Спосіб видалення so2 i nox з потоку продуктів згорання топкових газів та пристрій для його здійснення

1. Способ удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания 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 указанных 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 Еі>300 В/см при длительности (t) импульса между 10-7 и 10-3 с и частоте следования f>v/a k, где v - скорость газового потока, a k - протяженность зоны облучения, причем давление внутри реактора близко к атмосферному давлению, а частота следования импульсов микроволновой энергии составляет 20010000 МГц. C2 (54) СПОСІБ ВИДАЛЕННЯ SO 2 I NOX З ПОТОКУ ПРОДУКТІВ ЗГОРАННЯ ТОПКОВИХ ГАЗІВ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 41259 Настоящее изобретение относится к способу удаления кислотных загрязнителей, таких как SO2 NОх из топочных газов путем воздействия излучения, в частности, из потока продуктов топочных газов, выбрасываемых нагревательными установками и электростанциями, а также к устройству для удаления SO2 и NОх из 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 от 3 до 5 тонн загрязненного топочного газа ежечасно, что оказывает кумулятивное вредное воздействие на окружающую среду. Для очистки потока продуктов топочных газов разработано несколько эффективных технологий. 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 остается значительные количества NОх, в частности, NО, которые вместе с фреоном влияют на образование озонной дыры. Поэтому возникает необходимость строить отдельные установки для удаления из топочных газов NОх. Такие установки основаны на различных принципах, главным образом, на каталитическом восстановлении. В технологии, основанной на использовании облучения, применяется поток ускоренных электронов, с помощью которых создаются свободные радикалы. Это позволяет одновременно удалять SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов. Метод облучения позволяет уничтожить 95% SO2 и 80% NОх в одной установке. В технологии, основанной на использовании облучения, очень важно повысить эффективность реакции, которая зависит от количества температуры газовой смеси. Высокой эффективности можно достичь за счет введения влаги и некоторых количеств аммиака перед облучением, как следует из описания к патенту [1] и заявке на польский патент [2]. Эти способы основаны 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 ОН ·, О· и Н2О· окисляют SO2 и NОх до SO3 и NО2, и далее в присутствии воды образуются Н 2SO4 и НNО3. И, наконец, данные соединения реагируют с аммиаком, в результате чего образуются твердые продукты NH4NО3 и (NH4)2SO4, которые могут использоваться в качестве удобрений. Процесс проводят при температуре от 65 до 100°С. 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. 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. Как следует из описания к патенту [3], в котором для облучения реактора применяют лазерный луч (лазер АrF с длиной волны 193 нм), дополнительно вводят СН 3ОН. СН3ОН возбуждают при помощи света для образования радикалов ОН ·, которые связывают NО 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. Трудно добиться также того, чтобы действие светового луча распределялось в пространстве однородно, а это необходимо при использовании соединения СН3ОН. Проблема экономии электроэнергии особенно важна в промышленных установках, поскольку от 2 до 4 процентов всей энергии, производимой электростанцией, затрачивается на очистку топочных газов от кислотных загрязнителей. Известен способ удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов, включающий облучение их электронным пучком в реакционной зоне (см. [1]). Указанный способ, как наиболее близкий к предлагаемому по совокупности сходных признаков и достигаемому результату, выбран в качестве прототипа. Однако использование такого способа для удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов приводит к большим энергозатратам. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов, благодаря которому путем одновременного использования потока ускоренных электронов и микроволновой энергии, обеспечивается возможность снижение затрат электроэнергии при той же эффективности очистки газов. Поставленная задача достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания 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. Кроме того, по предлагаемому способу, поток указанных топочных газов обеспыливают и, перед его подачей в реакционную зону, увлажняют и вводят в него аммиак. Кроме того, продукт реакции получают в твердом или жидком виде и используют в качестве удобрения. Кроме того, в зону облучения электронным пучком вводят поток импульсной микроволновой 2 41259 энергии, обладающий напряженностью электрического поля Ei>300 В/см при длительности (t) импульса между 10-7 и 10-3 с и частоте следования f>v/a k, где v -скорость газового потока, a k - протяженность зоны облучения, причем давление внутри реактора близко к атмосферному давлению, а частота следования импульсов микроволновой энергии составляет 200-10000 МГц. Кроме того, в импульсный поток дополнительно внедряют поток незатухающей микроволновой энергии, обладающий напряженностью электрического поля менее 300 В/см и частотой от 200 до 10000 МГц. Кроме того, электронный пучок реализуют в виде импульсного электронного пучка с длительностью (t) 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. В интересах повышения эффективности процесса очистки и экономии электроэнергии в настоящем изобретении используется не только пучок электронов, но и микроволновая энергия. Важной отличительной чертой процесса по изобретению является вторичное использование свободных электронов, которые возбуждают в ходе облучения и вводят в систему в форме пучка ускоренных электронов для создания окисляющих радикалов, а также применения 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 сокращению затрат на ускорители при той же эффективности очистки. Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит процесс удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов, при этом поток топочных газов подвергают облучению пучком электронов и применяют микроволновое облучение в форме стабильного непрерывного и/или пульсирующего потока. Поток топочных газов, облучаемый электронным пучком, в зоне облучения подвергают действию микроволновой энергии по всему сечению потока газа. Известно устройство для удаления SO2 и NО х из потока продуктов сгорания топочных газов, содержащее реактор, снабженный, по меньшей мере, одним источником пучка электронов (см. [4]). Указанное устройство, как наиболее близкое к предлагаемому по совокупности признаков и достигаемому техническому результату, выбрано в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является то, 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 прекращается, имеют тенденцию осаждаться на электродах и блокировать реактор, что приводит к увеличению электроэнергии. В основу изобретения поставлена также задача создать устройство для удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов, благодаря которому путем одновременного использования потока ускоренных электронов и микроволновой энергии, обеспечивается возможность снижения затрат электроэнергии при той же эффективности очистки газов. Поставленная задача достигается благодаря тому, что в устройстве для удаления SО2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов, содержащем реактор, снабженный, по меньшей мере, одним источником пучка электронов, согласно изобретению, реактор дополнительно снабжен, по меньшей мере, одним источником микроволн. Кроме того, в предлагаемом устройстве 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. Кроме того, предлагаемое устройство снабжено двумя дополнительными волноводами, присоединенными к расположенной между реактором и ускорителем стенке камеры излучателя 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 микроволнового делителя, 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 микроволнового делителя. Таким образом, основу изобретения составляет также и устройство для удаления SO2 и NОх из газообразных продуктов сгорания топочного газа с помощью облучения, в ходе которого поток ускоренных электронов и микроволновая энергия используются одновременно. Для достижения этой цели реактор должен иметь, по меньшей мере, один источник электронного пучка и, по меньшей мере, один источник микроволнового излучения. Расположение источника микроволновой энергии и источника электронов не играет решающей роли. Однако весьма важно, чтобы пучок электронов и микроволны вводились в одну и ту же зону реактора. Ввод микроволновой энергии может быть смонтирован и по оси реактора, и перпендикулярно этой оси, и под любым подходящим углом. Краткое описание чертежей. Фиг. 1 изображает схематически приведенный в примере реактор с концентрированным пучком электронов; Фиг. 2 - то же, что и на фи г. 1, вид в плане; Фиг. З - схематически приведенный в примере реактор с ускорителем электронов в виде линейной сканирующей системы, смонтированной на реакторе; Фиг. 4 - блок-схема опытной установки. 3 41259 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 20010000 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 посредством входного и выходного волноводов, которые прикреплены к стенкам реактора; 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 1 через боковую стенку таким же образом, как вышеуказанный пучок электронов, через волноводы 2, подключающие элементы которых выполнены в узких стенках волноводов. Наличие импульсов микроволновой энергии ведет к увеличению количества свободных электронов и свободных радикалов в выданном объеме, что позволяет сделать процесс очистки более эффективным. Чтобы поддержать энергию свободных электронов, два дополнительных волновода З устанавливают на камере-излучателе 4 электронов между реактором 1 и ускорителем 5 и 6. Соединительные детали находятся в узких стенках волноводов, а волноводы прикреплены к двум отводам микроволнового делителя (3 дБ устройства), где 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, несмотря на то, что никаких дополнительных электронов в реакторе не устанавливается. Согласно изобретению, помимо электронного пучка в реакторе используют поток микроволновой энергии частотой 200-10000 МГц. Топочный газ на входе в реактор очищен от летучей золы и увлажнен, как при использовании других методов облучения. Использование микроволновой энергии повышает количество радикалов ОН ·, благодаря присутствию большего числа свободных электронов, что выражено следующей формулой: где nео - количество свободных электронов до применения микроволновой энергии; vi - 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 поддерживает энергию этих свободных электронов на нужном уровне. Пример. Изобретение было испытано на установке, показанной на фиг. 4. Установка для удаления SO2 и NОх из потока продуктов сгорания топочных газов была создана на основе ускорителя ILU 6(6). Эта установка 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 7, 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, NО и NН3. Установка состояла из вводной системы (два котла с нагревательной печью, регулятор давления в котле, система дозировки SO2, NО и NН3, аналитическое оборудование), реактора, в который можно было одновременно или порознь вводить пучок электронов от ILU 6 ускорителя 6, и микроволновые потоки - от импульсного генератора 8 и генератора 9 несущей частоты - могут быть введены одновременно или раздельно, и выходной системы (отстойник 10, фильтрационная установка 11 (например, рукавный фильтр), вентилятор 12, отводящий газопровод 13 и аналитическое оборудование). Датчики температуры были установлены в нескольких точках в газопроводе и в реакторе. Скорость потока, проходящего через установку, составляла 400 Нм 3/ч. Температуру газа в реакторе можно было поддерживать в пределах от 70 до 100°С с помощью системы водяного охлаждения котла. Основные параметры источников ускоренных электронов и потоков микроволновой энергии представлены в табл. 1. Таблица 1 Параметр Энергия электрона Частота Частота следования ne=neoevit , 4 Ускоритель Импульсный генератор Генератор несущей частоты 0,7-2 млн. электроновольт 1,886 ГТц До 200 Гц 2,45 ГТц До 50 Гц 41259 Продолжение таблицы 1 Параметр Пиковая мощность Длительность импульса Средняя мощность Импульсный генератор 10 МВт 400 мкс 5 мкс 20 кВт 25 кВт Повышение эффективности удаления SO2 и NO x при одинаковых потребностях в электроэнергии Генератор несущей частоты 1 МВт Таблица 3 5 кВт Ускоритель А. Эффективность удаления SO2, h SO2 (%) Электронный 40 50 60 70 80 91 пучок Электронный пучок + микро- 57 66 72 81 89 92 волны Суммарное поглощение 1,0 1,3 2,1 2,7 3,4 4,6 энергии (в кГр) Б. Эффективность удаления NOx, h NO x (%) Электронный 40 50 60 70 пучок Электронный 62 68 77 пучок + микро- 53 волны Суммарное 2,1 3,1 4,0 5,25 поглощение энергии (в кГр) Состав топочного газа в реакторе представлен в таблице 2 ниже. Таблица 2 Компоненты топочного газа CO2 6,1-7,4 % N2 72,2-74,2 % O2 7,2-8,0 % H2O 12,2 % CO 48 частей/млн. NОx 39 частей/млн. Дополнительно введенные компоненты SO2 до 2000 частей/млн. NO до 2500 частей/млн. NH3 до 4500 частей/млн. 95 97 5,5 80 86 7,0 Потребность в электроэнергии при комбинированном методе очистки с применением электронного пучка и микроволн: SO2 95% - поглощение энергии 5,5 кГр NОх 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. 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°С. Испытания проводились с целью определить эффективность удаления SO2 и NОх 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 на табл. 3. Таблица 4 Снижение поглощенной дозы в кГр Электронный 35 пучок Электронный пучок + микро- 25 волны 30 25 20 15 10 5 23 19 16 12 8 4 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, не отходя от основной концепции изобретения. 5 41259 Промышленное применение. В процессе удаления кислотных, загрязнителей, таких, как SO2 и NО х из продуктов сгорания топочных газов, в частности, газов, отходя щих из нагревательных установок и электростанций, на стоящее изобретение применяет, наряду с электронным пучком, микроволновую энергию с целью повышения эффективности очистки и снижения энергозатрат. Фиг. 1 Фиг. 2 6 41259 Фиг. 3 7 Фиг. 4 41259 8 41259 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 9