DE4244430A1

DE4244430A1 - Desensibilisierung von Raketentreibstoffabfall

Info

Publication number: DE4244430A1
Application number: DE4244430A
Authority: DE
Inventors: Boris D Nahlovsky; Brian T Gilligan; Edward S Michalik
Original assignee: Aerojet General Corp
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Inc
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1993-10-07
Also published as: US5211777A; GB2265616A; FR2689425A1; GB9224879D0; GB2265616B; JPH05279160A; ITRM930199A0; IT1261438B; JPH0669915B2; ITRM930199A1

Description

Die Erfindung betrifft feste Raketentreibstoffe und ähnliche Zusammensetzungen und Verfahren zur Entsorgung derartiger zum Abfall bestimmter Zusammensetzungen.

Die Probleme, die mit der Entsorgung von energetischen Zusam mensetzungen, wie sie für Explosivstoffe und Treibstoffe ver wendet werden, auftreten, sind allgemein bekannt. Abfall ent steht z. B. bei der Regranulierung von Raketenmotoren und bei ähnlichen Verfahren mit ähnlichen Materialien aus einer Viel zahl von Gründen. In früheren Zeiten wurden diese Zusammenset zungen zur Entsorgung in tiefes Wasser oder ins Meer versenkt; diese "Entsorgung" wurde nunmehr gesetzlich verboten. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren, welches noch heutzu tage verwendet wird, ist das Verbrennen in offenen Gruben, ob wohl bei dieser Verbrennung in offenen Gruben kontinuierlich das Risiko der Verschmutzung des Grundwassers und der Luft be steht. Im Ergebnis ist bei Anwendung eines dieser Verfahren für jeden Einzelfall eine spezielle Ausnahmegenehmigung der zustän digen Behörden erforderlich. Gewisse Vorteile bieten im Gegen satz dazu Verbrennungsanlagen; die zur Emissionskontrolle von Verbrennungsanlagen verwendeten Skrubbers produzieren jedoch Flüssigabfall, der wiederum eigene Entsorgungsprobleme auf wirft. Die Kosten für die zusätzlichen Brennstoffe, die benö tigt werden, um die Verbrennungsanlagen zu betreiben, sind ein weiterer Nachteil. Eine Anzahl weiterer Alternativen wurde ebenfalls untersucht; hierzu gehören beispielsweise die Binde mittelsolvolyse, die Feuchtluftoxidation, die superkritische Flüssigkeitsextraktion und/oder -oxidation, die Elektrolyse und der Bioabbau.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Ver fahren zu entwickeln, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die energetische Zusammensetzung mit den folgenden Bestandteilen kombiniert wird: (a) einem Öl mit einer Viskosität von wenig stens etwa 600 Centipoise und (b) einem teilchenförmigen Fest stoffmaterial organisch-biologischer Natur, um eine desensibi lisierte (phlegmatisierte) Zusammensetzung zu bilden.

Weiterhin wird erfindungsgemäß eine desensibilisierte energeti sche Zusammensetzung bereitgestellt, bestehend aus einer ener getischen Zusammensetzung, einem Öl mit einer Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoise und einem teilchenförmigen Fest stoffmaterial organischer Natur.

Die kontrollierte Verbrennung in einem geschlossenen System ist sowohl kostengünstig als auch umweltschonend. Erfindungsgemäß wird der Treibstoffabfall in eine Form umgewandelt, die für diese Art von Entsorgung geeignet ist und die in ausreichender Weise desensibilisiert ist, so daß die Energieabgabe und die Flammentemperatur verringert sind. Hierdurch wird eine Beschä digung der Verbrennungsanlage verhindert, und es werden Gefah ren, die mit der Lagerung der Treibstoffe und der Beladung der Verbrennungsanlagen mit dem Treibstoff zusammenhängen, verrin gert.

Erfindungsgemäß werden die zum Abfall bestimmten festen energe tischen Zusammensetzungen mit einer Kombination aus einem Ver dünnungsmittel und einem Füllstoff versetzt, um die Energieab gabe und die Verbrennungsgeschwindigkeit zu verringern; die Zusammensetzungen liegen dennoch in einer Konsistenz vor, die es ermöglicht, diese leicht zu Pellets oder andere kleine Stüc ke kontrollierter Größe zu extrudieren. Erfindungsgemäß werden Treibmittelabfälle oder andere energetische Materialien mit einem Öl mit einer Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoi se und einer Vielzahl verschiedener Arten eines teilchenförmi gen organischen Materials kombiniert. Wenn diese in den ent sprechenden geeigneten Anteilen kombiniert werden, besitzt die se Kombination eine bemerkenswert geringere Flammtemperatur und Energieabgabe während der Verbrennung, und diese Kombination verbrennt mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit als die des aktiven Treibmittels. Die erfindungsgemäße Kombination ist sowohl gießfähig als auch extrudierbar, wodurch diese si cher transportierbar, handhabbar und in trockener Form lagerbar ist. Wenn die erfindungsgemäße Kombination zu Pellets extru diert wird, kann sie in hochkontrollierter Weise mit einer si cheren und trotzdem schnellen Geschwindigkeit verbrannt werden.

Weitere Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile der Er findung werden in der nachfolgenden Beschreibung offenbart. Die Erfindung wird nachfolgend insbesondere am Beispiel fester Ra ketentreibstoffe beschrieben; es wird jedoch darauf hingewie sen, daß die Erfindung ganz allgemein auf energetische Zusam mensetzungen anwendbar ist.

Die erfindungsgemäß als Verdünnungsmittel verwendbaren Öle um fassen einen weiten Bereich von Substanzen. Erfindungsgemäß verwendbar sind beispielsweise tierische Öle mit einem hohen Fettsäuregehalt, beispielsweise solche Öle, die natürlicherwei se als Fette vorkommen, beispielsweise Talg, Schweinefett und Stearinsäure, als auch solche Öle, die natürlicherweise in flüssiger Form vorliegen, beispielsweise Fischöle, Fischleber öle, Oleinsäure und Walöl. Weitere Beispiele für die erfin dungsgemäß verwendbaren Öle sind die pflanzlichen Öle aus Samen und Nüssen, beispielsweise Leinsaatöle, Tungöle, Oiticikaöle, Sojabohnenöle, Getreideöle, Baumwollsaatöle, Castoröle, Kokos nußöle und Palmöle. Weitere Beispiele sind mineralische Öle und aus Erdöl hergestellte Öle, beispielsweise auf Wachs basierende Öle, auf Asphalt basierende Öle, Naphthenöle und aromatische Mineralöle, Motoröle (einschl. Dieselöl), Maschinenöle und Schneidöle. Erfindungsgemäß werden bevorzugt von Erdöl stammen de Öle und pflanzliche Öle eingesetzt, wobei Mineralöle und Kraftfahrzeugöle insbesondere bevorzugt werden.

Hoch-viskose Öle weisen den Vorteil auf, daß sie leicht gießfä hig sind. Demgemäß werden erfindungsgemäß solche Öle bevorzugt, die eine Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoise, bevor zugt von etwa 800 Centipoise bis etwa 1400 Centipoise und ins besondere bevorzugt von etwa 900 Centipoise bis etwa 1200 Cen tipoise aufweisen. Für Kraftfahrzeugöle kann die Viskosität in Form der SAE-Zahlen angegeben werden, wobei hier ein Bereich von etwa 10 - etwa 50 bevorzugt ist.

Die erfindungsgemäß als Füllstoffe verwendbaren organischen Materialien umfassen einen breiten Bereich von in Teilchenform oder in Form von feinem Pulver vorliegenden festen organischen Materialien, die dem desensibilisierten Treibstoff die vorteil hafte Konsistenz und die vorteilhaften Brenneigenschaften ver leihen. Beispiele für die Herkunft derartiger, erfindungsgemäß einsetzbarer Materialien sind die verschiedensten Arten von Hölzern, Nußschalen, Körnern, Stärken und Materialien, die in der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelindustrie als Abfall materialien anfallen, beispielsweise Bagasse und Maiskolben. Von den von Hölzern stammenden Materialien werden erfindungs gemäß Holzmehle aus Harthölzern bevorzugt. Beispiele für der artige Holzmehle sind (Säge)-Mehle von Espen, Buchen, weißen und gelben Birken, Rotahorn und Zuckerahorn, Zuckergummi, ame rikanische Ulme und südliche Roteiche. Erfindungsgemäß können jedoch ebenfalls Weichhölzer verwendet werden. Beispiele hier für sind die östliche Weißzeder, die östliche Hemlocktanne, Jackkiefer, östliche Weißkiefer, Weihrauchkiefer, Douglastanne, Schwarzfichte, Weißfichte und nordamerikanische Lärche. Bei spiele für Materialien aus Nußschalen sind Schalen aus Mandeln, Bucheckern, brasilianische Nuß, Kokosnuß, Haselnuß, Hickorynuß, Erdnüssen, Pekannüssen, Pistaziennüssen, schwarzen Walnüssen und persischen Walnüssen. Beispiele für Kornmehle sind Weizen mehle und Reismehle.

Die Anteile des Verdünnungsmittels und des Füllstoffs bezogen auf die Gesamtkombination können variieren. Die optimalen An teile für eine beliebige Kombination hängt von Überlegungen wie den Kosten, der Konsistenz, der Fließfähigkeit, den Brenneigen schaften und den Gefährdungseigenschaften ab. Die erfindungs gemäß insbesondere bevorzugten Zusammensetzungen umfassen sol che mit einer Konsistenz vor dem Härten, welche den Zusammen setzungen ermöglicht, zu Pellets extrudiert zu werden. Die Fä higkeit, durch Extrusion geformt zu werden, ermöglicht die Kon trolle der Pelletgröße und ermöglicht die Verwendung herkömm licher Extrusionsvorrichtungen. Die optimalen Brenneigenschaf ten sind im allgemeinen bei einer Brenntemperatur von wenig stens etwa 538°C (1000°F), bevorzugt wenigstens etwa 816°C (1500°F) und insbesondere bevorzugt von etwa 816°C bis 1093°C (1500°F bis etwa 2000°F). Die Gefährdungseigenschaften können den Treibstoffabfall selbst vor seiner Kombination mit dem Ver dünnungsmittel und dem Füllstoff betreffen. In optimalen Kom binationen sind die Parameter für die Gefährdungseigenschaften, beispielsweise für den Bureau of Mines Impakttest (Schlagfe stigkeitsprüfung gemäß den Vorschriften des Bureau of Mines), weniger als etwa 25% des Risikos des Treibmittels. Optimale Risikoeigenschaften bezogen auf diesen Test umfassen im allge meinen eine Fallhöhe von wenigstens etwa 60 cm, bevorzugt eine Fallhöhe von wenigstens etwa 75 cm und insbesondere bevorzugt eine Fallhöhe von wenigstens etwa 90 cm, jeweils basierend auf einem 2 kg Testgewicht.

Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen liegen die bevorzug ten Bereiche des Verdünnungsmittels und des Füllstoffs in den meisten Anwendungen in einem Bereich von jeweils etwa 15 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%, und bevorzugt in einem Bereich von jeweils etwa 25 Gew.% bis etwa 40 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtkombi nation.

Weitere Bestandteile können erfindungsgemäß bei der Herstellung der desensibilisierten Zusammensetzung ebenfalls mit einge schlossen werden, obwohl in den meisten Fällen Zusammensetzun gen mit den erwünschten Eigenschaften ohne den Einschluß der artiger zusätzlicher Bestandteile erreichbar sind. Derartige Additive umfassen Bindemittel, Verdickungsmittel, Antiklebemit tel und Desensibilisierungsmittel. Beispiele für Bindemittel sind Wachse; Beispiele für Verdickungsmittel sind Glyceride und thixotrope Mittel im allgemeinen; Beispiele für Antiklebemittel sind Pulver; Beispiele für Desensibilisierungsmittel sind Oxal säuren und Oxalsäuresalze wie Ammoniumoxalat. Derartige Additi ve können entweder alleine oder in Kombination miteinander ver wendet werden, wobei die geeigneten Anteile und Mengen den mit der Verwendung derartiger Materialien vertrauten Fachleuten ohne weiteres ersichtlich sind.

Um die desensibilisierte Zusammensetzung zu bilden, können das Verdünnungsmittel und der Füllstoff mit dem Treibstoff in be liebiger herkömmlicher Weise vermischt werden. Optimale Verfah ren sind solche Verfahren, die eine im wesentlichen gleichmäßi ge und homogene Konsistenz erreichen und die Zusammensetzung in flüssiger Form halten, so daß sie extrudierbar oder in anderer Weise trennbar und in kleine Teile formbar und verfestigbar ist. Die Verfestigung findet statt, wenn die extrudierte Zusam mensetzung stehengelassen wird, und zwar durch die Absorption des flüssigen Verdünnungsmittels durch die Feststoffbestandtei le. In den meisten Fällen wird eine erhöhte Temperatur den Ver mischungsprozeß positiv beeinflussen. Ein bevorzugter Tempera turbereich ist ein Bereich von etwa 21°C bis etwa 38°C (etwa 70°F - etwa 100°F).

Die Größe der Stücke oder Pellets, in welche die desensibili sierte Zusammensetzung formbar ist, kann ebenfalls variiert werden. Pellets von geringer Größe bieten den Vorteil der Kon trolle bei einer höheren Verbrennungsgeschwindigkeit, d. h. der Verbrennung bei einer kontrollierten Temperatur aufgrund ihrer großen Oberfläche. Andererseits müssen die Pellets groß genug sein, um die Homogenität zu gewährleisten. In den meisten Fäl len beträgt die optimale Größe der Pellets weniger als etwa 2,54 cm (1 inch) Durchmesser und 5,08 cm (2 inch) Länge, wobei Pellets von weniger als etwa 1,27 cm ( 0,5 inch) Durchmesser und 0,63 cm (0,25 inch) Länge bevorzugt werden.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Veranschauli chung der Erfindung, wobei die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.

Beispiele

Eine Reihe von Mischungen wurde dadurch hergestellt, daß ein Komposit ANB-Treibmittel mit einer Reihe von Verdünnungsmit teln, Füllstoffen und Additiven kombiniert wurde. Die Zusammen setzung des Komposit ANB-Treibmittel war wie folgt (alle Pro zentzahlen in Form von Gewichtsprozenten):

Brennstoff:
15% Aluminium
Bindemittel:	10% Polybutadien
Oxidationsmittel:	73% Ammoniumperchlorat
Plastifizierungsmittel:	2% Polybutylen

Eine Menge von 500 g von jeder Mischung wurde dadurch herge stellt, daß die Bestandteile in einer herkömmlichen Baker-Per kins-Vertikalmischvorrichtung, die in der Industrie bei Fest treibstoffen allgemein verwendet wird, bei einer Temperatur von 25°C (77°F) vermischt werden. Nach dem Vermischen wurden die Mischungen in Form eines Blocks ausgehärtet. Die verfestigten Mischungen wurden anschließend dem Standardschlagfestigkeits test (Impact Test) des United States Bureau of Mines, unterzo gen, wobei ein 2 kg Gewicht verwendet wurde und die Flammtempe ratur je in einem Verbrennungstest in einer offenen Grube be stimmt wurde.

Die Ergebnisse dieser Tests zusammen mit den Beobachtungen über die physikalischen Form- und Gießeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Werte zeigen, daß Öle wie Mineralöl, Diesel öl, Valvoline Motoröl, pflanzliches Criscoöl und Getreideöl Verdünnungsmitteln wie Isopropylalkohol, Glycerin, Ethylengly kol, Diethylenglykol und Wasser überlegen sind, und daß eine Kombination aus Hartholzmehl/Mineralöl insbesondere vorteilhaft ist.

Die Hartholzmehl/Mineralöl Kombination, wobei Mineralöle mit zwei verschiedenen Viskositäten verwendet wurden, wurde dadurch hergestellt, daß ein ungehärtetes inertes Treibmittel mit dem Hartholzmehl und dem Mineralöl in gleichen Gewichtsanteilen vermischt wurden. Pellets wurden dadurch hergestellt, daß die Bestandteile in einem Mischgerät/Extruder mit einer Förder schnecke und zwei Mischbaffles mit 0,64 cm (1/4 inch) Löchern vermischt wurden. Das Vermischen und Extrudieren wurde bei ei ner Temperatur von 25°C (77°F) durchgeführt, und die so herge stellten Pellets wiesen einen Durchmesser von 0,64 cm (1/4 inch) und eine Länge von 2,54 cm (1 inch) auf. Die Brenneigen schaften wurden in Brenntests in einer offenen Grube bestimmt, während die Gefährdungseigenschaften, welche einen Bureau of Mines Impact Test, eine differentielle Wärmeanalyse (DTA = dif ferential thermal analysis), einen Drehfriktionstest und einen Funkentest umfaßten, wobei alle diese Verfahren so ausgeführt wurden, wie sie als Standard in der Treibstoff- und Sprengmit telindustrie durchgeführt werden.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet, wobei beide Zu sammensetzungen eine deutliche Verbesserung bezüglich der Brenn- und Explosiveigenschaften im Vergleich zum Treibstoff allein aufzeigen, wobei die Zusammensetzung mit dem hoch-vis kosen Öl die besten Ergebnisse zeigte.

Tabelle 2

Test der Hartholzmehl/Mineralölkombination zur Desensibilisation von Treibmittelabfall

Claims

1. Verfahren zur Desensibilisierung (Phlegmatisierung) ener getischer Zusammensetzungen, dadurch gekennzeichnet, daß die energetische Zusammensetzung mit den folgenden Bestandteilen kombiniert wird:

a) einem Öl mit einer Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoise und
b) einem teilchenförmigen Feststoffmaterial organisch- biologischer Natur, um eine desensibilisierte Zusammensetzung zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energetische Zusammensetzung eine energetische Feststoffzusammensetzung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die energetische Zusammensetzung ein fester Raketen treibstoff ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Feststoffmaterial organischer Na tur ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Holz teilchen, Nußschalenteilchen, Getreidemehl, Stärke und Maiskolbenteilchen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Bestandteile in (a) und (b) in der desensibilisierten Zusammensetzung in einer solchen Menge vorliegen, die ausreicht, daß die desensibilisierte Zusam mensetzung eine Schlagempfindlichkeit von weniger als etwa 25% der energetischen Zusammensetzung und eine Flammentem peratur von wenigstens etwa 538°C (1000°F) aufweist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) pflanzliche Öle und aus Erdöl stammende Öle umfaßt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) Mineralöl und Kraftfahrzeugöle um faßt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl eine Viskosität von etwa 800 - etwa 1400 Centi poise aufweist.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl eine Viskosität von etwa 900 - 1200 Centipoise aufweist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (b) ein Hartholzmehl ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) Mineralöl und der Bestandteil (b) ein Hartholzmehl ist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile (a) und (b) durch Vermischen bei ei ner Temperatur von etwa 21°C - etwa 38°C (70°F - 100°F) miteinander kombiniert werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Bestandteile (a) und (b) in der desen sibilisierten Zusammensetzung derart gewählt werden, daß die desensibilisierte Zusammensetzung eine Schlagempfind lichkeit von weniger als etwa 25% der energetischen Zu sammensetzung und eine Flammentemperatur von wenigstens etwa 816°C (1500°F) aufweist.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Bestandteile (a) und (b) in der desen sibilisierten Zusammensetzung je etwa 15 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% betragen.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Bestandteile (a) und (b) in der desen sibilisierten Zusammensetzung je etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% betragen.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) ein Öl mit einer Viskosität von etwa 900 Centipoise bis etwa 1200 Centipoise, der Bestand teil (b) ein Hartholzmehl und die Anteile der Bestandteile (a) und (b) in der desensibilisierten Zusammensetzung je etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% betragen.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die desensibilisierte Zusammensetzung zu Pellets mit einem Durchmesser von weniger als etwa 2,54 cm (1,0 inch) und von einer Länge von weniger als etwa 5,08 cm (2,0 inch) geformt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die desensibilisierte Zusammensetzung zu Pellets mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1,27 cm (0,5 inch) und einer Länge von weniger als 0,63 cm (0,25 inch) ge formt wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff-Treibmittelzusammensetzung mit den fol genden Bestandteilen kombiniert wird:

a) einem Öl mit einer Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoise und
b) einem teilchenförmigen Feststoffmaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Holzteilchen, Nußscha lenteilchen, Getreidemehl, Stärke und Maiskolbenteil chen, um eine desensibilisierte Zusammensetzung zu bilden, wobei die Anteile der Bestandteile (a) und (b) in der desensibilisierten Zusammensetzung in ei ner solchen Menge vorliegen, die ausreicht, daß die desensibilisierte Zusammensetzung eine Schlagempfind lichkeit von weniger als etwa 25% der festen energe tischen Zusammensetzung und eine Flammentemperatur von wenigstens etwa 538°C (1000°F) aufweist.

20. Desensibilisierte energetische Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine energetische Zusammensetzung, ein Öl mit einer Viskosität von wenigstens etwa 600 Centipoise und ein teilchenförmiges Feststoffmaterial organisch-biologi scher Natur enthält.