CC BY
53
© М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко, 2012
УЛК 622.458
М.М. Конорев, Г.Ф.Нестеренко
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УТИЛИЗАЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (РДТТ) В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Для подавления вредных примесей продуктов сгорания ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) в гидравлические сопла генераторов осадков вводятся водные растворы солей угольной и кремниевой кислот. При этом происходит также нейтрализация отработавших газов реактивной струи.
Ключевые слова: ракетные двигатели на твердом топливе, вредные примеси, нейтрализация.
В соответствии с договором о сокращении наступательных вооружений (СНВ-2) РФ приняла на себя перед международным сообществом обязательство об уничтожении (утилизации) ракетных твердотопливных двигателей (РДТТ): СС-25 «Тополь» — 253 ракеты; СС-24 — 66 ракет; СС-Н — 20 морского базирования — 91 шт. Корпуса РДТТ сделаны из прочного стеклопластика, внутри их залито в жидком состоянии ракетное топливо, которое после отвердевания образует с корпусом двигателя монолитную конструкцию. Топливо представляет собой механическую смесь неорганического окислителя с полимерным горючим-связкой.
Способ гидроразмыва РДТТ и утилизации измельченного топлива в качестве компонентов промышленных ВВ (фирмы «Тиокол Кеми-кал», «Юнайтед Технолоджи»), апробированный в США, и на Украине (г. Павлоград), положительных результатов не дал вследствие низкого качества образующихся продуктов.
В 1992 г. Министерство обороны РФ объявило конкурс на наиболее экономичную и экологически чистую установку по утилизации ракетных твердотопливных двигателей. В результате предпочтение было отдано фирме «Ёокхид Мартин». Установка включает камеру сжигания — герметический цилиндр Ь = 50 м и ё = 7 м, изнутри облицованный огнестойким и коррозионно-стойким материалом и систему скрубберов.
Применение технологи «Ёокхид-Мартин» планировалось на заводе — изготовителей РДТТ в г. Воткинске. Однако из-за протестов населения и экологов строительство объекта утилизации ракетных двигателей не состоялось.
Несмотря на высокую эффективность технологии (табл. 1) следует отметить ее недостатки.
Основным недостатком технологии «Ёокхид-Мартин» является высокое требование к состоянию корпусов ракетных двигателей, в связи с чем производится отбраковка большого количества РДТТ на открытое сжигание.
Таблица 1
Сравнительные данные по составу газовой смеси при сжигании двигателя первой ступени ракеты СС-25 (т=27,8 т)
Продукты сгорания До очистки (открытый способ сгорания) После очистки по технологии фирмы «Локхид-Мартин», кг
кг %
Водород 719 3,0 803
Пары воды 433 2 42134
Оксид углерода 6918 27,2 5742
Азот 3478 13,7 3478
Хлористый водород 3508 13,8 70
Двуокись углерода 333 1,3 2181
Летучие органические соединения 0,2 0,22
Растворимые органические соединения 0,4 —
Оксид алюминия 10028 39 148,3
Кроме того, эффективность по нейтрализации оксида углерода не превышает 17 %, количество парникового газа С02 увеличивается ~ в 7 раз, возрастает и количество летучих органических соединений (табл.1).
Существенным недостатком технологии «Локхид-Мартин» является применение только одного реагента (№ОН) для частичной нейтрализации хлористого водорода [1].
Из анализа химического состава следует, что уменьшение количества хлористого водорода в 50 раз должно было привести к нейтрализации только 15% (1,5 т) оксида алюминия с образованием А1С13. Однако информация об использовании хлорида алюминия и способах очистки от него 42 т использованной воды не приводится. При этом не известно, каким способом нейтрализуется 8,5 т А12О3.
Кроме того, при использовании Л/аОН для нейтрализации хлористого водорода образуется поваренная соль, об использовании которой и способах очистки использованной в технологии 42 т воды информации нет.
В настоящее время способом открытого сжигания РДТТ производится ликвидация их на полигонах 0рен-
бургской области, г. Бийске и г. Перми, что вызывает справедливое возмущение населения этих регионов.
На основании исследований ФНПЦ «Алтай» (г. Новосибирск) установлено также, что применение способа утилизации СТРТ типа ОПАЛ в деструктурирующей среде — толуол, бензол, уксусная и азотная кислоты, ацетилацетона обеспечивает извлечение твердых компонентов >90 %.
ГРЦ «КБ им. Макеева» (г. Миасс) совместно с НПЦ «Алтай» и Московским институтом теплотехники на основе проведения испытаний в 19982000 гг. по сжиганию ракет РСМ-52 была разработана программа сжигания РДТТ на открытом стенде, не прошедшая экологическую экспертизу [2—4].
С 2000 г. опытно-испытательной станцией № 6 (ОПС-6) ФНПЦ «Алтай» проводится открытое сжигание РДТТ с применением защитной водяной завесой (ЗВЗ).
Система ЗВЗ включает емкость для воды объемом 200 м3, насосную станцию, сеть трубчатых коллекторов с отверстиями для впрыска воды, сливные водоводы и бассейн — отстойник объемом 170 м3.
Следует отметить, что в процессе сжигания с применением ЗВЗ большая часть воды испаряется, при этом HCl и AI2O3 выносятся в окружающую среду.
ФНПЦ «Алтай» совместно с Красноярским политехническим университетом предложена блок-схема механической разделки РДТТ в стружку и дальнейшую переработку путем сжигания в углеводородном топливе, либо разделением на компоненты. Недостаток способа — необходимость создания участка регенерации HCl. Однако после обсуждения диоксино-вой проблемы актуальность предложения исчезла [2—4].
На основании анализа существующих способов ликвидации РДТТ установлено, что наиболее перспективными с экологической точки зрения являются:
• химическое разложение связующего;
• сжигание в эжекторе (горных выработках) с использованием (аккумулированием) выделяющейся тепловой энергии.
В связи с тем, что не существует современных методик расчета химического разложения, необходимо использовать способ сжигания в эжекторе с применением газовых турбин, в т.ч. и в горных выработках [5].
В данном случае концентрация кислорода в смеси обеспечивается на уровне 18,5 %:
м = G^ = 3409 - 0,21 = .
G0l + G02
3852
выработках размещаются перфорированные контуры, через которые вводятся водные растворы №0И, солей кремниевой и угольной кислот (НагБЮз, №2С03). В результате химических реакций происходит нейтрализация токсичных примесей:
А1203 + 6НС1 = 2А1С13 + 3Н20 (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
В то время как при открытом сжигании концентрация кислорода не превышает 6 %. Это условие и снижение температуры до 414 К позволяет предотвратить образование экологически опасных диоксинов.
Для нейтрализации вредных примесей в продуктах сгорания в горных
№2БЮ3 + 2НС1 = = Н2ЭЮ3 + 2^С1 Na2SiOз + 2Н2 О ^ ^ H2SiO3 + 2NaOH 3Na 2С03 + 2А1С13 + 3Н20 = =12А1(0Н)3 + 6NaC1 + 3С02 Na2SiO3 + 2HNO3 = = + H2SiO3
А1С13 (после сушки) можно использовать в качестве катализатора в процессах органического синтеза, гидроокись алюминия — для получения алюминия электрометрическим способом с применением криолита.
Образующаяся в результате химических реакций (45—48) кремниевая кислота (И2ЗЮ3) превращается в хороший адсорбент силикагель. Удельная поверхность его составляет (200 —600) м2/г, объемная удельная поверхность
— 0,4 см3/г, размер «входных окон» — (5—20)-10-10м (5—20 ангстрем).
Это позволяет адсорбировать отрицательные ионы хлора и молекулы
— СО, НОх, С02, N02, размер которых составляет соответственно — 1,8-10-10м 2,8-10-10м, 3-10-10м, 4,4-10-10м, 4,8-10-10м, а также молекулы А1203 [6].
Процесс адсорбции у силикагеля необратимый и протекает на молекулярном уровне.
При использовании газотурбинных двигателей для подавления вредных
примесей продуктов сгорания РДТТ в гидравлические сопла генераторов осадков вводятся водные растворы солей угольной и кремниевой кислот. При этом происходит также нейтрализация отработавших газов реактивной струи.
В водном растворе солей кремневой кислоты происходит гидролиз:
№28Юз + 2Н20 ^ ^ Н28Ю3 +2Na0H.
(6)
Химические реакции с нейтрализацией вредных газов протекают следующим образом:
(7)
+ 02 = 2NO2
4NO2 + 02 + 2Н20 = 4HNOз (8)
Na2COз + 2HNOз = = 2№^3 + Н2С03
(NH4 )2 С03 + 2HNOз = = 2^4 N03 + Н2 С03
(9)
(10)
ШОН + Н^3 =NaNOз + Н2 О (11) Ш2С03 + Н20 + С02 = 2NaHCOз, (12)
(13)
(14)
Ре203 + 3СО = 2Бе + 3С02
СаО + СО2 = СаСО3.
Более высокими адсорбционными свойствами, чем силикагель, обладают природные цеолиты.
Природные цеолиты — группа минералов вулканическо-осадочного происхождения, каркасные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов. Структура цеолитов напоминает пчелиные соты, в которых содержатся молекулы воды и катионы щелочных и щелочноземельных металлов (На, К, Са, Ва, Бг и др.). Размер сот у различных цеолитов колеблется в пределах (3—10)10-10 м (3—0 ангстрем). Катионы А1+3 и Б1+4 , находящиеся в сотах цеолитов, могут переходить в раствор, уступая место эквивалентному количеству ионов другого типа (В, ва, вв, Р и др.), без изменения строения кристаллической решетки. Цеолиты нашли широкое применение в промышленных технологиях о чи стки , животноводстве, медицине и др.
Технологические схемы утилизации РДТТ с применением газового эжектора и в горных выработках приведены на рис. 1, 2. Технологическая схема приготовления пыле-газоподавляющих смесей приведена на рис. 3.
Рис. 1. Схема ликвидации РДТТ с применением газового эжектора:
1 — генератор осадков; 2 — емкость для нейтрализующих растворов; 3 — ракетный двигатель; 4 — газовый эжектор; 5 — перфорированный контур; 6 — многофазная струя генератора; 7 — неизотермическая газовая струя
Рис. 2. Схема ликвидации РДТТ в тоннеле
1 — тоннель; 2 — ракетный двигатель; 3 — автоматические герметичные перекрытия; 4 — вентилятор; 5 — емкость для нейтрализующих растворов; 6 — генератор осадков; 7 — многофазная струя генератора; 8 — газовая струя; 9 — шламоотстойник; 10 — перфорированные контуры для введения нейтрализующих растворов; 11 — каналы подвода нейтрализующих растворов; 12—вентиляционный канал
Рис. 3. Технологическая схема приготовления пылегазоподавляюших смесей для ОГР и мегаполисов
Несмотря на экологическую безопасность предлагаемой технологии для ликвидации РДТТ, рекомендуется использовать отработанные карьеры, расположенные, например, в удаленных районах Свердловской области: Ауэрбаховский и Покровский карье-
1. Конорев М.М. К вопросу разработки экологически безопасной технологии ликвидации крупногабаритных твердотопливных ракетных двигателей РДТТ с использованием горных выработок. [Текст] / Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. и др.// Материалы 1-го Уральского международного экологического конгресса «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов: Том 1. Геоэкология. Инженерная экология. — 2007. — С.320 — 322.
2. Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых твердых ракетных то-плив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники. Сборник, ФГУП «ФНПЦ «Алтай», г.Бийск, 2003 г., С. 7—10.
3. http ://intd. uniudm. ru/proj/votk2. ru/ buklet.teacher.HTMJ.htm.
ры, находящиеся соответственно в 30 и 90 км от г.Серова, Валуевский карьер, расположенный в районе г.Кушва. Кроме того, в качестве мест ликвидации РДТТ может быть принят отработанный Петлинский карьер Бакальского РУ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Белоконь С.Л. Ликвидация твердотопливных ракет и химическая безопасность. Бийское отделение международного социально-экологического союза (МСоЭС, Алтайский край).
5. Конорев М.М. Технология ликвидации ракетных твердотопливных двигателей (РДТТ) в отработанном карьере на установке эжекторного типа [Текст]./М.М.Конорев, Г.Ф. Нестеренко//Сб. научных трудов ИГД УрО РАН, посвященный 100-летию М.В. Васильева. — Изд-во УрО РАН, Екатеринбург, 2008, — С. 350—357.
6. Нестеренко Г.Ф. Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров [Текст]/ Г.Ф.Нестеренко // Дисс.. докт. техн. наук. — ГИ УрО РАН, Пермь, 2008. — 355 с. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Конорев М.М. — доктор технических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией экологии горного производства,. [email protected]
Нестеренко Г.Ф. — доктор технических наук, старший научный сотрудник, [email protected] Институт горного дела УрО РАН.
ГИАБ-ДАЙДЖЕСТ -
В 2010 г. в России было добыто 176, 4 т золота, 5,3 т из них пришлось на компанию «Руссдрагмет».
По материалам журнала «Эксперт» (№ 46)
