СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ Российский патент 1999 года по МПК B01D53/52 B01J19/08 

Настоящее изобретение относится к способу облучения электронными пучками, который можно использовать для очистки отходящих отработанных газов или для обработки поверхности различных материалов.

Обычное устройство для облучения электронными пучками генерирует электроны в форме постоянного тока. Сформированные таким образом электроны обычно троссируют основную мишень, например отработанные газы. Однако частоты троссирования электронных пучков выше, чем скорость потока газа, кроме того, электронные пучки после их вхождения в газ диффундируют и расходятся в соответствия с фиг. 4. Следовательно, электронные пучки можно рассматривать как находящиеся в устойчивом состоянии процесса облучения только в непосредственной близости от генератора электронных пучков. В результате этого исходная мишень возбуждается и активируется под воздействием электронов, после чего она подвергается диссоциации и подвергается связыванию с окружающими ее субстанциями, а также другим реакциям, с образованием промежуточных продуктов. После повторных облучений промежуточные продукты распадаются под действием реакций, которые протекают в обратном направлении относительно требуемой реакции. Это может оказаться причиной ограниченной эффективности при обработке путем облучения электронными пучками. Для решения этой проблемы можно приостановить облучение электронными пучками для получения определенного временного и пространственного интервала после формирования промежуточных продуктов, при этом можно соответствующим образом отрегулировать другие условия, чтобы гарантировать получение конкретного конечного продукта. Эффективность обработки можно повысить при заданной общей величине экспозиции электронного пучка за счет выполнения процедуры облучения электронными пучками в несколько этапов с образованием между последовательными этапами временных и пространственных интервалов. Действительно, если стабильное облучение электронными пучками осуществляется в несколько этапов с использованием одной и той же дозы электронов относительно общего количества предназначенного для обработки газа, эффективность обработки повышается по сравнению с одноэтапной процедурой облучения. Этот принцип, известный специалистам как "многоэтапный эффект", уже нашел свое практическое применение (см. патент Японии N 1265778 на имя Ямада и др.).

Однако для использования этого "многоэтапного эффекта" с генератором электронных пучков постоянного тока потребуется более одного генератора электронного пучка или для достижения сравнимого эффекта потребуется физическое исключение электронных пучков. Это создает ряд проблем, среди которых в первую очередь следует упомянуть потери пучка и большее потребное пространство для установки соответствующего оборудования. Вторая проблема, во-первых, обусловлена дивергенцией электронных пучков, поступающих в обрабатываемый газ (см. фиг. 4), а во-вторых, связана с необходимостью установки множества генераторов электронного пучка постоянного тока.

С учетом вышеуказанного, задачей изобретения является создание способа облучения электронными пучками, являющегося более эффективным с точки зрения затрат энергии и требующегося пространства. Объект данного изобретения можно реализовать способом облучения отработанного газа электронными пучками, в котором импульсные электронные пучки, которые являются электронными пучками, имеющими импульсную временную и пространственную форму, имеют частоты от 10 Гц до 100 кГц, а длительность импульсов от 10^-8 до 10^-5 сек генерируют в целях использования т.н. "многоступенчатого эффекта".

Для повышения эффективности облучения электронными пучками в известном уровне техники так называемый "многоэтапный эффект" достигался за счет установки с определенным интервалом друг от друга множества генераторов электронных пучков вдоль потока обрабатываемого газа. В противоположность этому, настоящее изобретение предусматривает генерирование импульсных электронных пучков и их подачу в отработанный газ, предназначенный для очистки. При этом принципиальным является использование только одного генератора электронных пучков, однако такого, который будет иметь эффективность, превышающую эффективность нескольких генераторов электронных пучков. Это позволит сократить количество требуемых генераторов электронных пучков, кроме того, генератор импульсного электронного пучка меньше по габаритам по сравнению с генератором электронного пучка постоянного тока, следовательно, настоящее изобретение способствует также значительной экономии площади, которая обычно выделяется для установки обычных генераторов электронных пучков.

Прочие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области из нижеследующего описания изобретения, которое сопровождается ссылками на соответствующие чертежи.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное представление способа облучения электронными пучками, согласно предпочтительному варианту изобретения.

Фиг. 2 - график, иллюстрирующий расчетное время для процедуры очистки, в процессе которой облученная электронными пучками атмосфера аммиака изменяется от состояния оксида азота до получения промежуточных продуктов и до конечного выходного продукта;
Фиг. 3 - схема известного способа облучения электронными пучками, с помощью которой можно осуществить "многоэтапный эффект".

Фиг. 4 - иллюстрация расхождения электронных пучков после их проникновения в газ.

Фиг. 5 - иллюстрация расхождения электронных пучков в электрическом поле.

Фиг. 6 - кривые сравнения эффективности удаления оксидов азота (NO_x) импульсными электронными пучками и электронными пучками постоянного тока.

Фиг. 7 - временной профиль импульсного тока, который был использован в примере 1.

Описание предпочтительного варианта изобретения
В пункте 1 формулы изобретения скорость потока, предназначенного для очистки отработанного газа, определена в диапазоне между 1,0 м/сек и 25 м/сек по следующим двум причинам: в ходе проведенного эксперимента было выявлено преимущество импульсных электронных пучков перед электронными пучками постоянного тока при скорости потока газа, равной по меньший мере 1,0 м/сек, скорость потока 25 м/сек является верхним пределом для скорости отработанного газа, когда его поток проходит по обычному трубопроводу.

Температура очищаемого отработанного газа определена не ниже точки росы по следующим двум причинам:
1) если отработанный газ будет холоднее точки росы, то капли воды будут конденсироваться на внутренней поверхности трубопровода для отработанного газа, а нитрат аммония, который является побочным продуктом в способе, соответствующем изобретению, не будет поступать дальше выпускного отверстия для отработанного газа; 2) азотная кислота будет осаждаться на внутренней поверхности трубопровода, вызывая тем самым процесс коррозии.

Верхний предел температуры отработанного газа установлен на уровне 100^oC, так как при современной технологии очистки отработанных газов облучением электронных пучков определенные реакции будут протекать в обратном направлении по отношению к целевым реакциям, протекающим при очистке отработанных газов.

Электронные пучки подаются дозами в пределах диапазона от 0,1 до 30 Дж/кг. Этот диапазон дозы облучения до сих пор эффективно использовали для очистки отработанных газов, а обоснование именно этого диапазона можно найти в работе Нормана В. Франка и Шинихи Хирано "Совместное удаление SO₂ и NO_x путем обработки электронным пучком", на представленной Четвертом симпозиуме по интегральным способам контроля за состоянием окружающей среды, проведенном научно-исследовательским институтом по электрической энергии. Ассоциацией по контролю загрязнения воздуха и Американским обществом инженеров-механиков, с 2 по 4 марта 1988 года в Вашингтоне, США. Способ облучения импульсными электронными пучками обеспечивает результат, сопоставимый с результатом, который до сих пор достигается с помощью многоэтапного облучения и при обязательном использовании нескольких установок генераторов электронных пучков, при этом в первом случае можно добиться значительного сокращения производственных площадей для установки необходимого оборудования.

Согласно пункту 2 формулы изобретения, обеспечивают расхождение импульсных электронных пучков в электрическом или магнитном поле, что может быть достигнуто посредством использования квадрупольных линз, о чем упоминается в заявке на патент Японии N 14863/1994 на "Устройство для облучения заряженными частицами".

На фиг. 5 показано, каким образом можно осуществить расхождение электронных пучков в электрическом поле. Электронный пучок 11, который направлен на бумагу и который с другой стороны бумаги по направлению к наблюдателю, расходится в направлениях, указанных пунктирными линиями 14 под воздействием силы, которая создается в направлениях 12 электродами, имеющими полярности, обозначенные цифрой 13.

Как упоминалось выше, облучение импульсными электронными пучками дает возможность в одиночной установке генератора электронного пучка достигать эффект, который сравним с эффектом, достигавшимся до сих пор только с помощью многоэтапного облучения. Более эффективное облучение можно реализовать за счет использования более одной установки генератора электронного пучка с таким расчетом, чтобы импульсы различной формы (по частоте и длительности импульсов) подавались на конкретные мишени. Этот способ облучения электронными пучками не только позволяет уменьшить количество установок генераторов электронных пучков, а следовательно и сократить занимаемые генераторами производственные площади, но и также гарантирует большую простоту обращения оборудованием. Следовательно, настоящее изобретение сулит большие преимущества и выгоды промышленности. Кроме того, очищенный таким образом газ либо до, либо после выделения побочных продуктов можно будет смешивать с еще не очищенным газом, а полученную смесь подвергать последующей обработке, посредством чего можно будет добиться дальнейшего процентного улучшения процесса денитрования.

Ниже более подробно описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылками на иллюстрирующие описание чертежи. На фиг. 1 показано схематичное представление способа облучения электронными пучками по предпочтительному варианту изобретения. На фиг. 3 схематично представлен известный способ облучения электронными пучками, который предназначен для осуществления так называемого принципа "многоэтапного эффекта". На фиг. 2 показан график расчетного времени для процедуры изменений, в ходе реализации которого оксид азота, особенно, NO, в отработанном газе, облученном электронным пучком, будет подвергаться воздействию до тех пор, пока не будет получен нитрат аммония (NH₄NO₃) в качестве конечного выходного продукта. На фиг. 1-3 одинаковые или эквивалентные друг другу части оборудования обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Как показано на фиг. 3, генератор 1' электронных пучков постоянного тока испускает электронный пучок 3' постоянного тока, который проходит через проницаемую для электронного пучка мембрану 2 и затем в резервуар для очистки отработавшего газа 10. Допускается, что отработавший газ в резервуаре 10 имеет первоначальный поток 4, который содержит NO и прочие компоненты. Поток 4 газа облучается электронным пучком 3, с последующим его превращением в другой поток 7 газа. В потоке 7 газа помимо NO присутствует также промежуточный продукт NO₃.

В результате непрерывного облучения электронными пучками NO₃ будет распадаться на NO₂, которая в свою очередь распадается до NO в процессе реакций, протекающих в обратных направлениях относительно желаемой реакции.

Таким образом, в данном случае будут происходить реакции в направлении уменьшения концентрации NO₃. Однако, поток газа 8, следующий за потоком 7, не облучается электронными пучками, поэтому NO₃ будет связываться с окружающим NH₃ и с образованием стабильного компонента NH₄NO₃ (нитрат аммония), который присутствует в смеси с NO, полученным в результате реакции в обратном направлении, не получившим дополнительной энергии. В последующем потоке газа 9 компонент NO потока газа 8 облучается электронными пучками и превращается в NO₃; NH₄NO₃ также подвергается облучению электронными пучками, однако маловероятно, что реакции будут происходить в обратном направлении относительно желательной реакции. Именно поэтому поток газа 9 может рассматриваться в качестве смеси NO₃ и NH₄NO₃. В выходном потоке газа 6 компонент NO₃ потока газа 9 преобразуется в NH₄NO₃, благодаря чему осуществляется денитрование отработанного газа. Описанное в основном характеризует известный способ очистки отработанного газа с использованием принципа "многоэтапного эффекта".

На фиг. 1 схематично иллюстрируется способ облучения электронными пучками по предпочтительному варианту осуществления изобретения. Генератор импульсного электронного пучка 1 выдает импульсный электронный пучок 3, который проходит через проницаемую для электронного пучка мембрану 2 (см. фиг. 3) и проникает в отработанный газ 4. Поскольку электронный пучок 3 состоит из импульсов, то процесс изменений от потока газа 7 через поток 8 к потоку 9, описанный со ссылками на фиг. 3, заканчивается в течение одного этапа в потоке газа 5. Как ясно видно из фиг. 2, где показан график расчетного времени для изменения состава газа от NO до NH₄NO₃ в течение типовой процедуры очистки отработанного газа, для образования промежуточного продукта NHNO₃ затрачивается примерно 10^-5 секунды. Из фиг. 2 также видно, что продолжительность облучения, необходимая для образования радикалов, равна примерно 10^-8 секунд. Другими словами, электронный пучок, используемый согласно настоящему изобретению, должен иметь длительность импульса не менее 10^-8 секунды или продолжительность облучения электронными пучками должна быть такова, чтобы она гарантировала образование радикалов. Как уже упоминали выше, если электронные пучки используются дополнительно после образования промежуточного продукта, то не будет происходить реакция для формирования конечного выходного продукта, а будут происходить реакции в обратном направлении относительно желаемой реакции (т. е. NO₃ ---> NO₂ и NO₂ ---> NO). Следовательно, чтобы завершить упомянутые выше реакции, облучение электронными пучками в течение по меньшей мере 10^-8 секунды должно затем сопровождаться интервалом отсутствия облучения в течение 10^-5 - 10^-1 секунды. Поскольку упомянутые выше обратные реакции будут происходить, только если облучение будет непрерывным в течение более 10^-5 секунды, то эффективная длительность импульса будет находиться в пределах от 10^-8 до 10^-5 секунды. Чтобы удовлетворить это условие для длительности импульса, частота импульса не должна быть выше 100 кГц (10⁵ Гц). С другой стороны, частота импульса должна быть не ниже 10 Гц, и этот нижний предел определен на основе результатов эксперимента, который доказал преимущества именно этого диапазона.

Таким образом, в соответствии с изобретением было установлено, что импульсные электронные пучки с частотой импульсов от 10 Гц до 100 кГц и длительностью импульса от 10^-8 до 10^-5 секунды и при использовании интервала отсутствия облучения длительности от 10^-5 до 10^-1 секунды является более эффективным режимом облучения по сравнению с непрерывным облучением электронными пучками, которые генерировались обычным генератором электронных пучков постоянного тока. Предпочтительным является то, что используемые по изобретению импульсы имеют прямоугольную характеристику зависимости "время - ток". Определено, что верхний предел для длительности импульса не превышает 10^-5 секунды, поскольку именно такая длительность требуется для образования промежуточного продукта NHNO₃. Следует, однако, отметить, что было установлено, что "многоэтапный эффект" будет иметь место даже в том случае, если длительность импульса превышает 10^-4 секунды. Следует также иметь в виду, что частоту и длительность импульса желательно выбирать в соответствии с конкретными компонентами газа-мишени.

Силу тока импульса (мА) необходимо выбирать в диапазоне примерно от 10 мА до нескольких ампер с учетом концентраций компонентов, которые необходимо будет удалить из отработанного газа. Если отработанный газ содержит не только NO_x, но и также SO_x (оксиды азота и оксиды серы), то последние не будут подвергаться реакциям в обратном направлении в результате непрерывного облучения электронными пучками, а следовательно, можно ожидать, что десульфуризация будет достигать таких количеств, которые будут увеличиваться по мере увеличения дозы облучения электронными пучками.

На фиг. 7 схематично показана сила импульса в виде функции времени для способа, соответствующего изобретению. При облучении импульсными электронными пучками с такой характеристикой можно добиться превращения большей части компонентов потока газа 6 в NH₄NO₃.

Для иллюстрации сущности изобретения ниже приведен пример, не налагающий каких-либо ограничений на объем изобретения.

Пример 1
Отработанный газ с температурой 20^oC, который протекал в объеме 15 NL/сек при скорости 1,0 м/сек и с первоначальной концентрацией NO_x 5 частей на миллион, дополняли аммиаком в количестве, эквивалентном NO_x, которые были представлены компонентами, предназначенными для удаления из отработанного газа. Отработанный газ облучали либо импульсными электронными пучками с энергией в 250 килоэлектроновольт, либо электронными пучками постоянного тока при дозе облучения от 0 до 0,3 Дж/кг, после чего проводили сравнение количественного уменьшения NO_x. Уменьшение NO_x в результате облучения импульсными электронными пучками (I) было во всех случаях большим по сравнению с уменьшением NO_x в результате облучения электронными пучками постоянного тока (II), что свидетельствовало о более высокой способности импульсных электронных пучков удалять NO_x. В зависимости от дозы электронных пучков отношение (I) к (II) изменялось от примерно 1,05 до примерно 1,5, что указывает на превосходство импульсных электронных пучков перед электронными пучками постоянного тока. Эти результаты графически представлены на фиг. 6.

Использовали следующие характеристики импульсных электронных пучков: частота 10-400 Гц; длительность 5•10^-5 секунды; временной интервал паузы в облучении 10^-1 секунды. В примере 1 дозу облучения импульсными электронными пучками регулировали путем изменения частоты импульса.

Изобретение предназначено для обработки отработанных газов или для модифицирования поверхности различных субстанций. Отработанный газ с добавками аммиака, содержащий по меньшей мере оксиды азота (NO_x), облучают электронными пучками с образованием побочных продуктов. При этом скорость потока отработанного газа устанавливают в диапазоне 1,0 - 25 м/с. Температуру отработанного газа устанавливают не ниже его точки росы и не выше 100°С. Облучение ведут электронными пучками с дозой 0,1 - 30,0 Дж/кг, причем указанные электронные пучки имеют импульсную временную и пространственную форму в генераторе электронных пучков, при этом частоту и длительность импульса выбирают в соответствующих пределах 10 Гц - 100 кГц и 10^-8 - 10^-5 с соответственно. Причем интервал паузы в облучении выбирают в пределах 10^-5 - 10^-1 с. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ облучения отработанного газа с добавками аммиака, содержащего по меньшей мере оксиды азота (NO_x), электронными пучками с образованием побочных продуктов, при этом скорость потока отработанного газа устанавливают в диапазоне 1,0 - 25 м/с, отличающийся тем, что температуру отработанного газа устанавливают не ниже его точки росы и не выше 100^oC, облучение ведут электронными пучками с дозой 0,1 - 30,0 Дж/кг, причем указанные электронные пучки имеют импульсную временную и пространственную форму в генераторе электронных пучков, при этом частоту и длительность импульса выбирают соответственно в пределах 10 Гц - 100 кГц и 10^-8 - 10^-5C, причем интервал паузы в облучении выбирают в пределах 10^-5 - 10^-1C. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электронные пучки, излучаемые генератором электронных пучков, отклоняют в электрическом или магнитном поле.

Приоритет по пунктам и признакам:
25.05.95 при интервале паузы в облучении выбирают в пределах 10^-5 - 10^-1 с.