Способ обезвреживания опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов, а также устройство для осуществления этого способа - RU2244042C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу обезвреживания опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов, заключающемуся в том, что во внутреннем пространстве прочного корпуса в контролируемых условиях инициируют реакцию этих материалов с образованием безопасных конечных продуктов, а также к устройству для обезвреживания опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов, имеющему прочный корпус, позволяющий инициировать в его внутреннем пространстве в контролируемых условиях реакцию этих материалов с образованием безопасных конечных продуктов.

К "опасным или обладающим высоким энергетическим потенциалом" материалам, обезвреживание которых является целью настоящего изобретения, относятся прежде всего взрывчатые вещества или боеприпасы, при контролируемом подрыве которых высвобождается большое количество механической и тепловой энергии. Однако настоящее изобретение применимо также для обезвреживания других опасных веществ, которые с использованием определенных химикалий необходимо с помощью как экзотермических, так и эндотермических реакций превращать в целевые безопасные конечные продукты.

Для обезвреживания взрывчатые вещества, как известно, помещают во внутреннее пространство прочного корпуса, где вызывают их контролируемую детонацию. Соответствующие устройство и способ описаны, например, в WO 97/43594. Недостаток этих известных устройства, соответственно, способа состоит в том, что обезвреживание можно проводить только отдельными партиями, а реакция трудно поддается управлению.

Более близкое техническое решение к предложенным способу и устройству раскрыты в US 5582119. Известный способ обезвреживания опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов предусматривает подачу сыпучего материала и обезвреживаемых материалов во внутреннее пространство прочного корпуса, в котором в контролируемых условиях инициируют реакцию этих обезвреживаемых материалов с образованием безопасных конечных продуктов. Устройство для реализации этого способа имеет прочный корпус, снабженный впускными и загрузочными отверстиями для подачи в него сыпучего материала и обезвреживаемых материалов и позволяющий инициировать в его внутреннем пространстве в контролируемых условиях реакцию этих обезвреживаемых материалов с образованием безопасных конечных продуктов. Однако известные способ и устройство не предусматривают перемешивания обезвреживаемых материалов с сыпучим материалом и образования подвижного слоя. Это снижает эффективность работы способа и устройства.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать способ указанного в начале описания типа таким образом, чтобы обеспечить возможность непрерывной работы и эффективного контроля за ходом реакции.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что из обезвреживаемых материалов и сыпучих материалов в прочном корпусе образуют перемещающийся сверху вниз подвижный слой, в котором подача сыпучего материала и обезвреживаемых материалов с одной стороны и выход смеси сыпучего материала с образовавшимися в результате реакции безопасными конечными продуктами с другой стороны находятся в динамическом равновесии, при этом реакцию инициируют внутри этого подвижного слоя на некотором расстоянии от его поверхности.

Таким образом, согласно изобретению обезвреживаемые материалы загружают вместе с сыпучим материалом во внутреннее пространство прочного корпуса, в котором в динамическом равновесии формируется подвижный слой. Несмотря на то, что последний в основном постоянно сохраняет свою внешне узнаваемую форму, тем не менее при более внимательном рассмотрении можно установить, что образующие такой подвижный слой материалы находятся в непрерывном движении. Благодаря этому обезвреживаемые материалы вначале перемещаются внутрь подвижного слоя на определенную глубину, где инициируют их реакцию. Окружающий эти материалы подвижный слой при этом воспринимает и поглощает высвобождающуюся при реакции механическую и тепловую энергию. Подвижный слой характеризуется наличием в тех местах, где это необходимо, больших по площади поверхностей, на которых может происходить реакция. И, наконец, подвижный слой представляет собой также аккумулятор тепла, который везде, где обезвреживаемые материалы необходимо доводить до определенной температуры реакции, способен обеспечивать экономию энергии. Сыпучий материал и обезвреживаемые материалы можно подавать в подвижный слой в смешанном виде либо "насыпать" по отдельности сверху на подвижный слой таким образом, чтобы их смесь формировалась лишь внутри этого подвижного слоя.

Использование в качестве сыпучего материала шариков наиболее эффективно обеспечивает необходимую внутреннюю текучесть подвижного слоя. Тем не менее для образования сыпучего материала можно использовать и частицы с отличной от сферической формой, если только собственное трение между такими частицами сыпучего материала не возрастет настолько, что начнет ухудшать внутреннюю текучесть подвижного слоя.

Шарики предпочтительно выполнять из стали или керамики. Оба этих материала обладают необходимой прочностью для восприятия и поглощения механической и тепловой энергии и в целом обладают высокой стойкостью к обезвреживаемым материалам.

Во многих случаях реакция обезвреживания начинается лишь при определенной температуре. Поэтому для установления в подвижном слое такого температурного профиля, при котором температура реакции достигается внутри этого подвижного слоя на некотором расстоянии от его поверхности, наиболее целесообразно задействовать только выделяющееся в результате реакции тепло без дополнительной подачи энергии извне.

Если же обезвреживаемые материалы не обладают энергией, достаточной для достижения температуры реакции, то тепло необходимо подводить извне. В простейшем случае реализовать это можно за счет подачи топлива или за счет использования иных запальных вспомогательных средств. В другом варианте необходимый для достижения температуры реакции подвод тепла можно обеспечить за счет возбуждения электрической дуги или же за счет индукционного нагрева. В последнем случае подвижный слой должен содержать в качестве сыпучего материала электропроводные материалы, например стальные шарики.

Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа сыпучий материал отделяют от выходящей из подвижного слоя смеси материалов и по меньшей мере частично снова направляют на вход для загрузки в подвижный слой. Тем самым удается поддерживать расход сыпучего материала на низком уровне.

В подвижный слой можно подавать необходимые для осуществления способа или способствующие его осуществлению вспомогательные материалы. При этом имеются в виду прежде всего топливо, повышающее температуру подвижного слоя, воздух, служащий в первую очередь для подачи кислорода, термостатирующий газ, позволяющий предварительно термостатировать подвижный слой прежде всего в зоне свободной поверхности, химикалии, предназначенные для химического превращения обезвреживаемых материалов, а также хемосорбенты, связывающие определенные продукты реакции.

Кроме того, задача настоящего изобретения состоит в усовершенствовании устройства указанного в начале описания типа таким образом, чтобы оно могло работать в непрерывном режиме и обеспечивало эффективный контроль за реакцией обезвреживания соответствующих материалов.

Эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что из обезвреживаемых материалов и сыпучего материала в прочном корпусе устройства образован перемещающийся сверху вниз подвижный слой, в котором подача сыпучего материала и обезвреживаемых материалов с одной стороны и выход смеси сыпучего материала с образовавшимися в результате реакции безопасными конечными продуктами с другой стороны находятся в динамическом равновесии, при этом предусмотрено устройство, обеспечивающее инициирование реакции внутри подвижного слоя лишь на некотором расстоянии от его поверхности.

Преимущества устройства такого типа перед известными устройствами соответствуют по своей сути вышеназванным преимуществам предлагаемого в изобретении способа. То же самое относится и к преимуществам различных вариантов выполнения предлагаемого устройства.

Предпочтительно под поверхностью подвижного слоя предусмотреть запальное устройство.

Это запальное устройство может иметь электроды, выполненные с возможностью возбуждения между ними электродугового разряда либо индуктивную катушку, обеспечивающую индукционный нагрев подвижного слоя.

Целесообразно в устройстве согласно изобретению предусмотреть охлаждающую систему, позволяющую регулировать температурный профиль в подвижном слое по ходу его движения.

Целесообразно также в нем предусмотреть сепаратор для отделения сыпучего материала, который выполнен с возможностью подачи в него выходящей из подвижного слоя смеси материалов и отделения от нее сыпучего материала, при этом выходное отверстие этого сепаратора, предназначенное для выгрузки сыпучего материала, сообщается с загрузочным отверстием прочного корпуса, предназначенным для загрузки сыпучего материала во внутреннее пространство этого корпуса.

Прочный корпус может иметь предпочтительно по меньшей мере одно дополнительное впускное отверстие для подачи вспомогательных материалов, прежде всего топлива, воздуха, термостатирующего газа, химикалий, хемосорбентов.

В устройстве согласно изобретению целесообразно предусмотреть систему откачивания газов, позволяющую поддерживать разрежение внутри прочного корпуса.

Следует отметить вариант выполнения предлагаемого устройства, в соответствии с которым стенка корпуса имеет расположенные в следующем порядке в направлении снаружи внутрь слои:

а) прочную обшивку, способную выдерживать повышенное давление,

б) шумопоглощающий слой,

в) упругий слой,

г) опирающийся на упругий слой упругодеформируемый кожух из износостойкого материала.

Такая конструкция стенки зарекомендовала себя как наиболее эффективная для решения тех комплексных задач, которые должна выполнять стенка по восприятию и поглощению тепловой и механической энергии, а также по шумопоглощению.

Шумопоглощающий слой может быть при этом сформирован из песка или дерева, а упругий слой - из эластомера или из находящейся под давлением текучей среды.

В упругом слое целесообразно предусмотреть проходящие сквозь него термостатирующие каналы. Пропускание по этим термостатирующим каналам соответствующей среды позволяет не только отводить выделяющееся в результате реакции тепло, но и в целом за счет охлаждения или нагрева отрегулировать температурный профиль в подвижном слое по ходу его движения. При работе устройства в режиме, связанном с выделением тепла, внутренний кожух можно дополнительно охлаждать, что позволяет эффективнее использовать более высокую при сниженных температурах вязкость и прочность его материала.

Износостойкий (внутренний) кожух стенки предпочтительно снабжать приспособлениями, допускающими упругую деформацию этого кожуха, сопровождающуюся изменением его диаметра. В этом случае износостойкий кожух может упруго деформироваться в такт идущим изнутри ударным волнам, эффективно передавая тем самым механическую энергию на упругий слой, на который он опирается.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вертикальный разрез шахтной печи, предназначенной для обезвреживания боеприпасов или взрывчатых веществ, и

на фиг.2 - фрагмент стенки показанной на фиг.1 шахтной печи в горизонтальном разрезе.

Показанная на фиг.1 в вертикальном разрезе и обозначенная общей позицией 1 шахтная печь предназначена для обезвреживания боеприпасов или иных взрывчатых веществ, однако в аналогичном конструктивном исполнении она может использоваться в более общем случае и для обезвреживания опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов. Эта печь имеет корпус 2 с верхней, в основном цилиндрической частью 3 и нижней, конически сужающейся книзу разгрузочной частью 4. В разгрузочной части 4 имеется выпускное отверстие 5, через которое внутреннее пространство этой разгрузочной части 4 сообщается с внутренним пространством разгрузочного сборного бункера 6. У дна этого разгрузочного сборного бункера 6 расположено разгрузочное отверстие 7, а с несколько большим отступом от дна разгрузочного сборного бункера б предусмотрено отверстие 8 для подачи и выпуска газов. Это отверстие закрыто на фиг.1 фланцем 9.

Цилиндрическая часть 3 корпуса 2 закрыта сверху выполненной по типу крышки верхней корпусной деталью 10 с расположенными в ней впускными и загрузочными отверстиями 11, 12, 13, 14 и 15, предназначенными для подачи различных материалов.

Через загрузочное отверстие 12 во внутреннее пространство корпуса 2 более подробно описанным ниже образом в качестве сыпучего материала подаются стальные шарики, которые в готовой к работе шахтной печи 1 заполняют, как показано на фиг.1, часть внутреннего пространства разгрузочного сборного бункера 6, все внутреннее пространство конической разгрузочной части 4 и все внутреннее пространство цилиндрической части 3 корпуса 2. Размеры стальных шариков подобраны при этом таким образом, чтобы они образовывали внутри корпуса 2 "текучую" засыпку 16 по типу подвижного слоя.

На некотором расстоянии под смежной с загрузочным отверстием 12 поверхностью подвижного слоя 16 предусмотрено запальное устройство 18, например в виде двух электродов, между которыми возбуждается электродуговой разряд.

Через загрузочное отверстие 14 в верхней корпусной детали 10 загружают обезвреживаемые боеприпасы. Последние перемешиваются при этом с подаваемыми через загрузочное отверстие 12 стальными шариками и перемещаются вместе с ними в виде включений в подвижный слой 16 по шахтной печи 1 вниз, как это более подробно описано ниже.

В зависимости от типа тех материалов, которые подлежат обезвреживанию в шахтной печи 1, внутрь корпуса 2 через имеющие меньший диаметр впускные отверстия 11, 13 и 15 в верхней корпусной детали 10 можно при необходимости подавать различные вспомогательные материалы, например воду, топливо, воздух, горячий газ, охлаждающий газ и химикалии, в частности хемосорбенты. Не используемые впускные отверстия 11, 13, 15 при работе шахтной печи, как очевидно, закрывают.

Разгрузочное отверстие 7 разгрузочного сборного бункера 6 соединено трубопроводом 19 и сепаратором 20 для отделения сыпучего материала, а также еще через один трубопровод 22 с не показанным на чертеже разгрузочным устройством. В последнее по трубопроводу 19 отводится находящийся в разгрузочном сборном бункере 6 материал, который представляет собой смесь использованных в качестве сыпучего материала (материала подвижного слоя) стальных шариков с ломом и другими остатками, образующимися при реакции обезвреживаемого материала. При этом одновременно во всем внутреннем пространстве корпуса 2, например за счет откачивания газов по трубопроводу 8, создается разрежение, предотвращающее возможность улетучивания газов из корпуса 2.

В сепараторе 20 сыпучий материал отделяется от других остатков, прежде всего от лома и твердых отходов. Сыпучий материал по еще одному трубопроводу 21 снова подается в загрузочное отверстие 12 в верхней корпусной детали 10, а лом и другие образующиеся в результате реакции и не представляющие опасности твердые отходы можно подавать по трубопроводу 22 на окончательную утилизацию.

Описанная выше шахтная печь 1 работает следующим образом.

Непрерывная подача стальных шариков через загрузочное отверстие 12 в верхней корпусной детали 10 и производимая в том же объеме выгрузка стальных шариков через разгрузочное отверстие 7 в разгрузочном сборном бункере 6, а также возврат извлеченных в сепараторе 20 стальных шариков по трубопроводу 21 обеспечивают непрерывный кругооборот стальных шариков. По трубопроводу 35 извне поступает только такое количество новых стальных шариков, которое необходимо для пополнения их общего количества. Внутри реактора формируется показанный на фиг.1 подвижный слой 16, который в условиях динамического равновесия от загрузочного до разгрузочного отверстий примерно сохраняет показанную на чертеже форму. Обезвреживаемый материал, например боеприпасы, подаются в соответствующем образом согласованном количестве через загрузочное отверстие 14 в верхней корпусной детали 10 и смешиваются при этом со стальными шариками. Вблизи загрузочных отверстий 12 и 14 температура подвижного слоя 16 ниже температуры воспламенения/инициирования взрыва боеприпасов. Однако чем ниже опускаются боеприпасы вместе со стальными шариками в подвижном слое 16, тем выше становится температура, действию которой они подвержены. При приближении боеприпасов к запальному устройству 18 их температура уже достигает такого уровня, который лишь ненамного отличается от температуры воспламенения/инициирования взрыва. На этой стадии достаточно лишь обеспечить с помощью запального устройства 18 сравнительно небольшое дальнейшее повышение температуры для того, чтобы вызвать управляемый взрыв. Высвобождающаяся при этом тепловая и механическая энергия воспринимается, соответственно поглощается окружающими боеприпасы стальными шариками и частично передается через них на стенку 3 корпуса 2, которая для этой цели имеет определенную конструкцию, более подробно рассмотренную ниже. Связанные со взрывом и происходящие при известных условиях последующие реакции заканчиваются, когда образующие подвижный слой 16 материалы поступают в нижнюю разгрузочную часть 4 корпуса 2. В этом месте подвижный слой 16 состоит в основном из стальных шариков, металлического лома, образующегося при взрыве металлических компонентов боеприпасов, безвредных химикалий в качестве продуктов реакции и необязательно газов. Эта смесь выгружается уже описанным выше образом через разгрузочный сборный бункер 6, при этом необязательно присутствующие в ней газы отводятся через отверстие 8 для подачи и выпуска газов.

В описанных выше процессах подвижный слой 16 не только гасит ударную волну. Более того, возвращаемые в процесс через сепаратор 20 и по трубопроводу 21 стальные шарики одновременно служат регенеративными теплообменниками, соответственно аккумуляторами. В результате удается сократить расход энергии, необходимой для нагрева боеприпасов до температуры, близкой к температуре воспламенения/инициирования взрыва.

Сепаратор 20 для отделения сыпучего материала может иметь различную конструкцию. В описанном выше случае, когда сыпучим материалом служат стальные шарики, а образующийся при взрыве лом состоит в основном из железа, сепаратор может работать на магнитном принципе.

Вместо стальных шариков в качестве сыпучего материала можно также использовать шарики и из других материалов, прежде всего керамические шарики. При этом такие шарики необязательно также должны иметь абсолютно сферическую форму, а возможна любая форма, которая придает подвижному слою 16 требуемую "текучесть".

При применении металла в качестве материала засыпки вместо электродугового запального устройства 18 можно также использовать индуктивную катушку. Последняя индуктирует в сыпучем материале приводящие к его нагреву вихревые токи, которые в этом случае обеспечивают достижение температуры, необходимой для инициирования реакции. В случае материалов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, при определенных условиях можно полностью отказаться от использования отдельного запального устройства, поскольку необходимая для начала реакции температура достигается за счет тепла, образующегося в результате реакции в подвижном слое 16, без подвода энергии извне.

Как уже говорилось выше, стенка 3 корпуса 2 должна выдерживать значительные тепловые и механические нагрузки. Кроме того, происходящие в подвижном слое 16 реакции могут сопровождаться значительным шумообразованием, и поэтому эту стенку 3 целесообразно выполнить звукоизолирующей. С этой целью стенка 3 имеет следующую конструкцию, схематично показанную на фиг.2.

Радиально внутри обычной наружной прочной металлической обшивки 25, способной выдерживать повышенное давление, расположен шумопоглощающий промежуточный слой 26, который можно сформировать, например, из песка или дерева. Этот шумопоглощающий промежуточный слой 26 отделен металлическим кожухом 27 от еще одного промежуточного слоя 28, сформированного из упругой среды, соответственно упругого материала, в данном случае из резины. Сквозь этот упругий промежуточный слой 28 проходит большое количество осепараллельных термостатирующих каналов 29. По этим термостатирующим каналам 29 по мере необходимости пропускают определенный термостатирующий состав (хладагент или теплоноситель), необходимый для поддержания определенной температуры в определенной части корпуса 2.

Радиально внутренний слой стенки 3 представляет собой износостойкий кожух 30, который благодаря своей собственной эластичности способен упруго деформироваться, изменяя благодаря наличию осепараллельных желобков 31 свой диаметр в такт идущим изнутри ударным волнам. При этом износостойкий кожух 30 опирается на упругий промежуточный слой 28, который в конечном итоге воспринимает энергию деформации.

Реферат

Изобретение относится к обезвреживанию опасных или обладающих высоким энергетическим потенциалом материалов, а именно взрывчатых веществ, боеприпасов, а также других опасных веществ, которые с использованием определенных химикалий необходимо с помощью как экзотермических, так и эндотермических реакций превращать в целевые безопасные конечные продукты. Способ включает подачу сыпучего материала и обезвреживаемых материалов во внутреннее пространство прочного корпуса, в котором в контролируемых условиях инициируют реакцию этих обезвреживаемых материалов с образованием безопасных конечных продуктов. Из обезвреживаемых материалов и сыпучих материалов в прочном корпусе образуют перемещающийся сверху вниз подвижный слой, в котором подача сыпучего материала и обезвреживаемых материалов с одной стороны и выход смеси сыпучего материала с образовавшимися в результате реакции безопасными конечными продуктами с другой стороны находятся в динамическом равновесии, при этом реакцию инициируют внутри этого подвижного слоя на некотором расстоянии от его поверхности. Устройство содержит прочный корпус с шумопоглощающим слоем, способный выдерживать значительные тепловые и механические нагрузки, а также имеет устройство, обеспечивающее инициирование реакции внутри подвижного слоя лишь на некотором расстоянии от его поверхности. Изобретение позволяет усовершенствовать технологию обезвреживания опасных материалов и веществ за счет использования устройства, работающее в непрерывном режиме и обеспечивающее эффективный контроль за реакцией обезвреживания соответствующих материалов. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула