СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F23G7/04 F23G7/06 

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.

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)×10⁵ 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)×10⁵ 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.

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 10⁶ 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 CO₂ 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^-6 1.42×10¹⁰ 1-я зона реактора 8.43×10^-8 0.141 2.4×10^-17 не выявлено

Здесь СО - это окись углерода, CO₂ - 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.

Способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) и устройство для его осуществления могут быть использованы в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности для переработки или уничтожения промышленных отходов, также для утилизации других ХОВ. Способ заключается в сжигании смеси ХОВ в 1-й зоне трехзонного реактора при температуре 3500°С и давлении Р=10⁶ Па. Затем перемешивают продукты сгорания и разложения ХОВ, пары от охлаждающей воды и закалочную жидкость в турбулизаторе, снижая при этом температуру смеси до 1200°С. Выдерживают эту смесь во второй зоне реактора в течение 1 мс. После второй стадии закалки на границе второй и третьей зон выдерживают смесь в третьей зоне до полного испарения закалочной жидкости и затем выводят ее из через критическое сопло в конденсатор. Водный конденсат указанной парогазовой смеси нейтрализуют содой с получением в качестве товарного продукта хлористого натрия. Охарактеризовано устройство для реализации способа. Технический результат: повышение эффективности термического обезвреживания ХОВ. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) в трехзонном реакторе с критическим соплом, в соответствии с которым подают в первую зону реактора рабочую смесь из окислителя, ХОВ и горючего, сжигают эту смесь и разлагают ХОВ в первой зоне реактора, закаливают продукты сгорания и разложения ХОВ закалочной жидкостью в две стадии, причем первую стадию закаливания осуществляют на выходе из первой зоны реактора и в результате снижают температуру продуктов сгорания и разложения ХОВ, выдерживают во второй зоне реактора продукты сгорания и разложения ХОВ, а также пар от закалочной жидкости, осуществляют вторую стадию закаливания продуктов сгорания и разложения ХОВ, а также пар от закалочной жидкости на границе второй и третьей зон и снижают их температуру до 130-230°С при времени снижения температуры 2-3 мс, затем парогазовую смесь из продуктов сгорания и разложения ХОВ, а также паров от закалочной жидкости отводят из реактора и конденсируют, а из конденсата улавливают и выделяют продукты переработки ХОВ, отличающийся тем, что в первую зону реактора подают поток рабочей смеси через форсуночную головку, размещенную в торце реактора, внутренние стенки первой зоны реактора охлаждают впрыском воды через форсунки, размещенные на периферии форсуночной головки, ХОВ подают в смеси с горючим через форсунки, размещенные в центре головки, а окислитель подают через форсунки, расположенные по всей площади головки, сжигают в первой зоне реактора рабочую смесь из окислителя, ХОВ и горючего при температуре 3500°С и при стехиометрическом соотношении, соответствующем избытку окислителя, равному α=0,8, и давлении Р=10⁶ Па, а также при времени пребывания в первой зоне реактора не более 1 мс, закаливают продукты сгорания и разложения ХОВ закалочной жидкостью в конце первой зоны реактора на входе в турбулизатор, в качестве закалочной жидкости используют смесь воды с содой, затем перемешивают продукты сгорания и разложения ХОВ, пары от охлаждающей воды и закалочную жидкость в турбулизаторе, снижая при этом температуру образовавшейся парогазовой смеси до 1200°С, выдерживают эту смесь во второй зоне реактора в течение 1 мс, после второй стадии закалки выдерживают смесь в третьей зоне до полного испарения закалочной жидкости и затем выводят ее из третьей зоны реактора через критическое сопло в конденсатор, где парогазовую смесь конденсируют, а ее водный конденсат нейтрализуют содой с получением в качестве товарного продукта хлористого натрия, а оставшиеся углекислый газ и окись углерода очищают и сбрасывают в атмосферу.

2. Способ термического обезвреживания ХОВ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют кислород.

3. Способ термического обезвреживания ХОВ по п.1, отличающийся тем, что в качестве горючего используют дизельное топливо.

4. Способ термического обезвреживания ХОВ по п.1, отличающийся тем, что в качестве горючего используют керосин.

5. Способ термического обезвреживания ХОВ по п.1, отличающийся тем, что ХОВ и горючее в соотношении 1:1 подают в первую зону реактора в виде высокодисперсной суспензии.

6. Устройство для термического обезвреживания ХОВ, включающее трехзонный реактор с рубашкой охлаждения, форсуночную головку, установленную на входе в первую зону реактора для подачи в него рабочей смеси из ХОВ, горючего и окислителя, форсунки для ввода закалочной жидкости, размещенные по окружности на боковой стенке реактора, выполненное в виде критического сопла выходное отверстие реактора, отличающееся тем, что форсунки для подачи суспензии из ХОВ и горючего размещены в центре форсуночной головки, по периферии форсуночной головки установлены форсунки для подачи воды для охлаждения боковой поверхности реактора, форсунки для подачи окислителя размещены по всей площади головки, между первой и второй зоной реактора размещен турбулизатор в виде сужающегося тела вращения, который снабжен форсунками для ввода закалочной жидкости, расположенными по окружности на входе в него, также форсунки для ввода закалочной жидкости расположены на границе между второй и третьей зонами реактора, выходное отверстие реактора выполнено в виде критического сопла и расположено на противоположном форсуночной головке торце реактора, к выходу из реактора подсоединены блок конденсации выходящей из реактора парогазовой смеси, блок нейтрализации конденсата содой и блок очистки оставшихся газов перед их сбросом в атмосферу.

7. Устройство для термического обезвреживания ХОВ по п.6, отличающееся тем, что турбулизатор выполнен в виде конуса.

8. Устройство для термического обезвреживания ХОВ по п.6, отличающееся тем, что при реализации в мобильном варианте с доставкой к местам складирования ХОВ на транспортных средствах оно дополнительно укомплектовано сливной емкостью под нетоксичные продукты и автотанком с окислителем.