способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления
Классы МПК: | F23G7/04 жидких отходов, например сульфитного щелока F23G7/06 газообразных отходов или вредных газов, например выхлопных |
Автор(ы): | Красник В.В., Никотин О.П., Пинчук В.А., Плаченов Б.Т., Портнов Г.Н., Филимонов Ю.Н. |
Патентообладатель(и): | Красник Валериан Вигдорович, Никотин Олег Павлович, Пинчук Владимир Афанасьевич, Плаченов Борис Тихонович, Портнов Глеб Николаевич, Филимонов Юрий Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-12-28 публикация патента:
10.01.2002 |
Изобретение относится к огневой переработке хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) и может быть использовано для утилизации соответствующих промышленных отходов с получением соляной кислоты в виде товарного продукта. Способ заключается в сжигании смеси ХОВ с горючим и кислородом в 1-й зоне трехзонного реактора при 1900-2900oС при соотношении кислород: (ХОВ + горючее), равном 1,05-2,0, давлении 3-8
105 Па и времени пребывания 2-10 мс, двухстадийном закаливании продуктов сгорания водой, когда первое закаливание проводят на границе 1-й и 2-й зон, снижая температуру до 1000-1200oС в течение времени менее 1 мс и выдержке в течение 3-5 мс, второе закаливание проводят на границе 2-й и 3-й зон, снижая температуру до 130-230oС в течение 2-3 мс, выходящую из реактора парогазовую смесь конденсируют, полученный водный конденсат с абсорбированным хлористым водородом направляют на ректификацию с получением соляной кислоты в виде товарного продукта. Устройство для термического обезвреживания ХОВ включает огневой блок в виде трехзонного реактора с форсуночной головкой в торце реактора для подачи компонентов рабочей смеси и выходным отверстием в виде критического сопла, расположенным на противоположном форсуночной головке торце реактора, с критическим соплом, разделяющим 1-ю и 2-ю зоны реактора и снабженным форсунками для ввода закалочной воды, расположенными вокруг его критического сечения; 2-ю и 3-ю зоны реактора разделяют форсунки для закалочной воды, расположенные по окружности боковой стенки реактора. Устройство дополнительно содержит блоки газоразделения и ректификации. Технический результат: повышение эффективности переработки ХОВ, исключение токсичных выбросов, полная утилизация выбросов. 2 с. п. и 9 з. п. ф-лы, 2 ил. , 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
Формула изобретения
1. Способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) методом огневой переработки смеси ХОВ с горючим и кислородом в реакторе, разделенном на зоны, включающий подачу в первую зону рабочей смеси, когда в центр потока подают ХОВ, по периферии потока - горючее и по всему сечению потока - кислород, сжигание смеси в первой зоне при температуре 1900-2900oС, закаливание продуктов сгорания, отвод парогазовой смеси из реактора, улавливание и выделение продуктов взаимодействия, отличающийся тем, что переработку ХОВ проводят в трехзонном реакторе с критическим соплом, разделяющим первую и вторую зоны, сжигание проводят при сверхстехиометрическом соотношении кислород : (горючее + ХОВ), равном 1,05-2,0, давлении 3-8![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к термическому обезвреживанию хлорсодержащих органических веществ (ХОВ) методом огневой переработки и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности для переработки или уничтожения соответствующих жидких или газообразных промышленных отходов, например для утилизации отработанного трансформаторного масла и других ХОВ. Одной из основных проблем при огневой переработке хлорорганических отходов является неполнота сгорания перерабатываемых веществ и наличие токсичных выбросов, возникающих в результате обратного синтеза в условиях переработки, например, образование диоксинов и дибензофуранов. Известно (Chemosphere, Vol 19, NN 1-6, рр 305-308, 1989; R. Dumler, H. Thoma, D. Lenour, O. Hutziner), что максимальная скорость образования диоксинов и дибензофуранов наблюдается в диапазоне температур 300-800oС с возможным превышением предельно допустимых концентраций в области температур порядка 200-1200oС. Имеются данные, что при образовании диоксинов скорости их образования сдвигаются в сторону увеличения с ростом температур в указанном диапазоне. При огневой переработке хлорсодержащих органических отходов в качестве продуктов сгорания образуются нехлорированные диоксины и дибензофураны, которые при взаимодействии с молекулярным хлором и хлористым водородом, возникающими в процессе сжигания отходов, образуют хлорированные диоксины и дибензофураны. Известен способ термического обезвреживания полигалогенированных углеводородов по пат. РФ 2055270, МПК6 F 23 G 7/04, 1992. Способ осуществляется в трехзонном цилиндрическом реакторе и включает сжигание смеси отходов с горючим и окислителем в 1-й зоне, закалку продуктов сгорания и их дожигание во 2-й зоне, окончательное снижение температуры в 3-й зоне, отвод парогазовой смеси из реактора, использование тепла отводимых из реактора продуктов для нагрева подаваемых на сжигание отходов и окислителя. Согласно этому способу отходы сжигают в смеси воздуха с горючим в 1-й зоне реактора при среднем по объему избытке окислителя 1,2-1,4 и температуре, максимально термодинамически возможной при данном соотношении компонентов. Поток продуктов сгорания из 1-й зоны, содержащий СО, СО2, N, не догоревшее вещество и до 30-70% галогенов и галогенводородов, через сопловой вкладыш направляют во 2-ю зону. Здесь, в начале 2-й зоны, поток резко охлаждают, впрыскивая воду через форсунки, расположенные в расширяющейся части соплового вкладыша вокруг его критического сечения. При этом температура газового потока снижается до 500oС, а содержащиеся в нем галогены и галогенводороды связываются водой с образованием галогенводородной кислоты, которую потом необходимо выделить. Недогоревшие продукты во 2-й зоне дожигаются и на выходе из нее содержат, по мнению авторов, N2, СО и СО2. 3-я зона реактора представляет собой теплообменник типа "труба в трубе" и служит для окончательного снижения температуры потока и рекуперации тепла отходящих газов, так за счет теплообмена в 3-й зоне идет нагрев отходов и воздуха, направляемых на сжигание в реактор. Температура отходящих газов в 3-й зоне понижается до 300-400oС. Подача на сжигание подогретых отходов и воздуха увеличивает скорость реакции и полноту сгорания. К недостаткам рассматриваемого способа можно отнести следующее. 1. Недостаточно высокая температура в 1-й зоне, зоне сгорания. При использовании воздуха в качестве окислителя термодинамически максимальная температура при коэффициенте избытка окислителя 1,2-1,4 - около 2000oС, а полигалогенированные углеводороды будут снижать температуру горения; температура части потока будет снижаться также за счет пристеночных эффектов. В результате в 1-й зоне достигается далеко не полное сгорание отходов. Продукты сгорания среди недогоревших веществ, по нашему мнению, будут содержать в т. ч. сажу и смолистые вещества. 2. Отходящие газы неизбежно содержат окислы азота NOx, которые образуются при температурах больших чем 1200oС. В присутствии атомарного кислорода, образующегося при сжигании углеводородов, кинетически образуется в заметных количествах NO при температурах около 1200oС; в присутствии избытка кислорода образуется NO2, который обратно в условиях реактора диссоциировать с образованием N2 не может. 3. Температурный режим во 2-й и 3-й зонах реактора: до 500oС и 300-400oС, а также наличие в продуктах сгорания сажи и смолистых веществ обеспечивают оптимальные условия для обратного синтеза диоксинов и дибензофуранов. 4. Температурный режим 2-й и 3-й и зон не способствует окончательному дожиганию в отходящих газах сажи, смол и СО и требует увеличения времени пребывания в реакторе. 5. В отходящих из реактора продуктах сгорания присутствует СО, окислы азота, сажа, смолы, а также образующиеся диоксины и дибензофураны. Таким образом, способ термического обезвреживания полигалогенированных углеводородов по пат. РФ 2055270 не обеспечивает полноту сгорания отходов и отсутствие токсичных веществ в выбросах. Наличие последних требует дополнительной доочистки и дожигания выбросных газов. Устройство для осуществления рассмотренного выше способа обезвреживания галогенсодержащих углеводородов, как уже упоминалось, представляет собой трехзонный реактор. В нем 1-я зона, зона сгорания, и 2-я зона, зона закаливания и дожигания, разделяются сопловым вкладышем с форсунками для впрыска закалочной воды, расположенными в расширяющейся части сопла вокруг критического сечения. 2-я зона отделена от 3-й пластиной с дроссельным отверстием. 3-я зона представляет собой теплообменник, в котором окончательно охлаждаются продукты сгорания, а за их счет нагреваются подаваемые на сжигание воздух и галогенсодержащие отходы. Фактически реактор является двухзонным и не содержит рубашки охлаждения. Недостатком указанного устройства является то, что расположение форсунок под углом к газовому потоку, когда закалочная вода подается вдогонку ему, требует, во-первых, повышения давления впрыска закалочной воды и, следовательно, повышения энергозатрат, а во-вторых, не обеспечивает эффективного перемешивания закалочной воды и продуктов сгорания и, как следствие, достаточно быстрого по времени закаливания и резкого по величине падения температуры охлаждаемого газового потока. Это влечет за собой возможный обратный синтез диоксинов и дибензофуранов. Кроме того, снижение температуры газового потока во второй зоне за счет впрыска закалочной жидкости ведет к увеличению объема газообразных продуктов; их объем увеличивается также за счет дросселирования при переходе в 3-ю зону, следовательно, скорость газового потока должна быть очень большой, что приведет к ухудшению теплообмена в 3-й зоне и, как следствие, к увеличению габаритов теплообменника. Наличие одного пояса закалки у реактора не позволяет осуществить оптимальные температурно-временные режимы способа, которые позволили бы осуществить полное окисление окиси углерода до двуокиси, избежать образования окислов азота и диоксинов, наличие которых в выбросах требует дополнительных мер по очистке газовых выбросов. Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ обезвреживания отравляющих веществ и устройство для его осуществления по пат. РФ 2022590, МПК5 А 62 D 3/00, 1991. Согласно этому патенту обезвреживаемые вещества, в данном случае отравляющие вещества (ОВ), в том числе ХОВ, например иприт, подвергают термическому разложению в зоне горения жидкого органического горючего с кислородом при 1900-2900oС в двухзонном реакторе с рубашкой охлаждения. Способ включает подачу ОВ, горючего и кислорода в зону сжигания реактора, сжигание смеси, закаливание продуктов сгорания водным раствором ацетата кальция и связывание образующихся при разложении ОВ кислотных оксидов в виде солей кальция, отвод продуктов сгорания для очистки от твердофазных нетоксичных продуктов. Через форсунки, расположенные в торце реактора, ОВ подают в центр потока, горючее - по его периферии, кислород - по всему сечению потока. Сжигание в 1-й зоне реактора ведут при 1900-2900oС и соотношении горючего (керосин) к ОВ, равном 4: 1. Закаливание продуктов сгорания проводят на границе 1-й и 2-й зон путем введения закалочной жидкости - водного раствора ацетата кальция. Температура газового потока при этом снижается до 500-850oС. Ацетат кальция связывает галогениды и другие кислые части разлагаемых соединений в виде соответствующих кальциевых солей. Эти соли представляют собой твердую фазу в газовом потоке и улавливаются после выхода этого потока из реактора, например в циклоне. Недостатком рассматриваемого способа является одностадийная закалка продуктов сгорания до температур, при которых происходит связывание образующихся продуктов в виде солей кальция. При обезвреживании хлорсодержащих ОВ температура связывания и диапазон температур, при котором наиболее эффективно происходит обратный синтез диоксинов, совпадают. Кроме того, для утилизации продуктов термического разложения ОВ необходимо дальнейшее понижение температуры, что в рассматриваемом способе не предусмотрено. Реактор для осуществления данного способа содержит камеру, на одном конце которой расположено днище, выполненное в виде форсуночной головки, на другом - выходное отверстие, выполненное в виде критического сопла. Форсуночная головка содержит форсунки для подачи горючего кислорода и ОВ. Камера разделена на две зоны, зону сгорания, примыкающую к днищу с форсуночной головкой, и зону нейтрализации, примыкающую к выходному критическому соплу. На границе указанных зон по окружности боковой стенки реактора расположены форсунки для подачи закалочной жидкости. В форсуночной головке форсунки для подачи ОВ расположены в центре, для подачи горючего - по периферии, для подачи кислорода по всей площади головки. Недостатком рассматриваемого устройства для осуществления способа по пат. РФ 2022590 является недостаточно эффективное перемешивание продуктов сгорания с закалочной жидкостью, содержащей связывающее вещество, и, как следствие, к недостаточно быстрому снижению температуры при переходе из зоны сгорания в зону связывания. Относительно медленное снижение температуры газового потока в реакторе ведет к увеличению времени пребывания перерабатываемых веществ и увеличению тем самым его длины. Кроме того, в данном устройстве на выходе из реактора газовый поток имеет высокую температуру, что требует дополнительного охлаждения перед утилизацией получаемых соединений, а это приводит к усложнению установки в целом и увеличению ее габаритов. Техническая задача настоящего изобретения состоит в повышении эффективности переработки ХОВ, исключении токсичных выбросов, полной утилизации выбросов - образующегося хлористого водорода с получением товарного продукта - соляной кислоты и минимизации размеров реактора. Поставленная задача решается тем, что в способе обезвреживания ХОВ путем огневой переработки смеси ХОВ с горючим и кислородом в реакторе, разделенном на зоны, включающие подачу в 1-ю зону реактора рабочей смеси, когда в ядро потока подают ХОВ, по периферии потока - горючее и по всему сечению потока - кислород, сжигание смеси в 1-й зоне при температуре 1900-2900oС, закаливание продуктов сгорания, отвод парогазовой смеси из реактора, улавливание и выделение продуктов взаимодействия, переработку ХОВ проводят в трехзонном реакторе с критическим соплом, разделяющим 1-ю и 2-ю зоны, сжигание проводят при сверхстехиометрическом соотношении кислород: (горючее + ХОВ), равном 1,05-2,0, давлении 3-8![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
1. Организовать в реакторе пристеночные (периферийные) зоны с отсутствием в них перерабатываемых веществ для исключения влияния на процесс деструкции низкотемпературных пристеночных эффектов и исключения реакций этих веществ со стенками реактора. 2. Организовать равномерные по сечению реактора подачу и распределение компонентов рабочей смеси с целью создания равномерного поля температур по сечению реактора и осуществить выбор длины и объема реакционной зоны реактора в соответствии с термодинамическими и кинетическими факторами для полного разложения перерабатываемых веществ. 3. Организовать быстрое понижение температуры до 1000-1200oС для прерывания реакции образования оксидов азота и завершения окисления окиси углерода до двуокиси, не допуская обратного синтеза токсичных веществ;
4. Организовать быстрое понижение температуры с 1000-1200oС до 130-230oС для предотвращения синтеза диоксинов и дибензофуранов;
5. Получить в процессе переработки хлорсодержащих органических отходов продукты глубокого окисления, содержащие в основном углекислый газ и пары воды, а также хлористый водород и сверхстехиометрический кислород и не содержащие вредных и токсических веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые. 6. Получить продукты глубокого окисления органических отходов в смеси с закалочной средой в виде парогазовой смеси с такими параметрами, которые обеспечивают их использование как теплоносителя в одновременном процессе ректификации указанных продуктов. 7. Организовать получение соляной кислоты с концентрацией 15-20 мас. %. 8. Организовать очистку выхлопных газов от хлористого водорода и обеспечить безвредный газовый выброс. 9. Обеспечить замкнутый цикл по закалочной воде и отсутствие жидких сбросов. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - конструктивная схема реактора. Устройство содержит огневой блок, включающий трехзонный реактор 1, систему 2 подготовки и подачи в реактор хлорорганических отходов и систему 3 подачи в реактор закалочной воды. Блок ректификации содержит ректификационную колонну 4 с выносным кипятильником 5, буферную емкость-сепаратор 6 для сбора разбавленной соляной кислоты, дефлегматор 7, теплообменник 8 для охлаждения дистиллята, нормализаторы 9 и 10 параметров подаваемой на ректификацию соляной кислоты, дросселирующие устройства 11 и 12, теплообменник 13 для отбираемой соляной кислоты и приемник 14 соляной кислоты. Блок газоразделения содержит абсорбер 15 и насадочный аппарат 16 для химической доочистки газовых выбросов перед сбросом в атмосферу. Реактор 1 содержит в одном торце форсуночную головку 17, в противоположном торце - выходное отверстие 18 в виде критического сопла. В форсуночной головке 17 имеется полость 19 для окислителя, сообщенная с источником окислителя - кислорода (не показана) и полость 20 для горючего, сообщенная с источником горючего (не показана). Подачу окислителя и горючего в 1-ю зону 21 реактора осуществляют через форсунки 22 и 23 соответственно. В форсуночной головке 17 имеется также полость 24 для подачи перерабатываемого вещества, а именно ХОВ, в смеси с горючим через форсунки 25. За 1-й зоной 21 располагается 2-я зона 26 - зона дожигания. На границе 1-й зоны 21 и 2-й зоны 26 размещено критическое сопло 27. Вокруг критического сопла 27, по его критическому сечению, расположены форсунки 28 для ввода закалочной воды. Между 2-й зоной 26 и выходным отверстием 18 располагается 3-я зона 29 - зона выравнивания параметров. На границе зон 26 и 29 по окружности боковой стенки реактора 1 расположена система форсунок 30 для ввода закалочной воды. Для обеспечения надежного зажигания и работы реактор 1 снабжен запальным устройством 31 со свечой 32, форсункой 33 для пускового горючего и форсункой 34 для подвода окислителя. Реактор имеет двойные стенки, скрепленные друг с другом с образованием между ними кольцевого зазора 35 для циркуляции тепловоспринимающей жидкости, подводящейся и отводящейся через штуцеры 36 и 37 соответственно. В форсуночной головке 17 реактора 1 имеются штуцеры 38, 39 и 40 для подвода к реактору 1 от соответствующих источников окислителя, горючего и ХОВ. Устройство работает и способ обезвреживания в нем осуществляется следующим образом. Кислород подают в полость 19, а оттуда инжектируют через форсунки 22 в 1-ю зону 21 реактора 1. Одновременно в полость 20 подают горючее, например пентан, которое также инжектируют через форсунки 23 в зону 21 по периферии потока. За счет работы запального устройства 31 инициируют процесс горения. После выхода реактора 1 на предварительный режим через полость 24 и форсунки 25 в 1-ю зону 21 подают смесь ХОВ с частью горючего. Таким образом, ХОВ подают в ядро потока в виде истинного раствора, эмульсии или суспензии в части горючего, горючее по периферии потока, а кислород - равномерно по всему сечению потока. Такая организация смесеобразования и впрыска позволяет избежать неполного разложения ХОВ в пристеночном, более холодном слое зоны 21 сгорания. На границе 1-й и 2-й зон проводят первую стадию закалки через форсунки 28, расположенные вокруг критического сечения критического сопла 27, подают перпендикулярно потоку продуктов сгорания закалочную воду. Образующийся сверхзвуковой поток при этом интенсивно перемешивается за критическим соплом 27. При этом давление при переходе в следующую зону 26 снижается. Одновременно происходит снижение температуры от максимально 2900oС до 1000-1200oС как за счет испарения закалочной воды, так и за счет адиабатического расширения газов. Во 2-й зоне 26 - зоне дожигания продукты деструкции выдерживают при температуре 1000-1200oС в течение времени, достаточном для завершения конверсии окиси углерода до двуокиси. При этих температурах еще не начинается рекомбинация и обратный синтез диоксинов и дибензофуранов в заметных количествах. Необходимое время выдержки во 2-й зоне достигается выбором необходимой длины зоны дожигания 26. На границе 2-й и 3-й зон проводят вторую стадию закаливания - через форсунки 28, расположенные по окружности боковой стенки реактора, подают новую порцию закалочной воды и снижают при этом температуру газового потока от 1000-1200oC до 130-230oС, благодаря чему предотвращают обратный синтез диоксинов и дибензофуранов. В 3-й зоне 29 - зоне выравнивания параметров парогазовой смеси 30 происходит окончательное снижение давления до 1-3
![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
![способ термического обезвреживания хлорсодержащих органических веществ и устройство для его осуществления, патент № 2178117](/images/patents/291/2178004/8226.gif)
Класс F23G7/04 жидких отходов, например сульфитного щелока
Класс F23G7/06 газообразных отходов или вредных газов, например выхлопных