Способ очистки дымовых газов от окислов серы с помощью импульсных электронных пучков

 

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.

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 j_опт и оптимальной длительностью импульса t_и такими, при которых возникает цепной механизм плазмохимических реакций доокисления SO₂ до H₂SO₄, причем длительность импульса t_пр <t <t, где t_пр характерное время прилипания электрона к молекуле кислорода, t_рек 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·j_оптt_и/W_oL (Гц), где D удельная доза поглощенной газом энергии пучка (эВ/см), j_опт оптимальная плотность тока пучка (A/см²), W_o 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 t_и меньше характерного времени t_пр 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 t_рек 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 t_пр составляет десятки наносекунд, а время t_рек ≈ 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 смеси
N₂ 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 t_и=120 мкс энергозатраты составили 10 эВ/мол, что характерно для непрерывных пучков. Уменьшение длительности импульса также снижало энергетическую эффективность и при t_и=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.

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 j_опт и длительности импульса t_и, достаточными для осуществления цепного механизма плазмохимических реакций доокисления SO₂ до H₂SO₄ в дымовом газе, причем6 t_пр<<_ек,1 где t_пр характерное время прилипания электрона к молекуле кислорода, с;4 t_рек характерное время рекомбинации положительных ионов азота и отрицательных ионов кислорода, с,1 а частота следования импульсов определяется по формуле:6 f Dj_оптt_и/W_oL, Гц,1 где D удельная доза поглощенной газом энергии пучка, эВ/см;4 j_опт оптимальная плотность тока пучка, А/см²;4 W_o поглощенная газом энергия, необходимая для очистки дымового газа до требуемой степени, Дж/см³;4 L длина по потоку зоны облучения, см.