СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ БОЕПРИПАСОВ ОТ ОСТАТКОВ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2007 года по МПК A62D3/00 

Изобретение относится к области химических средств для борьбы с химическими отравляющими веществами, а именно к способам обезвреживания химических отравляющих веществ.

Одним из этапов разрабатываемых в настоящее время технологий уничтожения химического оружия (ХО) является операция обеззараживания корпусов химических боеприпасов [1]. После эвакуации содержимого химического боеприпаса его корпус трижды подвергается обработке дегазирующими растворами. Сначала корпус обрабатывается водным раствором моноэтаноламина, затем аммиачной водой, после чего возможные остатки отравляющих веществ (ОВ) нейтрализуются действием водного раствора щелочи. Далее корпус боеприпаса передается на прокалку в пламенную печь. Поскольку внутренняя поверхность боеприпасов покрыта специальным защитным лаком (шеллачное покрытие), то можно предположить, что остатки ОВ могут быть адсорбированы в объеме лакового покрытия, находиться между лаковым покрытием и металлом, не исключена возможность сорбции ОВ поверхностью металла. Необходимо подчеркнуть, что используемые дегазирующие растворы не удаляют внутреннее защитное шеллачное покрытие боеприпаса, что и определяет необходимость стадии высокотемпературной обработки боеприпаса. В связи с этим весьма актуальна задача удаления остающегося после дегазации неизменным внутреннего защитного покрытия боеприпаса.

Известен способ переработки токсичных промышленных продуктов, включающий их нагрев в присутствии газообразного окислителя и расплава неорганических соединений, вступающих в химическое взаимодействие с перерабатываемым продуктом с последующим удалением продуктов реакции ("Способ термического разложения отравляющих веществ" по патенту РФ на изобретение №2093229, МПК A62D 3/00, Н05В 6/04, C06D 7/00, F42B 33/06, 1997 г.).

Однако анализ этого способа выявил следующие недостатки:

1. Необходим подогрев исходных материалов до достижения заданной жидкоподвижности, что недопустимо для ОВ и многих ядовитых веществ. Кроме того, реакции окисления идут с большим выделением тепла, опасного для целостности индуктора электромагнитного поля.

2. При подаче воздуха (кислорода), необходимого для полной деструкции ОВ и ядовитых веществ, в рабочей зоне АБС возможен взрыв, так как там осуществляется идеальное перемешивание компонентов и имеется в наличии инициатор - микродуги, непрерывно возникающие в зоне.

3. Способ не предусматривает полное разрушение структур обрабатываемых материалов.

4. Способ не предусматривает полное улавливание газообразных, жидких и твердых компонентов продуктов обработки.

В качестве одного из способов решения данной проблемы известно использование отмывочных реагентных композиций для удаления защитного шеллачного покрытия с одновременной дегазацией адсорбированных им остаточных количеств ОВ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ обеззараживания внутренней поверхности боеприпасов от остатков фосфорорганических ОВ (ФОВ) типа "зарин" и "зоман" с использованием реагентной композиции, который позволяет за счет травления поверхности металла удалять остатки ОВ из микропор поверхностного окисного слоя, отделять шеллачное покрытие и нейтрализовать остаточные количества вышеуказанных ФОВ в его объеме ("Способ обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов от остатков фосфорорганических ОВ типа "зарин" и "зоман"" по патенту РФ на изобретение №2200045, МПК A62D 3/00, 2003).

В нем использовалась реагентная композиция, позволяющая за счет травления поверхности металла удалять остатки ОВ из микропор поверхностного окисного слоя, отделять шеллачное покрытие и нейтрализовать остаточные количества вышеуказанных ФОВ в его объеме.

В качестве реагентных композиций в нем применяются содержащие сильные протонодонорные соединения, органические компоненты для размягчения шеллачного покрытия и воду в качестве растворителя. В частности, используется водный раствор композиции, состоящей из 10% оксиэтилендифосфоновой кислоты, 90% дигидрофосфата аммония и каталитических количеств (0,01-0,1%) анионоактивных или неионогенных поверхностно-активных веществ типа сульфанол или проксанол.

Боеприпас после его расснаряжения обрабатывается дегазирующим раствором, который удаляется в реактор нейтрализации. Затем внутреннюю поверхность боеприпаса предлагается обрабатывать реагентной композицией. В результате ее действия на шеллачное покрытие последнее отслаивается, сорбированные в нем и на металле остаточные количества ОВ переходят в раствор, где осуществляется их нейтрализация до безопасных уровней.

Данный способ обезвреживания корпусов боеприпасов заменяет стадию обработки корпусов водным раствором щелочи стадией взаимодействия внутренней составляющей химического боеприпаса с реагентной композицией.

Однако данному способу присущи следующие недостатки:

- большая продолжительность процесса (31,3 часа при температуре 22°С);

- невозможность использования способа на мобильных комплексах уничтожения ОВ в зимний период, т.к. скорость процесса существенно зависит от температуры окружающей среды;

- существенно затрудняется эвакуация реакционной массы из боеприпаса после завершения процесса обеззараживания из-за присутствия отслоившегося единой пленкой шеллака;

- образование большого количества реакционных масс после обеззараживания химических боеприпасов (их объем равен внутреннему объему боеприпаса);

- данный способ является непригодным для обеззараживания химических боеприпасов от остатков фосфорорганических ОВ типа "V_x-газы".

Анализ технологического процесса свидетельствует, что дегазация корпусов боеприпасов включает в себя две операции. Первоначально корпуса боеприпасов промывают дегазирующим раствором, после чего вновь заполняют дегазирующим раствором и выдерживают заданный промежуток времени, по истечении которого дегазирующий раствор сливают. Вторая операция предусматривает термическую обработку корпусов боеприпасов в специальной печи при температуре 600-800°С. Очевидно, что применяемый в данной технологии способ дегазации корпусов боеприпасов увеличивает общее количество отходов и энергоемкость технологического процесса.

Задачей изобретения является возможность обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов от остатков всех типов фосфорорганических отравляющих веществ.

Технический результат заключается в реализации пиротехнического способа дегазации, приводящего к сокращению энергозатрат и к сокращению продолжительности стадии дегазации, а также к практически полному исключению образования отходов.

Поставленная задача достигается тем, что пиротехнический способ дегазации заключается в сжигании определенного количества пиротехнического состава, расположенного внутри корпуса боеприпаса. При этом в процессе горения пиротехнического состава во внутреннем пространстве боеприпаса создается высокотемпературное поле, под воздействием которого происходит термодеструкция остаточных количеств отравляющих веществ, выгорание шеллачного покрытия и обеззараживание внутренних поверхностей боеприпаса.

Высокие эффективность и безопасность методов сжигания и пиролиза при уничтожении ОВ показаны в ряде исследований, проведенных как в нашей стране, так и за рубежом. В связи с этим, представляло научный и практический интерес провести экспериментальную оценку пригодности для целей дегазации корпусов боеприпасов пиротехнического метода.

Задачей изобретения является разработка способа обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов от остатков всех типов фосфорорганических отравляющих веществ, обеспечивающего высокую эффективность и незначительную продолжительность процесса и образование небольшого количества отходов с использованием пиротехнического метода.

Данная цель достигается сжиганием во внутреннем объеме химического боеприпаса заряда пиротехнического состава, сопровождаемое выделением за короткий промежуток времени большого количества тепловой энергии (образование высокотемпературного поля), в результате которого происходит термодеструкция остаточных количеств ОВ, выгорание шеллачного покрытия и обеззараживание внутренних поверхностей боеприпаса.

Последовательность предлагаемого способа заключается в следующем.

Боеприпас после его расснаряжения обрабатывается дегазирующим раствором, который удаляется в реактор нейтрализации. Затем через эвакуационное отверстие во внутренний объем химического боеприпаса вводится заряд пиротехнического состава, представляющий собой тонкостенную полимерную оболочку цилиндрической формы, заполненную пиротехническим составом, в торцевой части которой размещен электровоспламенитель. Заряд пиросостава размещается во внутреннем объеме боеприпаса по его оси. После этого боеприпас устанавливается в пожаробезопасный шкаф, оборудованный системой улавливания и очистки абгазов (отходящих газов). Затем от источника питания подается электрический сигнал на задействование электровоспламенителя, который воспламеняет пиросостав.

В процессе горения пиротехнического заряда температура во внутреннем объеме боеприпаса резко увеличивается до 1100-1200°С, в результате чего происходит выгорание защитного шеллачного покрытия и полная термодеструкция фосфорорганических отравляющих веществ (ФОВ), находящихся там.

Экспериментальные исследования проводили с использованием макетов корпусов артиллерийских снарядов с внутренним объемом 1500 см³, изготовленных из конструкционной стали марки с·т 3. Для заражения внутренней поверхности макетов снарядов использовали ОВ типа зарин. Высокотемпературное поле во внутреннем пространстве макета снаряда создавали с использованием экзотермического пиротехнического состава, в основе которого был реализован пиросостав, разработанный Днепропетровским металлургическим заводом "Днепроспецсталь", компонентный состав которого представлен в табл.1 [2].

Таблица 1
Компонентный состав пиротехнической смеси№ п/пНаименование компонентаСодержание компонента, %1Порошок алюминиевый34,62Порошок алюминиево-магниевый7,43Нитрат натрия27,84Полиизобутилен5,75Бензин авиационный23,06Полиэфирная нить1,5

Воспламенение заряда пиросостава осуществляли с использованием электровоспламенителя. Температура пламени данного пиросостава составляет 1100°С.

В рамках эксперимента варьирование массы заряда пиросостава проводили в интервале от 100 до 300 г. Остаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда определяли с использованием методики выполнения измерения массовой концентрации зарина в пробах смывов с загрязненных поверхностей газохроматографическим методом. Предел обнаружения методики составляет 1,0-10^-6 мг/дм².

Экспериментальные исследования проводили при следующих климатических условиях: температура воздуха 20,9°С; относительная влажность воздуха 35,8%; атмосферное давление 101,5 кПа. Результаты исследований представлены в табл.2.

Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований№ опытаКоличество пиросостава, гВремя горения пиросостава, минОстаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда, мг/дм²1 4,42,4·10^-421004,62,8·10^-43 4,22,1·10^-44 5,61,3·10^-551505,39,6·10^-66 5,41,1·10^-57 6,61,3·10^-682006,41,1·10^-69 6,71,5·10^-610 7,3Не обнаружено112507,1Не обнаружено12 7,2Не обнаружено133007,9Не обнаружено14 8,2Не обнаружено15 8,1Не обнаружено

Анализ данных, представленных в табл.2, свидетельствует о том, что с увеличением массы заряда пиросостава остаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда существенно снижается. Так, в частности, при увеличении массы заряда пиросостава до 200 г остаточное содержание зарина составило 1,1·10^-6-1,5·10^-6 мг/дм², что соответствует пределу чувствительности используемой методики количественного химического анализа [3].

Дальнейшее увеличение массы заряда приводит к увеличению времени горения пиросостава и, следовательно, продолжительности процесса дегазации, в результате чего целевое вещество подвергается полной деструкции. Исходя из этого, следует полагать, что для данных условий протекания процесса дегазации, наиболее оптимальные условия достигаются при массе заряда пиросостава 250 г.

Обращает на себя внимание продолжительность процесса дегазации. Как свидетельствуют данные, представленные в табл.1, требуемая степень дегазации может быть достигнута за 7-7,5 минут.

Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод о том, что пиротехнический метод дегазации корпусов снарядов выгодно отличает от существующих методов высокие безопасность процесса и полнота уничтожения ОВ, практически полное отсутствие отходов и энергозатрат, а также сравнительно небольшая продолжительность процесса. Кроме того, данный метод позволяет проводить дегазацию всех типов ФОВ.

Таким образом, в ходе проведенных исследований показано, что пиротехнический метод дегазации является весьма перспективным и может быть использован для обезвреживания корпусов боеприпасов в технологическом процессе уничтожения фосфорорганических отравляющих веществ.

Предлагаемый способ обеззараживания внутренней поверхности боеприпасов от остатков всех типов фосфорорганических ОВ может быть использован как при реализации промышленных технологий уничтожения химических боеприпасов, так и при уничтожении разовых партий аварийных боеприпасов на мобильных комплексах уничтожения.

Источники информации

1. Технико-экономическое обоснование на строительство промзоны опытно-промышленного объекта уничтожения отравляющих веществ. Волгоград: АООТ "Гипросинтез", 1998 г.

2. Шидловский А.А., Сидоров А.И., Силин Н.А. Пиротехника в народном хозяйстве. М.: Машиностроение, 1978, 230 с.

3. Васильев И.А., Швыряев Б.В., Либерман Б.М. и др. Кинетика и механизм взаимодействия зарина с моноэтаноламином и математическое моделирование реакторного узла детоксикации. // Российский химический журнал (Журнал русского химического общества им. Менделеева). - 1995, т.39, 4, с.5-9.

Способ обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов от остатков фосфорорганических отравляющих веществ относится к области обезвреживания химических отравляющих веществ, исключению образования отходов. Пиротехнический способ дегазации заключается в сжигании определенного количества пиротехнического состава, расположенного внутри корпуса боеприпаса Заряд пиротехнического состава размещают во внутреннем объеме боеприпаса по его оси. После этого боеприпас устанавливают в пожаробезопасный шкаф, оборудованный системой улавливания и очистки отходящих газов. При этом в процессе горения пиротехнического состава во внутреннем пространстве боеприпаса создается высокотемпературное поле, под воздействием которого происходит термодеструкция остаточных количеств отравляющих веществ, выгорание шеллачного покрытия и обеззараживание внутренних поверхностей боеприпаса. Технический результат, который получен при использовании способа, заключается в реализации пиротехнического способа дегазации, приводящего к сокращению энергозатрат, сокращению продолжительности стадии дегазации, а также к практически полному уничтожению фосфорорганических отравляющих веществ. 2 табл.

Способ обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов от остатков фосфорорганических отравляющих веществ путем обработки внутренней поверхности боеприпаса после его расснаряжения и дегазации реагентной композицией, отличающийся тем, что после дегазации осуществляют сжигание пиротехнического состава, размещенного во внутреннем объеме химического боеприпаса, с обеспечением выделения большого количества тепловой энергии за короткий промежуток времени и термодеструкции остаточных количеств отравляющих веществ, выгорания шеллачного покрытия и обеззараживания внутренних поверхностей боеприпаса, при этом боеприпас предварительно устанавливают в пожаробезопасный шкаф, оборудованный системой улавливания и очистки отходящих газов.