[ ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 51
ФИЗИКА. ХИМИЯ 2012. Вып. 4
Неорганическая и аналитическая химия
УДК 623.459: 504.054: 661.718
В.Г. Петров
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЖИГАНИЯ
ПРИ УНИЧТОЖЕНИИ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ В США
Рассмотрено использование в США метода высокотемпературного сжигания отравляющих веществ при реализации Международной конвенции по химическому оружию. Показана высокая эффективность применения метода для уничтожения разных типов химических боеприпасов. Проведено сравнение с реагентными методами обезвреживания химического оружия. Показано, что по ряду показателей метод высокотемпературного сжигания имеет преимущество перед реагентными методами обезвреживания отравляющих веществ. Это касается уничтожения химических боеприпасов с взрывчатыми веществами, уничтожения аварийных боеприпасов, уничтожения реакционных масс, что в технологии высокотемпературного сжигания осуществляется в одном производственном процессе. Также решается вопрос перепрофилирования объектов из-за универсальности технологии для обезвреживания ряда опасных промышленных отходов. Использование метода высокотемпературного сжигания позволило в США в 2012 г. уничтожить 90% национального запаса отравляющих веществ.
Ключевые слова: уничтожение химического оружия, метод высокотемпературного сжигания.
В начале 2012 г. в США была достигнута важная веха в реализации Программы уничтожения химического оружия (ХО) при выполнении Международной конвенции по ХО [1]. На объекте по уничтожению ХО Туэле (шт. Юта) были уничтожены последние боеприпасы с ипритом. До этого ХО было уничтожено в США на атолле Джонстон (шт. Гавайи), Аннистон (шт. Алабама), Пайн-Блафф (шт. Арканзас), Уматилла (шт. Орегон), а также на объектах Абердин (шт. Мэриленд) и объекте Ньюпорт (шт. Индиана). Общее количество уничтоженного ХО на этих объектах составило более 27 тыс. т или около 90% национального запаса ХО в США. При этом на объектах атолл Джонстон, Аннистон, ПайнБлафф, Уматилла, Туэле была реализована технология уничтожения ХО методом высокотемпературного сжигания. На объектах Абердин и Ньюпорт были реализованы реагентные методы разложения ХО.
В настоящий момент около 10% ХО в США остается на объектах Пуэбло (шт. Колорадо) и БлюГрасс (шт. Кентукки). ХО на этих объектах будет уничтожаться реагентными методами. Окончание работ по уничтожению ХО (УХО) для объекта Пуэбло предполагается в 2017 г., а для объекта БлюГрасс – в 2021 г. Рассматриваются также более поздние сроки окончания работ: 2019 г. – для объекта в Колорадо и 2023 г. – для объекта в Кентукки. В настоящий момент объекты по УХО находятся в стадии строительства. В основном закончено строительство промышленной инфраструктуры объектов [2; 3].
Таким образом, уничтожать непосредственно ХО в США методом высокотемпературного сжигания больше не предполагается. Поэтому можно сделать техническую оценку использования этого метода для обезвреживания ХО в сравнении с реагентными.
Обсуждение В табл. 1 приведено распределение ХО по базам перед началом работ по УХО, а также наименование ОВ и типы химических боеприпасов. На рис. 1 показаны типы химических боеприпасов США, уничтожение которых осуществлялось методом высокотемпературного сжигания. На рис. приведены темпы работ по УХО в США с начала выполнения Программы [4-7]. Из табл.1 видно, что методом высокотемпературного сжигания в США к настоящему времени уничтожено около 90% всего ХО, а к окончанию Программы будет уничтожено около 80%.
52 В.Г. Петров 2012. Вып. 4 ФИЗИКА. ХИМИЯ Рис. 1. Типы химических боеприпасов, которые уничтожались в США методом высокотемпературного сжигания: контейнеры, артиллерийские снаряды, мины, ракеты М55 [4] тыс. т 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 Рис. 2. Темпы УХО в США [3] Анализ применения технологии высокотемпературного сжигания… ФИЗИКА. ХИМИЯ 2012. Вып. Таблица Распределение ХО по базам хранения в США перед началом работ по УХО, степень выполнения и предполагаемые сроки окончания работ в соответствии с Программой УХО США (US Army Chemical Demilitarization Program)* [4] Объект хранения Наимено- Кол-во ОВ, тыс. тонн, Степень выпол- Технологии УХО ХО вание ОВ виды вооружения нения Программы УХО Абердин HD 1,63 Работы по УХО реагентный метод (шт. Мэриленд) контейнеры завершены разложения ОВ Ньюпорт VX 1,27 Работы по УХО реагентный метод (шт. Индиана) контейнеры завершены разложения ОВ Блю-Грасс HD, GB, 0,52 Окончание ра- реагентный метод (шт. Кентукки) VX арт.снаряды, ракеты М55 бот по УХО в разложения ОВ 2021 г. (возможно 2023 г.) Аннистон HD, GB, 2,25 Работы по УХО высокотемпературное (шт. Алабама) VX кассетные боеприпасы, завершены сжигание ОВ арт.снаряды, контейнеры, ракеты М55, мины Пайн Блафф HD, GB, 3,85 Работы по УХО высокотемпературное (шт. Арканзас) VX контейнеры, ракеты М55, завершены сжигание ОВ мины Примечание. * Зарубежные обозначения ОВ: HD – иприт серный; GB – зарин; VX – V-газ; ФОВ – фосфорорганические ОВ, М55 – ракета с химической боеголовкой, топливная и химическая часть ракеты находятся в одном неразборном корпусе.
Краткое описание технологии высокотемпературного сжигания ХО. На рис. 3 приведена общая схема организации процесса по уничтожению различных типов химических боеприпасов методом высокотемпературного сжигания на объектах УХО в США [4; 8].
В соответствии со схемой, изображенной на рис. 3, ХО транспортируется с места хранения и попадает в специальное технологическое помещение, где автоматически, без участия человека, проводятся процедуры вскрытия боеприпасов и уничтожения ОВ. Имеются четыре технологические линии, на которых разделяются части ХО и поступают в различные устройства для их сжигания. Одна линия предназначена для сжигания тары, упаковочных материалов, которые соприкасались с химическими боеприпасами при хранении и транспортировке. Другая линия предназначена для обезвреживания жидкого ОВ, которое предварительно выкачивается из химических боеприпасов. Третья – для обжига химических боеприпасов после того, как из них извлечено ОВ. Связано это с тем, что внутренняя поверхность боеприпасов также заражена ОВ. Кроме этого, из-за долгого хранения часть ОВ сгущается, полимеризуется, поэтому имеются сложности с извлечением вещества. Четвертая линия предназначена для уничтожения взрывчатых веществ, входивших в устройство химических боеприпасов. В некоторых случаях такие боеприпасы имеют неразборную конструкцию, например, ракеты М55. Отделение взрывчатых веществ или ракетного топлива осуществляется в специальном помещении, оснащенном датчиками, которое изолируется в случае нештатной ситуации. Оно способно в случае взрыва выдержать избыточное давление, защищено от воздействия осколков и ОВ. На рис. показан макет установки УХО в Туэле.
Рис. 3. Схема организации процесса высокотемпературного сжигания ОВ на объектах УХО в США [4; 8] Рис. 4. Макет установки по уничтожению ХО методом высокотемпературного сжигания на объекте Туэле (шт. Юта): а) технологические линии для первичной обработки разных частей ХО; б) установки Сжигание жидкого ОВ проводится следующим образом. ОВ из накопительной емкости после удаления из боеприпасов поступает в первичную печь, в которой создается температура примерно 1500 °С. ОВ являются термически неустойчивыми веществами и мгновенно разлагаются под действием температуры и окислителя (воздуха). Для увеличения времени пребывания продуктов разложения в зоне высоких температур и гарантированного уничтожения ОВ полученные газы из первой печи поступают во вторую, где создается температура примерно 1200 °С. После второй печи газы направляются на очистку, где проводится их обезвреживание щелочным раствором, улавливаются твердые частицы и проводится доочистка отходящих газов на туманоуловителях и фильтрах. При выбросе отходящих газов осуществляется контроль содержания ОВ в них специальными датчиками.
Схема процесса сжигания жидких ОВ приведена на рис. 5.
Рис.5. Устройство инсинератора для сжигания жидких ОВ [4] Сжигание взрывчатых веществ проводится в специальной взрывозащищенной камере. Она оборудована своей собственной системой очистки отходящих газов. Обезвреживание корпусов боеприпасов проводится в туннельной печи, отходящие газы печи имеют собственную систему очистки. После прохождения очистки газы отводятся в общую систему отвода газов установки УХО.
Технология уничтожения ХО методом высокотемпературного сжигания была опробована США для арсенала, находящегося на атолле Джонстон. Этот удаленный атолл, площадью примерно 250 га, находится в Тихом океане, в 800 милях к юго-западу от Гавайев. В разное время туда были вывезены и складированы различные химические боеприпасы (табл.1). Атолл стал удобной площадкой для технической реализации пилотного проекта УХО методом высокотемпературного сжигания. Работы по УХО были начаты в 1990 г., а закончены в 2000 г. Таким образом, к моменту начала ратификации Международной конвенции по ХО в 1993 г. США уже имели в значительной степени отработанную технологию УХО методом высокотемпературного сжигания. В дальнейшем по этой технологии были построены установки УХО в Юте, Алабаме, Орегоне, Арканзасе. Первоначально на объектах УХО уничтожались аварийные химические боеприпасы, боеприпасы, содержащие ФОВ, а также ракеты М55, так как эти виды ХО представляли наибольший риск как при хранении, так и при уничтожении.
После этого были уничтожены химические боеприпасы с ипритом.
В ходе использования в США метода высокотемпературного сжигания ХО была показана его высокая эффективность для обезвреживания разных типов химических боеприпасов. Не было ни одного официально зафиксированного случая воздействия ОВ на персонал в связи с работой установки УХО. Тем не менее имелся ряд технических инцидентов, связанных с безопасностью использования технологии, которые приведены в табл. 2 [2; 9;10]. Инциденты зачастую приводили к остановке работ по УХО и выполнению ремонтных работ. Кроме этого, при смене типа боеприпасов требовалась остановка для проведения наладки технологических линий под конкретный тип боеприпаса. Однако эти остановки в работе существенно не повлияли на темпы работ по УХО (рис. 2).
Несмотря на хорошие показатели технологии высокотемпературного сжигания, на ряде объектов были приняты реагентные технологии УХО (табл.1) в рамках программы УХО по альтернативным сжиганию технологиям АСWА (Assembled Chemical Weapons Assessment Program) по разным причинам. Эти технологии были использованы для объектов Абердин (Мэриленд) для разложения иприта и Ньюпорт (Индиана) для разложения VХ [11-16], где уничтожение ХО уже завершилось.
Также реагентные методы предполагается использовать для объектов в Колорадо и Кентукки. Однако и в этих методах предусмотрены термические методы обезвреживания боеприпасов (после извлечения из них ОВ), сжигание реакционных масс, сжигание тары, в которой хранились боеприпасы.
Инциденты на установках УХО методом высокотемпературного сжигания [2; 9; 10] Нештатное срабатывание Туэле (Юта), Проверка и замена датчиков, содатчиков химической опасности Уматилла (Орегон) и др. вершенствование системы контроля Самопроизвольный взрыв Аннистон (Алабама), Остановка работ, проверка систем в камере для сжигания взрывчатых Пайн-Блафф (Арканзас) безопасности, замена поврежденных Выход из строя устройств системы Аннистон (Алабама), Остановка работ, ремонт устройств, очистки отходящих газов Пайн-Блафф (Арканзас) замена конструкций Наличие в отходящих газах Туэле (Юта), Установка дополнительных фильтдиоксинов и паров ртути при Уматилла (Орегон) ров в систему очистки отходящих Кроме этого, разработчики альтернативных сжиганию технологий УХО столкнулись с существенными технологическими проблемами. Если уничтожение ХО на объектах в Мэриленде и Индиане, где ХО хранилось в контейнерах и был только один тип ОВ, прошло относительно быстро и эффективно, то уничтожение ХО в Колорадо и Кентукки, где имеется артиллерийское вооружение, связано с уничтожением разного типа химических боеприпасов, в том числе содержащих взрывчатые вещества, необходимостью уничтожения аварийных боеприпасов и реакционных масс, имеет затруднения.
При высокотемпературном сжигании все технологические задачи решались в рамках одного метода, но для реагентных методов разложения ОВ необходимо строительство отдельных технологических линий как по типам, так и по видам боеприпасов. Отдельно необходимо решить вопрос с аварийными боеприпасами и боеприпасами с встроенными взрывателями, которые при реагентном методе не могут быть обезврежены на основной технологической линии из-за высокого риска для персонала объекта. В частности, для этих боеприпасов рассматривается использование взрывных технологий для разрушения оболочки боеприпасов [17], которые ранее даже не рассматривались для складированного ХО. Эти технологические проблемы привели к тому, что стоимость строительства объектов в Колорадо и Кентукки из-за необходимости проведения дополнительных НИОКР выросла почти в 5 раз по сравнению с первоначальными оценками и достигла суммы в 10,6 млрд. долларов для этих двух объектов [2]. В табл. 3 приведено сравнение технологии высокотемпературного сжигания и реагентных методов для Колорадо и Кентукки.
Важной проблемой является вопрос перепрофилирования объектов УХО после окончания работ. Следует отметить, что технология высокотемпературного сжигания является более универсальным техническим решением для обезвреживания опасных веществ, чем реагентные методы [18-21]. В связи с этим перепрофилирование объекта с сохранением части рабочих мест рассматривается для ряда установок УХО методом высокотемпературного сжигания, на которых работы завершены: Аннистон (Алабама) – для обезвреживания опасных промышленных отходов; Туэле (Юта) – для уничтожения обычных типов боеприпасов, для нефтепереработки; Пайн-Блафф (Арканзас) – инфраструктура объекта для производственных целей. В то же время на объектах с реагентными методами УХО в Мэриленде и Индиане установки были полностью демонтированы, использование их под производственные цели не предполагалось.
Сравнение метода высокотемпературного сжигания и реагентных методов разложения ОВ ний для разных видов ОВ Другая технология обезвреживания ОВ с взрывчатыми веществами Другая технология для обезвреживания аварийных боеприпасов Другая технология для обезвреживания реакционных масс Необходимость специальной Можно перевести с других Требуется для каждой Выводы Таким образом, технология УХО методом высокотемпературного сжигания в США показала свою эффективность при уничтожении всех типов имеющихся ОВ. Выявленные недостатки технологии для промышленной и экологической безопасности процесса были устранены в ходе эксплуатации промышленных установок на объектах УХО. Экономические показатели технологии оказались выше, чем для реагентных методов уничтожения ОВ, использование которых привело к задержкам сроков УХО в США. Технология высокотемпературного сжигания ОВ внесла основной вклад в Программу УХО в США, позволив к 2012 г. уничтожить 90% всего ХО.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конвенция о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении // Химическое разоружение: природа, человек, право: сб. ст. Ижевск: Детектив-информ, 1999.С. 258-308.
2. Chemical weapon working group URL: http://cwwg.org 3. Петров В.Г., Трубачев А.В., Арефьев А.В. Успехи и задачи химического разоружения: препринт. Ижевск:
Изд-во ИПМ УрО РАН, 2011. 33 с.
4. The United States Chemical Stockpile Disposal Program. - Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA: PMCD, 5. Уолкер П. Программа уничтожения химического оружия в США // Материалы Вторых публичных слушаний по проблеме уничтожения химического оружия. Ижевск: Российский Зеленый Крест, 1996. С.111-114.
6. Петров В.Г., Трубачев А.В. Некоторые вопросы уничтожения химического оружия. Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2004. 49 с.
7. Петров В.Г. Уничтожение химического оружия. Ижевск: Российский Зеленый крест, 2006. 20 с.
8. Кошелев В.М., Жданов В.А., Шувалов А.А. и др. Американские разработки методов уничтожения химического оружия // Рос. хим. журн. 1995. Т. 39, №4. С. 31-36.
9. Петров В.Г. Анализ условий образования ПХДД/Ф в зонах охлаждения установок по сжиганию некоторых видов химического оружия // Вестник ИжГТУ. 2006. №3. С. 73-76.
10. Petrov V.G., Chechina A.A. The analysis conditions of formation polychlorinated dioxins and furans in zones of cooling of incinerators for arms destruction // Proc. of NBC 2006 Int. Symposium. Tampere, Finland, 2006. Р. 263-270.
11. Assembled Chemical Weapon Assessment Program. Annual Report to Congress, USA: PMCD, December 1997. 33 p.
12. Alternative Technology Program. Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA: PMCD, 1995. 2 p.
13. Neutralization technology for mustard agent HD// In Book “Review and Evaluation of Alternative Chemical Disposal Technologies”. Washington, D.C., USA: National Academy Press, 1996. P. 120-142.
14. Hydrolysis and biodegradation of sulfur mustard. –Edgewood Research, Development and Engineering Center, Maryland, USA, 1996. 7 p.
15. Ward J.R., Smith R. Review of neutralization-based technologies for bulk-loaded mustard and VX. PMCD, Washington D.C., USA, 1996. 23 p.
16. Neutralization technology for nerve agent VX // Review and Evaluation of Alternative Chemical Disposal Technologies. Washington, D.C., USA: National Academy Press, 1996. P.143-154.
17. Петров В.Г., Трубачев А.В. Обезвреживание некоторых видов химических боеприпасов с использованием взрывных технологий // Сб. трудов. 7-я Всерос. конф. «Внутрикамерные процессы и горение в установках на твёрдом топливе и в ствольных системах» (ICOC-2011, Ижевск, 29-31 марта 2011 г.). Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2011. С.243-246.
18. Субботин С.А.Уничтожение химических вооружений как частный случай проблемы обращения с отходами // Химическое оружие и проблемы его уничтожения. 1998. № 5. С. 18.
19. Петров В.Г. Перепрофилирование объектов УХО в Удмуртии // Промышленная и экологическая безопасность. 2010. №4 (42). С. 83-86.
20. Петров В.Г., Трубачев А.В. Перепрофилирование объектов по уничтожению химического оружия в Удмуртской Республике для обезвреживания промышленных отходов: препринт. Ижевск: ИПМ УрО РАН, 21. Петров В.Г., Липанов А.М., Трубачев А.В., Чечина А.А. Обезвреживание опасных веществ на перепрофилированном объекте по уничтожению люизита // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, №1. С.54-58.
V.G. Petrov The analysis of use of technology of high-temperature incineration at destruction of chemical weapon in the USA The use of the method of high-temperature incineration in the USA is considered at the realization of the International Convention on chemical weapon. High efficiency of the application of the method for destruction of different types of chemical ammunition is shown. The comparison with methods of neutralization of chemical weapon with the use of reagents is made. It is shown, that in relation to a number of indices the method of high-temperature incineration takes priority over reagent methods of neutralization of chemical weapons. It concerns the destruction of chemical weapons with explosives, the destruction of emergency ammunition, as well as the destruction of reactionary masses. In the technology of high-temperature incineration all kinds of destruction mentioned above are included into one industrial process. Also the question about the objects' restructuring due to the universality of this technology for the destruction of some dangerous industrial wastes is being solved. The application of the method of high-temperature incineration has resulted in the destruction of 90 % of the national stock of chemical weapons in the USA in 2012.
Keywords: destruction of chemical weapons, method of high-temperature incineration.
доктор химических наук, заведующий лабораторией 426067, Россия, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
«