УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЯДОХИМИКАТОВ
APPARATUS FOR THERMAL DECONTAMINATION OF TOXIC CHEMICALS

Заявляемый объект относится к области обезвреживания твердых опасных нерадиоактивных отходов и может быть использован для обезвреживания непригодных к использованию ядохимикатов и подобных им химических веществ.
Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранная в качестве прототипа установка для термического обезвреживания ядохимикатов. Эта установка содержит загрузочный механизм, печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов, имеющую выпускное отверстие для слива шлака в шлаковню, установленные в печи горелку и сопло для подачи воздуха горения, камеру дожигания, которая соединена с печью газопроводом и в которой установлены горелка, сопло для подачи воздуха горения и форсунка для распыления щелочного раствора, рекуператор воздуха горения, газоохладитель, рукавный фильтр, каталитический реактор, дымосос, дымовую трубу с адсорбционным фильтром. Камера дожигания и рекуператор с газоохладителем размещены в корпусе, который оборудован вертикальной перегородкой. Вертикальная перегородка отделяет камеру дожигания от рекуператора с газоохладителем. Камера дожигания выполнена с вертикальной ориентацией, а вертикальная перегородка образует в нижней части камеры дожигания канал, соединяющий камеру дожигания и рекуператор. Камера дожигания расположена рядом с печью и соединена с печью своей верхней частью с помощью газопровода, при этом на верхнем торце камеры дожигания установлены горелка, форсунка для распыления щелочного раствора и сопло для подачи нагретого воздуха. Установка оборудована дополнительным газоохладителем, системой подачи топлива к горелкам печи и камеры дожигания, системой подачи щелочного раствора к форсункам, системой подачи нагретого в рекуператоре воздуха горения в печь и камеру дожигания. Дополнительный газоохладитель установлен между каталитическим реактором и рукавным фильтром, причем каталитический реактор соединен с вихревым аппаратом для предварительной очистки дымовых газов и дополнительным газоохладителем газопроводами с вертикальными участками, в которые вмонтированы вертикально ориентированные форсунки для распыления щелочного раствора (патент Украины №83120, опубл. 10.06.08, Бюл. №11).
У заявляемого объекта и прототипа совпадают такие существенные признаки. Обе установки содержат загрузочный механизм, печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов, в которой выполнено выпускное отверстие для слива шлака в шлаковню, установленные в печи горелку и сопло для подачи воздуха горения, камеру дожигания, которая соединена с печью газопроводом и в которой установлены горелка, сопло для подачи воздуха горения и форсунка для распыления щелочного раствора, рекуператор воздуха горения, газоохладитель и дополнительный газоохладитель, рукавный фильтр, каталитический реактор, дымосос, дымовую трубу с адсорбционным фильтром, систему подачи топлива к горелкам печи и камеры дожигания, систему подачи щелочного раствора к форсункам, систему подачи нагретого в рекуператоре воздуха горения в печь и камеру дожигания.
Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что достижению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. Известная установка не позволяет обеспечить высокую скорость пиролиза и обезвреживания в жидкой ванне продуктов пиролиза, образующихся при разложении непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ. Это, в частности, обуславливается тем, что перемешивание жидкой ванны осуществляется сжатым воздухом, а это не позволяет перемешивать расплав достаточно равномерно и эффективно. При этом работа каталитического аппарата на грязном газе приводит к быстрому зарастанию катализатора пылью, что, в свою очередь, приводит к низкой эффективности очистки дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода, а также приводит к высоким эксплуатационным затратам, связанным с очисткой и заменой катализатора. Впрыскивание щелочного раствора в камеру дожигания не обеспечивает связывания кислых соединений во всем объеме дымового газа. Кроме того, отсутствует возможность полного слива шлака перед плановым ремонтом печи.
В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такую установку для термического обезвреживания ядохимикатов, в которой усовершенствования путем введения новых элементов позволят при использовании объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности термического обезвреживания ядохимикатов за счет повышения скорости и эффективности разложения сложных органических соединений при пиролизе непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, а также в повышении эффективности улавливания и обезвреживания образующихся продуктов разложения.
Заявляемая установка для термического обезвреживания ядохимикатов содержит загрузочный механизм, печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов, в которой выполнено выпускное отверстие для слива шлака в шлаковню, установленные в печи горелку и сопло для подачи воздуха горения, камеру дожигания, которая соединена с печью газопроводом и в которой установлены горелка, сопло для подачи воздуха горения и форсунка для распыления щелочного раствора, рекуператор воздуха горения, газоохладитель и дополнительный газоохладитель, рукавный фильтр, каталитический реактор, дымосос, дымовую трубу с адсорбционным фильтром, систему подачи топлива к горелкам печи и камеры дожигания, систему подачи щелочного раствора к форсункам, систему подачи нагретого в рекуператоре воздуха горения в печь и камеру дожигания. Отличительной особенностью установки для термического обезвреживания ядохимикатов является следующее. Печь выполнена с возможностью качания вокруг горизонтальной оси и снабжена приводом качания. Газопровод, соединяющий печь с камерой дожигания, сопряжен с торцом печи в области оси качания. Каталитический реактор установлен за рукавным фильтром по направлению движения дымовых газов и соединен с ним через теплообменник дым-дым, который установлен за камерой дожигания. Между рекуператором и газоохладителем, который расположен перед рукавным фильтром, установлен скруббер с форсункой для щелочного раствора, при этом дополнительный газоохладитель установлен между каталитическим реактором и дымососом.
В отдельных случаях изготовления заявляемая установка для термического обезвреживания ядохимикатов характеризуется тем, что над зоной загрузки печи и зоной слива шлака установлена съемная камера для улавливания аспирационных выбросов, которая посредством воздухопровода и вентилятора соединена с рекуператором воздуха горения.
Привод качания печи для перемешивания жидкой ванны может быть электрическим, гидравлическим или пневматическим. Газоохладители выполнены в виде газовоздушных теплообменников, или экономайзеров, или паровых котлов. Рекуператор и газоохладители могут быть оборудованы устройствами для очистки поверхностей нагрева от отложений пыли ударного, вибрационного или импульсного типа.
При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности термического обезвреживания ядохимикатов за счет повышения скорости и эффективности разложения сложных органических соединений при пиролизе непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, а также в повышении эффективности улавливания и обезвреживания образующихся продуктов разложения.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.
При попадании ядохимикатов в печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов (например, каустической соды) происходит пиролиз органических соединений ядохимикатов и связывание кислотных составляющих продуктов разложения со щелочью. Вследствие непрерывного качания печи осуществляется интенсивное и равномерное перемешивание жидкой ванны, при котором обеспечивается существенное повышение скорости пиролиза и эффективности связывания продуктов разложения, образующихся в печи, со щелочными реагентами. Сопряжение газопровода с торцом печи в области оси качания обеспечивает непрерывное перемещение дымовых газов в камеру дожигания при постоянном качании печи. Расположение каталитического реактора за рукавным фильтром по направлению движения дымовых газов и соединение с ним через теплообменник дым-дым, который установлен за камерой дожигания, обеспечивает работу каталитического аппарата на горячем, но уже очищенном газе, что препятствует быстрому зарастанию катализатора пылью, способствует высокой эффективности очистки дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода, а также способствует снижению эксплуатационных затрат на замену катализатора. Установка скруббера с форсункой для щелочного раствора между рекуператором и газоохладителем, который расположен перед рукавным фильтром, обеспечивает связывание кислых соединений во всем объеме дымового газа. Установка дополнительного газоохладителя между каталитическим реактором и дымососом способствует, наряду с подсосом воздуха перед дымососом, снижению температуры дымовых газов для обеспечения адсорбции паров ртути и других тяжелых металлов в фильтре-адсорбере, который расположен перед дымовой трубой, при минимальном его объеме.
Установка съемной камеры над зоной загрузки печи и слива шлака, которая соединена воздухопроводом с вентилятором, предотвращает выход газов из атмосферы печи в окружающую среду, минуя газоочистное оборудование.
Суть объекта поясняется чертежом, на котором изображена схема заявляемой установки для термического обезвреживания ядохимикатов. На чертеже представлены такие обозначения:
1 - печь;
2 - загрузочное окно с заслонкой;
3 - выпускное отверстие для слива шлака;
4 - шлаковня;
5 - загрузочный механизм;
6 - горелка;
7 - сопло для подачи воздуха горения;
8 - камера дожигания;
9 - газопровод;
10 - горелка;
11 - сопло для подачи воздуха горения;
12 - форсунка для распыления щелочного раствора;
13 - рекуператор воздуха горения;
14 - газоохладитель;
15 - дополнительный газоохладитель;
16 - рукавный фильтр;
17 - каталитический реактор;
18 - дымосос;
19 - дымовая труба;
20 - адсорбционный фильтр;
21 - топливное хозяйство;
22 - регулятор расхода топлива печью;
23 - регулятор расхода топлива камерой дожигания;
24 - бак щелочного раствора;
25 - фильтр;
26 - насос щелочного раствора;
27 - регулятор расхода щелочного раствора
28 - регулятор расхода воздуха в камере дожигания;
29 - регулятор расхода воздуха в печи;
30 - регулятор расхода воздуха в горелке печи;
31 - регулятор подсоса воздуха;
32 - привод качания печи;
33 - теплообменник дым-дым;
34 - скруббер;
35 - форсунка для щелочного раствора;
36 - регулятор расхода щелочного раствора;
37 - регулятор расхода дыма;
38 - камера для улавливания аспирационных выбросов;
39 - воздухопровод, соединяющий камеру с рекуператором;
40 - вентилятор.
В конкретном примере изготовления заявляемая установка для термического обезвреживания ядохимикатов содержит печь 1 с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов. В печи 1 выполнено загрузочное окно с заслонкой 2 и выпускное отверстие для слива шлака 3 в шлаковню 4. Загрузочное окно сопряжено с загрузочным механизмом 5. В печи 1 установлены горелка 6 и сопло 7 для подачи воздуха горения. Далее установлена камера дожигания 8, которая соединена с печью 1 газопроводом 9 и в которой установлены горелка 10, сопло для подачи воздуха горения 11 и форсунка 12 для распыления щелочного раствора. В одном корпусе с камерой дожигания 8 установлен рекуператор воздуха горения 13, который подсоединен газопроводами к соплу 7 для подачи воздуха горения в печь 1 и к соплу 11 для подачи воздуха горения в камеру дожигания 8. Далее установлены газоохладитель 14 и дополнительный газоохладитель 15 для охлаждения дымовых газов, рукавный фильтр 16 для тонкой очистки дымовых газов от пыли, каталитический реактор 17 для очистки дымовых газов от недогоревших органических токсинов, дымосос 18 и дымовая труба 19 с адсорбционным фильтром 20, например, из углеродной ткани.
Установка для термического обезвреживания ядохимикатов также содержит:
- систему подачи топлива к горелкам печи и камеры дожигания, которая включает топливное хозяйство 21, регулятор расхода топлива 22, установленный на трубопроводе, который подсоединен к горелке 6 в печи 1, и регулятор расхода топлива 23, установленный на трубопроводе, который подсоединен к горелке 10 в камере дожигания 8,
- систему подачи щелочного раствора к форсункам, которая включает бак щелочного раствора 24, фильтр 25, насос щелочного раствора 26, регулятор расхода щелочного раствора 27, установленный на трубопроводе, который подсоединен к форсунке 12 для распыления щелочного раствора в камере дожигания 8;
- систему подачи нагретого в рекуператоре воздуха горения в печь 1 и камеру дожигания 8, которая включает регулятор расхода воздуха 28, установленный на трубопроводе, который подсоединен к соплу 11 для подачи воздуха горения в камеру дожигания 8, регулятор расхода воздуха 29, установленный на трубопроводе, который подсоединен к соплу 7 для подачи воздуха горения в печь 1, регулятор расхода воздуха 30, установленный на трубопроводе, который подсоединен к горелке 6 в печи 1.
Перед дымососом 18 установлен регулятор подсоса воздуха 31.
Отличительной особенностью заявляемой установки для термического обезвреживания ядохимикатов является следующее. Печь 1 выполнена с возможностью качания вокруг горизонтальной оси и снабжена приводом 32 качания печи 1. Газопровод 9, соединяющий печь 1 с камерой дожигания 8, сопряжен с торцом печи 1 в области оси качания. Каталитический реактор 17 установлен за рукавным фильтром 16 по направлению движения дымовых газов и соединен с ним через теплообменник дым-дым 33, который установлен за камерой дожигания 8 в одном с ней корпусе. Между рекуператором воздуха горения 13 и газоохладителем 14, который расположен перед рукавным фильтром 16, установлен скруббер 34 с форсункой для щелочного раствора 35, которая соединена с системой подачи щелочного раствора через регулятор расхода щелочного раствора 36, установленный на трубопроводе, подсоединенном к форсунке 35 в скруббере 34.
При этом между рекуператором воздуха горения 13 и скруббером 34 установлен регулятор расхода дыма 37, а дополнительный газоохладитель 15 установлен между каталитическим реактором 17 и дымососом 18.
Над зоной загрузки печи и зоной слива шлака установлена съемная камера 38 для улавливания аспирационных выбросов, которая посредством воздухопровода 39 и вентилятора 40 соединена с рекуператором воздуха горения 13.
Подача в печь топлива регулируется регулятором расхода топлива 22, выполненным в виде клапана. Подача в печь воздуха регулируется регулятором расхода воздуха 29, выполненным в виде клапана. Давление газа в печи регулируется регулятором расхода дыма 37, выполненным в виде дроссельного клапана. Камера дожигания 8 и теплообменник дым-дым 33 с рекуператором 13 размещены в общем корпусе, который оборудован вертикальной перегородкой. При этом вертикальная перегородка отделяет камеру дожигания 8 от теплообменника дым-дым 33 с рекуператором 13. Камера дожигания 8 выполнена с вертикальной ориентацией. Вертикальная перегородка образует в нижней части камеры дожигания 8 канал, соединяющий камеру дожигания 8 и теплообменник дым-дым 33.
На верхнем торце камеры дожигания 8 установлены горелка 10, сопло 11 для подачи воздуха горения и форсунка 12 для распыления щелочного раствора. Подача в камеру дожигания топлива регулируется регулятором расхода топлива 23, выполненным в виде клапана. Подача в камеру дожигания воздуха регулируется регулятором расхода воздуха 28, выполненным в виде клапана.
4
2
4
2
Установка для термического обезвреживания ядохимикатов работает так. Непригодные ядохимикаты в герметичных мешках массой 20÷30 кг и пакеты со щелочью (например, с каустической содой) массой 10÷15 кг с помощью загрузочного механизма 5 через загрузочное окно 2 с заслонкой загружают в качающуюся печь 1 с жидкой ванной из расплава щелочи, температуру которого поддерживают горелкой 6 на уровне 850÷1000°С. Воздух горения, нагретый в рекуператоре 13 до 350÷400°С, подается в качающуюся печь 1 через горелку 6 и сопло для подачи воздуха горения 7. Расход воздуха регулируется регулятором расхода воздуха 29, который установлен на трубопроводе и подсоединен к соплу 7 для подачи воздуха горения в печь 1, и регулятором расхода воздуха 30, который установлен на трубопроводе и подсоединен к горелке 6 в печи 1. В жидкой ванне из расплава щелочи органические соединения ядохимикатов разлагаются и, в основном, сгорают над ванной, а неорганический наполнитель образует со щелочью жидкий шлак. В процессе сжигания органической части ядохимикатов жидкая ванна перемешивается за счет качания печи с помощью привода качания 32 печи 1. Значительная часть неорганических и кислых неорганических соединений, содержащих хлор, фосфор, серу, образует со щелочными составляющими шлака инертные соединения типа NaCl, NaPO, NaSO, NaS и остается в шлаке, который после выдержки в печи не содержит неразложившихся ядохимикатов. Шлак из печи 1 в жидком состоянии через выпускное отверстие для слива шлака 3 периодически сливается в шлаковню 4, где кристаллизуется и охлаждается. Выход шлака составляет 110÷130% от массы ядохимикатов. Газ, выходящий из загрузочного окна печи при загрузке ядохимикатов, улавливается съемной камерой 38 для улавливания аспирационных выбросов и отводится в рекуператор воздуха горения через вентилятор 40. Регулировку разрежения в печи 1 осуществляют с помощью регулятора расхода дыма 37, например, дроссельного клапана, установленного на выходе из рекуператора воздуха горения 13.
Выходящие из печи 1 дымовые газы по газопроводу 9 поступают в верхнюю часть камеры дожигания 8 с температурой 850÷1000°С. В камере дожигания 8 дымовые газа смешиваются с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого топлива, которое подается через горелку 10, и нагретого воздуха, который подается через сопло для подачи воздуха горения 11, а также обрабатываются аэрозолем раствора каустической соды, который подается через форсунку 12 для распыления щелочного раствора. Дожигание дымовых газов в камере дожигания 8 осуществляют при температуре 1100÷1200°С в течение двух секунд, коэффициенте избытка воздуха 1,4 и концентрации щелочи в дымовых газах 0,01÷0,03 мас.%. На выходе из нижней части камеры дожигания 8 дымовые газы направляют в теплообменник дым-дым 33 и рекуператор воздуха горения 13, после которых температура дымовых газов снижается до 400÷500°С.
Очистка дымового газа от кислых вредностей осуществляется в скруббере 34 за счет впрыска щелочного раствора через форсунку для щелочного раствора 35. При этом регулятором расхода щелочного раствора 36 обеспечивается концентрация щелочи в дымовых газах на уровне, например, 0,02 мас.%. Далее дымовые газы охлаждаются в газоохладителе 14 до температуры 130°С и поступают в рукавный фильтр 16, в котором дымовые газы очищаются от пыли.
Очищенные от пыли в рукавном фильтре 16 дымовые газы поступают в теплообменник дым-дым 33 для подогрева перед каталитическим реактором 17. В теплообменнике дым-дым 33 осуществляется нагрев очищенных от пыли дымовых газов за счет тепла дымовых газов, поступающих из камеры дожигания 8. В каталитическом аппарате 17 осуществляется очистка дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода. Затем дымовые газы охлаждаются в дополнительном газоохладителе 15 и направляются дымососом 18 через адсорбционный фильтр 20 (например, из углеродной ткани) в дымовую трубу 19.
Перед дымососом 18, для конденсации паров тяжелых металлов, дымовые газы разбавляют атмосферным воздухом, используя регулятор подсоса воздуха 31, который обеспечивает подсос через патрубок воздуха до достижения температуры дымовых газов не выше 50°С для обеспечения адсорбции паров ртути и других тяжелых металлов в адсорбционном фильтре 20.
3
3
3
3
3
-4
3
2
3
3
4
2
2
3
2
В процессе эксплуатации установки обеспечивается достижение высокой эффективность термического обезвреживания ядохимикатов, существенное повышение скорости пиролиза и эффективности связывания продуктов разложения, высокая эффективность очистки дымовых газов от органических токсинов и окисла углерода, связывание кислых соединений во всем объеме дымового газа, высокая эффективность улавливания и обезвреживания продуктов разложения ядохимикатов при снижении эксплуатационных расходов на замену катализатора. После обезвреживания непригодных к использованию ядохимикатов в дымовых газах содержится: пыли - до 10 мг/м, окиси серы - до 50 мг/м, хлористого водорода - до 10 мг/м, окиси азота - до 100 мг/м, диоксина и фурана - до 0,3 нг/м, ртути - до 2·10 мг/м. Такие соединения, как NaO, NaCl, NaSO, NaPO, SiO, АlO, KO, CaO, MgO, остаются в шлаке.