулированной тепловой энергии в утилизаторе тепловой энергии. Чем выше температура газообразных продуктов сгорания, тем меньше аккумулированной тепловой энергии может быть получено для полезного использования в качестве вторичного ресурса. Однако снижение температуры двухфазной смеси на выходе из смесительной камеры ограничивают уровнем, обеспечивающим надежную работу теплоприемных устройств типа парогенераторов и водонагревателей. Снижение температуры достигают путем увеличения расхода текучего твердого окислительного материала при снижении в нем концентрации активных компонентов или использованием смеси текучего твердого окислительного материала с инертным теплостойким зернистым материалом. В приведенных ниже таблицах 1, 2 и 3 даны свойства наиболее приемлемых активных компонентов как основы для текучих твердых окислительных материалов.
Предлагаемый способ является наиболее эффективным при утилизации РДТТ на баллиститных твердых топливах, в которых отсутствует перхлорат аммония (ПХА).
Таблица 1
Свойства наиболее приемлемых оксидов металлов в качестве основы для текучих твердых окислительных материалов
Продукт**
Плотность,г/см<sup>3</sup>
Рабочая температура, °С
Температура плавления, °С
Содержание активного кислорода*, %
Fе<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/Fе<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
5,24
800-1000
1565/1597
3,3
Мn<sub>3</sub>O<sub>4</sub>/МnО
4,856
800-1000
1562/1842
7
CuO/Cu
6,40
800-1000
1446/1085
20
NiO/Ni
7,45
800-1000
1955/1455
21,4
*) Расчетное содержание активного кислорода для окислительно-восстановительных реакций.
**) В числителе активный оксид, в знаменателе - дезактивированный материал.
Таблица 2
Основные свойства приемлемых пероксидов щелочноземельных металлов в качестве основы для текучих твердых окислительных материалов
Продукт
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Температура плавления, °С
Температура разложения, °С
Содержание кислорода**, %
ВаO<sub>2</sub>
4,96
450
>600
9,45
СаО<sub>3</sub>
2,91
200
366
22,2
MgO<sub>2</sub>
3,00
223
350
28,5
ZnO<sub>2</sub>
1,57
150, разл.
150
16,4
NaPC*
1,00-1,17***
-
>50
13,0 мин
*) NaPC=2Nа<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>·3Н<sub>2</sub>О<sub>2</sub>, FB, фирма Solvay Chemicals, Inc.=перкарбонат натрия.
**) Расчетное содержание свободного кислорода при полном разложении.
***) Насыпная плотность.
Класс опасности всех продуктов 5.1.
Таблица 3
Основные свойства приемлемых нитратов щелочных и щелочноземельных металлов в качестве основы для текучих твердых окислительных материалов
Продукт
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Температура плавления, °С
Температура разложения, °С
Содержание кислорода, %
NaNO<sub>3</sub>
2,257
306,8
380
17,5
KNO<sub>3</sub>
2,109
336
400
31,6
Са(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
2,36
561
-
48,75
Mg(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O
1,464
95
-
31,2
*) Расчетное содержание свободного кислорода без образования оксидов азота.
В случае ТРТ на основе ПХА текучий твердый окислительный материал включает дополнительно в системе связующего высокотемпературный сорбент НСl. Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, остающиеся после выделения кислорода из перекисных и нитратных соединений, являются пригодными сорбентами.
Применительно к РДТТ малой тяги с расходом продуктов сгорания до 0,5 кг/с расход текучего окислительного материала находят по уравнению теплового баланса при заданной средней температуре в конце нагрева, являющейся рабочей температурой для осуществления окислительно-восстановительных реакций, например 950°С, и температуре продуктов сгорания на выходе из РДТТ, например 2500°С.
при средней удельной
теплоемкости продуктов сгорания  и средней удельной теплоемкости текучего твердого окислительного материала
s
s
2
2
2
Для стояков и газоходов реакторов с циркулирующим псевдоожиженным слоем плотность тока твердой фазы задают в диапазоне G=5-100 кг/м·с. Например, при значении G=10 кг/м·с площадь сечения стояка будет равна S=0,16315 м, что соответствует диаметру стояка D=0,456 м. В этом случае приведенная скорость газа с температурой около 1000°С будет составлять 9,92 м/с.
Время прогрева частиц до равновесной температуры может быть оценено по значению критерия Фурье при критерии Био Bi→∞
для шара, где а - температуропроводность, τ - время, r - радиус шара.
-6
2
-4
Для NiO a=1,11·10 м/с. Если r=2·10м, то τ=0,018 c.
При бессопловом сжигании типичного твердого топлива в составе продуктов сгорания содержится в расчете на 1 кг топлива 0,0293 кг водорода и 0,2879 кг СО. Для дожигания этих количеств веществ потребуются
2
2
2
2
Н+0,5O=НО   0,1172 кг O/кг топлива
2
2
2
СО+0,5O=СO   0,0823 кг O/кг топлива
и суммарно на 0,5 кг/с топлива потребуется около 0,1 кг/с кислорода.
Полученный расход текучего твердого окислительного материала 1,6315 кг/с с возможностью отдачи кислорода, например, 15% масс. дает располагаемый расход кислорода 0,2447 кг/с, что более чем в два раза превышает стехиометрическую потребность.
При меньшей температуре входящих в смесительную камеру продуктов сгорания может быть задана меньшая температура подогрева, поскольку в оценочном расчете взят условно верхний предел. Носители кислорода работоспособны и при более низких температурах.
Как показано на чертеже, устройство для реализации предложенного способа содержит раму 1, к которой снизу крепится утилизируемый РДТТ 2 с воспламенителем (не показан), а сверху корпус коллектора питателей 3. Внутрь корпуса коллектора питателей 3 по его оси введена смесительная камера большого удлинения 4. Донная часть корпуса коллектора 3 и нижняя часть смесительной камеры 4 образуют щелевые или перфорированные каналы питателей 5 ввода текучего твердого зернистого окислительного материала равномерно по периметру смесительной камеры. Высота щели или перфорации задает высоту исходного слоя зернистого материала внутри смесительной камеры для контакта с зоной рециркуляции газовой струи. Утилизируемый РДТТ 2 крепится к раме 1 с помощью кольца 6 и стяжных болтов 7. Над верхним открытым срезом смесительной камеры 4 закреплен отбойник 8, закрытый кожухом 9 с приемником 10 дезактивированного текучего твердого окислительного материала. Верхнее днище кожуха 9 на смесительной камере 4 снабжено отводной трубой 11. Приемник с помощью закрытой трубы сообщен с утилизатором тепловой энергии с регенератором (не показан). Избыточное давление в смесительной камере исключает попадание наружного воздуха в приемник и закрытую трубу к утилизатору тепловой энергии с регенератором.
При осуществлении утилизации ракетного двигателя на твердом топливе по предлагаемому способу подготовленный РДТТ со снятым раструбом сопла закрепляют снизу на раме 1 с помощью кольца 6 и стяжных болтов 7. Открытое сечение сопловой части РДТТ закрывают защитной мембраной (не показана). Корпус коллектора питателей 3 соединяют с источником (не показан) подачи текучего твердого зернистого окислительного материала, например на основе оксида никеля. Заполняют текучим твердым зернистым окислительным материалом полость коллектора питателей с выходом зерен через щелевые или перфорированные каналы питателей 5 внутрь смесительной камеры, ограниченным углом естественного откоса.
После проверки готовности всех систем установки к проведению утилизации подают команду на воспламенитель РДТТ. Образующиеся продукты сгорания выбрасывают защитную мембрану (не показана) и начинают поступать в смесительную камеру. За счет расширения газов на уступе между диаметром выхода струи и диаметром смесительной камеры образуют зону рециркуляции газа с пониженным давлением на поверхности слоя в виде усеченного конуса из зерен твердого текучего окислительного материала. В газовый рециркуляционный вихрь вовлекают зерна твердого текучего окислительного материала и выносят их в газовый поток в смесительной камере 4. При восходящем движении в смесительной камере зерна твердого текучего окислительного материала нагреваются за счет теплообмена с продуктами сгорания и приобретают химическую активность. Химическая активность проявляется в виде способности к твердофазным реакциям восстановления газообразными горючими либо в виде выделения высокоактивного кислорода. В результате реакций продуктов неполного сгорания твердого ракетного топлива с зернами твердого текучего окислительного материала происходит окисление продуктов неполного сгорания до конечных продуктов в виде углекислого газа и воды и дезактивация зерен твердого текучего окислительного материала, например, до твердого металла типа никеля или стойких оксидов металлов типа оксида кальция. Процесс нагрева и химической реакции интенсифицируется за счет разности скоростей твердых зерен и газа, взаимодействий зерен между собой, а также турбулизации потока смеси в смесительной камере, что приводит к высокой полноте дожигания. Процесс дожигания продуктов неполного сгорания заканчивается на верхнем срезе смесительной камеры. С помощью отбойника 8 изменяют направление движения твердых зерен дезактивированного текучего твердого окислительного материала с восходящего под действием потока газа на нисходящее под действием сил тяжести в кольцевую полость приемника 10.
За отбойником газообразные продукты сгорания поступают в отводную трубу 11, через которую их выводят либо в атмосферу, либо в очистные агрегаты для удаления агрессивных примесей. Объемные расходы продуктов сгорания при таком дожигании не увеличиваются, так что очистные агрегаты рассчитывают только на объемы газов по расходу продуктов сгорания из РДТТ.
Дезактивированные зерна текучего твердого окислительного материала из приемника 11 направляют на утилизацию тепловой энергии и регенерацию. Регенерация заключается либо в контролируемом окислении воздухом металлической части зерен текучего твердого окислительного материала, либо в химическом превращении стойких оксидов обратно в перекисные соединения или нитраты.
Дезактивированные зерна текучего твердого окислительного материала на основе оксидов металлов обладают пирофорностью после десорбции продуктов сгорания. Поэтому транспортировку и загрузку их в утилизатор тепловой энергии и регенератор проводят в нейтральной атмосфере. Возможна пассивация зерен путем частичного окисления с помощью пропускания через слой нейтрального газа с небольшой примесью кислорода. Пассивация возможна также вследствие осаждения кокса на поверхности зерен при разложении углеводородов, присутствие которых возможно в продуктах сгорания баллиститных твердых топлив.
В составы текучих твердых зернистых окислительных материалов, кроме основы, входят также инертные связующие и структурообразующие или несущие компоненты, с помощью которых образуются пористые зерна с развитой внутренней поверхностью для нанесения мелкодисперсных активных компонентов. В качестве носителей зерен берут материалы с высокой стойкостью к температурным перепадам, стойкостью к истиранию и низкой агломерируемостью в условиях псевдоожиженного слоя.
Применение предлагаемого способа дожигания продуктов неполного сгорания при массовой утилизации объектов ракетной техники удовлетворяет экологическим требованиям и требованиям к сохранению ресурсов. Кроме того, минимизируется инфраструктура установок утилизации и уменьшаются габариты установок, что снижает капитальные затраты на их создание. В ряде случаев возможно создание мобильных установок с полностью экологически чистым циклом утилизации.
Источники информации
1. Конструкция и отработка РДТТ / Под. ред. Виницкого A.M. - М.: Машиностроение, 1980, с.106-107, рис.2.10.
2. Патент РФ №2087804, кл. F23G 7/00, 1997.
3. Патент США №6101957, кл. F23G 7/00, 2000.