СПОСОБ УДАЛЕНИЯ SO И NO ИЗ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B01D53/50 B01D53/56 B01D53/60 B01D53/32 B01J19/08 

Изобретение относится к способам удаления кислотных загрязнителей, таких как SO₂ и NO_x из топочных газов путем воздействия излучения, в частности из промышленных топочных газов, выбрасываемых нагревательными установками и электростанциями, а также к устройствам для удаления SO₂ и NO_x из промышленных топочных газов.

Загрязнение воздуха, вызываемое газообразными продуктами сгорания угля и ископаемого топлива в теплоэлектростанциях, представляет собой серьезную проблему глобального масштаба. Типичная теплоэлектростанция производительностью 500 МВт выбрасывает 3 - 5 т загрязненного топочного газа ежечасно, что оказывает кумулятивное вредное воздействие на окружающую среду. Для очистки промышленных топочных газов разработан ряд эффективных способов.

Удаление кислотных загрязнителей из топочных газов химическими способами основано на абсорбции кислотных загрязнителей в щелочных растворах, т.е. в известковых взвесях. Такие методы влажной очистки приводят к образованию огромных количеств осадка. Кроме того, таким путем можно удалять только SO₂. В топочных газах остаются значительные количества NO_x в частности NO, которые вместе с фреоном влияют на образование озонной дыры, поэтому возникает необходимость строить отдельные установки для удаления из топочных газов NO_x. Такие установки основаны на различных принципах, главным образом на каталитическом восстановлении.

Известен способ удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, включающий облучение их электронным пучком в реакционной зоне.

Известно также устройство для осуществления такого способа, содержащее реактор, снабженный по меньшей мере одним источником пучка электронов (PL, A, 284996).

Способ с использованием облучения позволяет уничтожить 95% SO₂ и 80% NO_x в одной установке. Однако в этом способе очень важно повысить эффективность реакций, которая зависит от количества, температуры и состава газовой смеси. Высокой эффективности достигают за счет введения влаги и некоторых количеств аммиака перед облучением. Этот известный способ основан на одновременных реакциях, которые инициируются излучением и приводят к образованию твердых продуктов. Эти продукты используются затем в качестве удобрений.

Облучение топочного газа в присутствии водяных паров приводит к образованию атомных и молекулярных радикалов и свободных электронов. Радикалы OH^., O^. и H₂O^. окисляют SO₂ и NO_x до SO₃ и NO₂ и далее в присутствии воды образуются H₂SO₄ и HNO₃. Наконец, данные соединения реагируют с аммиаком, в результате чего образуются твердые продукты NH₄NO₃ и (NH₄)₂SO₄, которые могут использоваться в качестве удобрений. Процесс проводят при температуре от 65 до 100^oC.

Оптимизация температуры, степени увлажнения и содержания аммиака в соответствии с составом газа и скоростью потока оказывает незначительное влияние на эффективность удаления кислотных загрязнителей из топочного газа.

При этом проводились исследования, направленные на повышение эффективности способов, основанных на использовании излучения. В основе этих способов - использование электростатических и электромагнитных полей, которые могут повысить содержание свободных электронов и свободных радикалов и изменить протекание химической реакции.

В частности, в способе, описанном в патенте DD-243-216A1, предлагается использование (помимо электронного пучка, обладающего энергией 50 - 500 кэВ) электростатического поля напряженностью по 100 В/см с тем, чтобы снизить расход электроэнергии в ходе процесса. Данный способ позволяет повысить эффективность очистки.

Однако недостаток этого способа состоит в том, что в реакторе приходится применять дополнительные решетки из электродов. Эти электроды расположены на расстоянии 16 см друг от друга для того, чтобы сформировать электрическое поле в зоне реакции. Твердые продукты реакции и летучая зола, образующиеся в процессе облучения и после того, как облучение прекращают, имеют тенденцию осаждаться на электродах и блокировать реактор.

Вышеописанный недостаток может быть преодолен с помощью способа, описанного в патенте JO-1099-633-A, в котором для облучения реактора применяют лазерный луч (Лазер ArF с длиной волны 193 нм) и дополнительно вводят CH₃OH. CH₃OH возбуждают при помощи света для образования радикалов OH^., которые связывают NO и SO₂ в твердые продукты, подлежащие удалению. Использование лазерного луча дает положительные результаты, но для промышленного применения этот способ слишком сложен и достаточно дорого стоит. Эффективность данного способа не слишком высока вследствие того, что наличие воды ограничивает проникновение ультрафиолетового излучения внутрь реактора. Кроме того, трудно добиться того, чтобы действие светового луча распределялось в пространстве однородно, а это необходимо при использовании соединения CH₃OH.

Проблема экономии электроэнергии особенно важна в промышленных установках, поскольку 2 - 4 процентов всей энергии, производимой электростанцией, затрачивается на очистку топочных газов от кислотных загрязнителей.

В основу изобретения положена задача создать способ удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, который позволял бы при снижении энергозатрат обеспечивать повышение эффективности процесса очистки топочных газов, а также создать надежное и удобное в эксплуатации устройство для осуществления такого способа.

Задача изобретения решается тем, что в способе удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, включающем облучение их электронным пучком в реакционной зоне, согласно изобретению, поток указанных топочных газов подвергают воздействию микроволн, применяемых в виде непрерывного или импульсного потока.

При этом целесообразно поток топочных газов обеспылить и перед его подачей в реакционную зону увлажнять и вводить в него аммиак.

Продукт реакции возможно получать в твердом или жидком виде и использовать в качестве удобрения.

При этом предпочтительно в зону облучения электронным пучком вводить поток импульсной микроволновой энергии, обладающий напряженностью электрического поля E_i > 300 В/см при длительности (τ) импульса между 10^-7 и 10^-3 с и частоте следования f > v/α_k , где v - скорость газового потока, α_k - протяженность зоны облучения, причем давление внутри реактора близко к атмосферному давлению, а частота следования импульсов микроволновой энергии составляет 200 - 10000 МГц.

При этом желательно в импульсный поток дополнительно внедрять поток незатухающей микроволновой энергии, обладающий напряженностью электрического поля менее 300 В/см и частотой 200 - 10000 МГц.

Кроме того, предпочтительно также электронный пучок реализовать в виде импульсного электронного пучка с длительностью (τ) импульса между 10^-8 и 10^-5 c, причем чтобы импульсы электронного пучка и микроволн были синхронизированы так, чтобы предпочтительно импульсы электронного пучка обгоняли импульсы микроволн, а топочный газ при проходе через реакционную зону сначала контактировал с электронным пучком, а затем с микроволнами.

Задача решается также и тем, что в устройстве для удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, содержащем реактор, снабженный по меньшей мере одним источником пучка электронов, согласно изобретению реактор дополнительно снабжен по меньшей мере одним источником микроволн.

При этом желательно, чтобы источник микроволн представлял собой средство ввода потока микроволновой энергии в реактор через его стенку под прямым углом к направлению пучка электронов посредством входного и выходного прямоугольных волноводов, каждый из которых присоединен к реактору концевым участком своей узкой боковой стенки.

Кроме того, предпочтительно оснастить устройство двумя дополнительными волноводами, присоединенными к стенке камеры излучателя, расположенной между реактором и ускорителем, посредством микроволновых окон, проницаемых для микроволновой энергии, сформированных на концевых участках узких боковых стенок дополнительных волноводов, причем эти волноводы следует подключить каждый к соответствующему из двух отводов 3-дВ устройства, при этом один отвод необходимо соединить с микроволновой нагрузкой, а другой присоединить к микроволновому генератору, а микроволновую нагрузку приспособить для поглощения микроволновой энергии с обеспечением возможности подавления любой отраженной микроволновой энергии, поступающей от 3-дВ устройства.

Важной отличительной особенностью способа согласно изобретению, является вторичное использование свободных электронов, которые возбуждают в ходе облучения и вводят в систему в форме пучка ускоренных электронов с целью создать окисляющие радикалы, а также применение микроволновой энергии для увеличения количества свободных электронов и для поддержания их энергии на оптимальном уровне. Это приводит к снижению средней мощности дозы поглощения электронного пучка и снижает затраты на ускорители при той же эффективности очистки.

Максимальная применяемая по настоящему изобретению доза поглощения электронного луча составляет 1 - 20 кГр. На практике эта доза устанавливается в соответствии с требуемыми результатами. Например, когда требуется приблизительно 50%-ное сокращение загрязнителей, то доза может составлять 5 - 10 кГр.

Количество аммиака, добавляемого к топочному газу в реакторе зависит от содержания SO₂ и NO_x и приблизительно соответствует стехиометрическому количеству. Содержание воды предпочтительно должно составлять 8 - 12 об.% и может быть оптимизировано в соответствии с ситуацией, сложившейся в системе.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает схематически приведенный в примере реактор с концентрированным пучком электронов согласно изобретению;
фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, вид в плане;
фиг. 3 - схематически приведенный в примере реактор с ускорителем электронов в виде линейной сканирующей системы, смонтированной на реакторе в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 4 - блок-схема опытной установки, согласно настоящему изобретению.

Перед поступлением в реактор согласно стандартной процедуре, применяемой при облучении, топочный газ подвергают обработке (отфильтровывают частицы летучей золы, производят увлажнение, вводят аммиак). Дополнительное введение микроволновой энергии частотой 200 - 10 МГц в зону реакции, которая уже облучается пучком электронов, увеличивает количество свободных электронов и свободных радикалов в этой зоне. Благодаря этой мере повышается эффективность удаления кислотных загрязнителей из топочных газов. Образовавшиеся в результате процесса твердые продукты собирают на фильтрах. Электрический компонент потока микроволновой энергии принимает участие в процессе, происходящем в зоне реакции, где облучают топочные газы. Микроволновую энергию вводят в реактор через волноводы входа и выхода, прикрепленные к стенкам реактора, при этом энергия поступает в поток ускоренных электронов. Подключающие элементы расположены по узким сторонам волноводов и имеют форму прямоугольников. Аппарат, который может быть оснащен двумя дополнительными волноводами, повышает эффективность очистки. В оптимальном варианте микроволновая энергия вводится в реактор перпендикулярно оси реактора, но может быть направлена и под любым другим углом, в зависимости от геометрической формы конструкции реактора. Как показано на фиг. 1 - 3, поток микроволновой энергии внедряется в реактор 4 через боковую стенку таким же образом, как вышеуказанный пучок электронов, через входной и выходной прямоугольные волноводы 5, подключающие элементы которых выполнены в узких стенках волноводов. Наличие импульсов микроволновой энергии ведет к увеличению количества свободных электронов и свободных радикалов в данном объеме, что позволяет сделать процесс очистки более эффективным.

Чтобы поддержать энергию свободных электронов, два дополнительных прямоугольных волновода 3 устанавливают на камере излучателя 2 электронов между реактором 4 и укорителем 1 и 1'. Соединительные детали находятся в узких стенках волноводов, а волноводы прикреплены к двум выводным отводам 3-дБ устройства, приспособленного для деления потока энергии генератора на два раздельных потока. Один отвод соединен с соответствующей микроволновой нагрузкой (в этом устройстве микроволны поглощаются без отражения), а другой отвод прикреплен к генератору микроволн. Стабильный поток микроволновой энергии поддерживает энергию свободных электронов, принимающих участие в процессе. Генерация свободных радикалов и сам процесс очистки более эффективны, чем в известном способе (DD243218 A1), несмотря на то, что никаких дополнительных электродов в реакторе не устанавливают.

Согласно изобретению помимо электронного пучка в реакторе используют поток микроволновой энергии частотой 200 - 10000 МГц. Топочный газ на входе в реактор должен быть очищен от летучей золы и увлажнен, как при использовании других способов облучения. Использование микроволновой энергии повышает количество радикалов OH^. благодаря присутствию большего числа свободных электронов, что выражено следующей формулой:
,
где
N_eo - количество свободных электронов до применения микроволновой энергии; v_i - количество ионизирующих столкновений, зависящее от напряженности электрического поля внутри импульса микроволновой энергии; t - время.

Использование микроволновых импульсов ведет к умножению свободных электронов, в то время, как стабильный поток микроволновой энергии паддерживает энергию этих свободных электронов на нужном уровне.

Пример. Изобретение было испытано на установке, показанной на фиг. 4. Установка для удаления SO₂ и NO_x из топочных газов была создана на основе укорителя ILU 6 [1] и дополнена двумя независимыми микроволновыми генераторами. Такая конструкция позволила испытать эффективность концепции очистки, основанной на одновременном использовании пучка электронов и потоков микроволновой энергии для получения свободных радикалов в реакторе.

Две нагревательные печи 6, каждая из которых была оснащена водотрубным котлом, применялись для производства газообразных продуктов сгорания топлива. Испытуемая композиция топочного газа была получена путем введения в газовый поток таких компонентов, как SO₂, NO и NH₃.

Установка состояла из вводной системы (два котла с нагревательной печью, регулятор давления в котле, система дозировки SO₂, NO и NH₃, аналитическое оборудование), реактора, в которой можно было одновременно или порознь вводить пучок электронов от ускорителя 1 [1] и микроволновые потоки от импульсного генератора 7 и генератора 8 несущей частоты, и выходной системы (отстойник 9, фильтрационная установка 10 (например, рукавный фильтр), вентилятор 11, отводящий газопровод 12 и аналитическое оборудование). Датчики температуры были установлены в нескольких точках в газопроводе и в реакторе. Скорость потока, проходящего через установку, составляла 400 Нм³/ч. Температуру газа в реакторе можно было поддерживать в пределах 70 - 100^oC с помощью системы водяного охлаждения котла.

Основные параметры источников ускоренных электронов и потоков микроволновой энергии представлены в табл. 1.

Состав топочного газа в реакторе представлен в табл. 2.

Топочный газ подавали в реактор, имеющий форму цилиндра с диаметром 200 мм. Микроволновые потоки проходили по оси. Электронный пучок вводили в реактор перпендикулярно оси реактора, через титановое окно толщиной 50 мкм. Более 75% микроволновой энергии концентрировалось в нагнетаемом объеме, впускное и выпускное отверстия для топочного газа располагались на боковой стенке реактора. Поток газа мог течь прямо или по спирали. Температура топочного газа на выходе из реактора не превышала 100^oC.

Испытания проводились с целью определить эффективность удаления SO₂ и NO_x из топочных газов и установить размеры снижения энергозатрат при одинаковой степени очистки, сравнив результаты, полученные при применении одного электронного пучка, с результатами, полученными при применении комбинации электронного пучка и микроволновой энергии в виде незатухающей волны и/или в виде источника импульсов, используя равные по мощности микроволновой поток и пучок электронов в газовой фазе.

Эффективность очистки топочного газа при одинаковых энергозатратах показана в табл. 3.

Потребность в электроэнергии при комбинированном методе очистки с применением электронного пучка и микроволн:
SO₂ 95% - поглощение энергии 5,5 кГр
NO_x 80% - поглощение энергии 7 кГр
Сокращение потребности в электроэнергии на дозу в кГр при одинаковых условиях показана в табл. 4. Выражение "одинаковые условия" означает, что в течение эксперимента все параметры, относящиеся к количеству и составу примененного газа, а также показатели температуры и давления были одинаковыми.

Полученные результаты показывают, что и эффективность очистки, и снижение энергозатрат являются преимуществами данного способа.

Изобретение определяется прилагаемой формулой изобретения. На основе формулы изобретения возможно осуществить данное изобретение в различных модификациях, но отходя от основной концепции изобретения.

Промышленное применение изобретения состоит в том, что в процессе удаления кислотных загрязнителей, таких как SO₂ и NO_x из продуктов сгорания топочных газов, в частности газов, отходящих из нагревательных установок и электростанций, изобретение променяет наряду с электронным пучком микроволновую энергию с целью повышения эффективности и снижения энергозатрат.

Изобретение может быть использовано для удаления кислотных загрязнителей из топочных газов путем воздействия излучения. Способ осуществляют облучением потока топочных газов электронным пучком, а также воздействием микроволн в виде непрерывного или импульсного потока. Устройство содержит реактор, снабженный по меньшей мере одним источником пучка электронов и по меньшей мере одним источником микроволн. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки и снизить энергозатраты. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Способ удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, включающий облучение их электронным пучком в реакционной зоне, отличающийся тем, что поток указанных топочных газов подвергают воздействию микроволн, применяемых в виде непрерывного или импульсного потока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток топочных газов обеспыливают и перед его подачей в реакционную зону увлажняют и вводят в него аммиак. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что продукт реакции получают в твердом или жидком виде и используют в качестве удобрения. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зону облучения электронным пучком вводят поток импульсной микроволновой энергии, обладающий напряженностью электрического поля E_i > 300 В/см при длительности (τ) импульса между 10^-7 и 10^-3 с и частоте следования f > v/α_к, где V - скорость газового потока, α_к- протяженность зоны облучения, причем давление внутри реактора близко к атмосферному давлению, а частота следования импульсов микроволновой энергии составляет 200 - 10000 МГц. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в импульсный поток дополнительно внедряют поток незатухающей микроволновой энергии, обладающий напряженностью электрического поля менее 300 В/см и частотой 200 - 10000 МГц. 6. Способ по любому из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что электронный пучок реализуют в виде импульсного электронного пучка с длительностью (τ) импульса между 10^-8 и 10^-5 с, причем импульсы электронного пучка и микроволн синхронизированы так, что предпочтительно импульсы электронного пучка обгоняют импульсы микроволн, при этом топочный газ при проходе через реакционную зону сначала контактирует с электронным пучком, а затем с микроволнами. 7. Устройство для удаления SO₂ и NO_x из потока промышленных топочных газов, содержащее реактор, снабженный по меньшей мере одним источником пучка электронов, отличающееся тем, что реактор дополнительно снабжен по меньшей мере одним источником микроволн. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что источник микроволн представляет собой средство ввода потока микроволновой энергии в реактор через его стенку под прямым углом к направлению пучка электронов посредством входного и выходного прямоугольных волноводов, каждый из которых присоединен к реактору концевым участком своей узкой боковой стенки. 9. Устройство по пп. 7 и 8, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными волноводами, присоединенными к стенке камеры излучателя, расположенной между реактором и ускорителем, посредством микроволновых окон, проницаемых для микроволновой энергии, сформированных на концевых участках узких боковых стенок дополнительных волноводов, причем эти волноводы подключены каждый к соответствующему из двух отводов 3-дВ устройства, при этом один отвод соединен с микроволновой нагрузкой, а другой присоединен к микроволновому генератору, а микроволновая нагрузка приспособлена для поглощения микроволновой энергии с обеспечением возможности подавления любой отраженной микроволновой энергии, поступающей от 3-дВ устройства.