способ очистки дымовых газов от окислов серы с помощью импульсных электронных пучков
| Классы МПК: | B01D53/34 химическая или биологическая очистка отходящих газов B01D53/50 оксиды серы C01B17/60 выделение диоксида серы из газов |
| Автор(ы): | Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новоселов Ю.Н. |
| Патентообладатель(и): | Институт электрофизики Уральского отделения РАН |
| Приоритеты: |
подача заявки:
1994-05-25 публикация патента:
20.04.1997 |
Изобретение предназначено для очистки дымовых газов тепловых электростанций, отходящих газов обжиговых машин и т.д. от окислов серы. Предлагаемый способ заключается в том, что поток смеси дымовых газов с водяными парами облучают импульсно-периодическим электронным пучком с оптимальными величинами плотности тока и длительности импульса, достаточными для осуществления цепного механизма плазмохимических реакций доокисления SO2 до H2SO4 в дымовом газе. Величина длительности импульса должна быть больше времени прилипания электрона к молекуле кислорода и меньше времени рекомбинации положительных ионов азота и отрицательных ионов кислорода, а частота следования импульсов зависит от скорости потока смеси и требуемой степени ее очистки. Облучение электронным пучком ведут в направлении, перпендикулярном потоку смеси.
Формула изобретения
1 Способ очистки дымовых газов от окислов серы с помощью импульсных электронных пучков, включающий облучение потока смеси дымовых газов с водяными парами электронным пучком в направлении, перпендикулярном потоку, отличающийся тем, что облучение осуществляют импульсно-периодическим электронным пучком с оптимальными величинами плотности тока jопт и длительности импульса tи, достаточными для осуществления цепного механизма плазмохимических реакций доокисления SO2 до H2SO4 в дымовом газе, причем6 tпр<Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электрофизики и предназначено для очистки дымовых газов тепловых электростанций, отходящих газов обжиговых машин и т.д. от окислов серы. Известен способ удаления окислов серы из дымовых газов, к которым предварительно добавлены пары воды и аммиак, путем облучения дымовых газов непрерывным пучком электронов вдоль оси газового потока [1]Существенным недостатком способа является необходимость сооружения газоходов специальной конструкции, обеспечивающей ввод электронного пучка вдоль оси газохода. В этом случае используются высокоэнергетичные пучки электронов
1 МэВ, что требует обеспечения специальных мер биологической защиты. Сооружение специальных газоходов и средств биологической защиты увеличивает капитальные затраты на реализацию способа. Наиболее близким является известный способ очистки дымовых газов от окислов серы при облучении газового потока непрерывным электронным пучком в направлении, перпендикулярном потоку [2] При этом конструкция газоходов значительно упрощается, кроме того, становится возможным использование электронных пучков низкой, 200 500 кэВ, энергии, что снижает капитальные затраты как на сооружение газоходов, так и на биологическую защиту. Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на очистку дымовых газов, что связано с высокой энергетической ценой удаления одной молекулы SO2. Широкоапертурные ускорители электронов непрерывного действия, используемые в [1, 2] для облучения больших газовых объемов, имеют плотность тока пучка, выведенного в атмосферу, не более 10-6 10-5 А/см2. При облучении увлажненных газов пучками с такими плотностями тока реакции доокисления SO2 протекают с участием свободных радикалов O, OH и др. возникающих под действием электронов пучка. В идеальном случае без учета потерь каждый возникающий в газе электрон инициирует удаление одной молекулы SO2, при этом энергетическая цена удаления составляет 5 7 эВ/мол. В реальной ситуации существуют потери электронов как при вводе пучка в газ, так и в самом газе. С учетом потерь энергетическая цена составляет 10 - 12 эВ/мол. Повышение плотности тока пучка в широкоапертурных ускорителях, позволяющих облучать большие газовые потоки, возможно в импульсных (импульсно-периодических) ускорителях электронов. Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат на очистку дымовых газов от SO2 и, как следствие, уменьшение эксплуатационных расходов при реализации способа. Поставленная цель достигается тем, что поток смеси дымовых газов с водяными парами облучают импульсно-периодическим электронным пучком с оптимальной плотностью тока jопт и оптимальной длительностью импульса tи такими, при которых возникает цепной механизм плазмохимических реакций доокисления SO2 до H2SO4, причем длительность импульсаtпр <t
где tпр характерное время прилипания электрона к молекуле кислорода,
tрек характерное время рекомбинации положительных ионов азота и отрицательных ионов кислорода,
а частота следования импульсов f зависит от скорости потока газа и требуемой степени очистки и определяется по формуле
f=D
jоптtи/WoL (Гц),где D удельная доза поглощенной газом энергии пучка (эВ/см),
jопт оптимальная плотность тока пучка (A/см2),
Wo поглощенная газом энергия, необходимая для очистки дымового газа до требуемой степени (Дж/см3),
L длина по потоку зоны облучения (см). Облучение электронным пучком ведут в направлении, перпендикулярном потоку газовой смеси. Оптимальная плотность тока пучка электронов позволяет реализовать цепной механизм окисления SO2, в котором электроны, созданные в газе пучком, несколько раз участвуют в реакциях окисления. Экспериментально установлено, что для типичного состава газовых выбросов ТЭЦ и обжиговых машин оптимальная плотность тока пучка находится в диапазоне 10-3 10-2 A/см2. При облучении дымового газа импульсным электронным пучком с плотностью тока 10-3 10-2 A/см2 в газе интенсивно нарабатываются отрицательные ионы кислорода O2-, которые инициируют цепной механизм окисления SO2. В упрощенном виде его можно представить следующим образом:
здесь e электроны пучка и вторичные электроны деградационного спектра,
M молекула O2, N2 или H2O. Образованный в реакции (4) свободный электрон может вновь вступить в реакцию (1), замкнув цепь плазмохимических реакций. Если длительность импульса облучения tи меньше характерного времени tпр прилипания электронов в реакции (1), то отрицательные ионы O-2 за время действия пучка не успевают достичь необходимой для осуществления цепи (1 4) концентрации. При этом энергетические затраты соизмеримы с затратами, характерными для непрерывного электронного пучка. Уменьшение концентрации ионов O-2 в реакции (2) является полезным каналом гибели этих ионов. Их гибель в конкурирующей реакции рекомбинации (5) приводит к необходимости дополнительных затрат энергии для создания требуемой для осуществления цепи (1 4) концентрации ионов O-2. При длительности импульса электронного пучка, большей характерного времени tрек реакции рекомбинации (5), убыль концентрации ионов O-2 будет определяться не реакцией (2), а реакцией (5). При этом электроны, созданные в газе пучком, расходуются непродуктивно, что приводит к росту энергозатрат. Для типичного состава дымовых газов время tпр составляет десятки наносекунд, а время tрек
10 мкс. Таким образом, для эффективного удаления SO2 по цепному механизму с малыми затратами энергии необходимо использовать электронные пучки, длительность импульса которых находится в диапазоне от 0,1 до 10 мкс. Требуемая степень очистки дымовых газов от серы определяется санитарными требованиями и достигается при поглощении газом соответствующей дозы энергии, которая может быть обеспечена подбором частоты следования импульсов облучения. Проверка предложенного способа была осуществлена с использованием импульсного ускорителя электронов с плазменным катодом, в котором имелась возможность регулировки длительности импульса пучка при сохранении других его параметров. Для модельной смесиN2 O2 H2O S2 84 10 5 1
при оптимальной плотности тока пучка 4
10-3 A/см2 оптимальная длительность импульса электронного пучка составила 0,5 мкс. При этом энергетические затраты составили величину 0,5 эВ/мол. Увеличение длительности импульса приводило к росту энергозатрат и при tи=120 мкс энергозатраты составили 10 эВ/мол, что характерно для непрерывных пучков. Уменьшение длительности импульса также снижало энергетическую эффективность и при tи=50 нс энергетические затраты превысили 20 эВ/мол. Изменение частоты следования импульсов от 0,01 Гц до 10 Гц показало, что степень очистки газа определяется суммарной дозой поглощенной энергии. Так, например, для достижения 20% снижения концентрации SO2 в объеме 170 литров при оптимальных параметрах электронного пучка необходимо осуществить серию из 200 импульсов облучения. При этом необходимая степень очистки достигалась при любой из возможных в наших опытах частоте следования импульсов.
Класс B01D53/34 химическая или биологическая очистка отходящих газов
Класс C01B17/60 выделение диоксида серы из газов
