Содержание к диссертации
Введение
1. Установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния 9
1.1 Методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС 9
1.1.1. Принципиальная схема очистки дымовых газов от оксидов азота и серы плазмохимическими методами 12
1.1.2. Электронно-лучевые методы 13
1.1.3. Необходимость исследования ЭЛО с помощью концентрированных потоков электронов 17
1.2. Расчет основных узлов установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния 17
1.2.1. Блок - схема установки 17
1.2.2. Генератор пучковой плазмы 19
1.2.3. Узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси 26
1.2.4. Радиационно-химический реактор 27
1.2.5. Система отвода газа 28
1.2.6. Вентиляционная система 28
1.3. Параметры установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния 29
2. Методика и оборудование для определения плотности тока первичных электронов 32
2.1. Методы определения параметров потока электронов в плотном газе 32
2.2. Теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов 36
2.3. Конструкция зонда первичных электронов 42
2.4. Методика определения плотности тока первичных электронов 50
3. Основные параметры потока первичных электронов 55
3.1.Измерение основных параметров потока первичных электронов 55
3.1.1. Радиальное распределение плотности потока электронов 59
3.1.2. Деградация тока электронов 60
3.1.3. Мощность потока первичных электронов, вложенная в газ 63
3.1.4. Осевое распределение плотности тока первичных электронов 65
3.1.5. Огибающая потока первичных электронов, распространяющегося в плотном газе... 67
3.2. Анализ полученных результатов 69
3.2.1. Физические процессы, протекающие при взаимодействии потока электронов с газом 69
3.2.2. Упругое рассеяние 69
3.2.3. Рассеяние электрона на электроне, неупругое рассеяние 70
3.2.4. Расчет траекторий электронов методом Монте-Карло 71
3.2.5. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета 72
Заключение 75
Список литературы 7
- Принципиальная схема очистки дымовых газов от оксидов азота и серы плазмохимическими методами
- Расчет основных узлов установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния
- Теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов
- Мощность потока первичных электронов, вложенная в газ
Введение к работе
Актуальность работы
Вывод потоков электронов в плотную газовую среду (в том числе в воздушную атмосферу) существенно расширяет их технологические возможности. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. Вместе с тем открываются новые возможности применения таких потоков в решении задач плазмохимии, очистки дымовых газов от токсичных примесей и т.д.
В последние годы активизируются исследования по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях [1,2,3]. Одновременно ведутся работы по созданию установок для их реализации [4,5].
Вывод концентрированных потоков электронов в плотную газовую среду снимает ограничения, налагаемые на параметры электронов, выводимых через фольговые окна. Появляется возможность снижения ускоряющего напряжения и увеличения плотности тока. Существенно упрощается система радиационной защиты персонала, повышается надежность оборудования, уменьшается его стоимость.
При прохождении потока электронов через плотный газ образуется электронно - пучковая плазма, характеризующаяся наличием трех основных компонентов это первичные электроны с характерной энергией десятки кэВ, медленные тепловые электроны и тепловые ионы. В данной работе основное внимание уделено исследованию потока первичных электронов.
Экспериментальные исследования процессов происходящих под воздействием концентрированных потоков электронов в плотном газе имеют свои особенности [6]. Это связано с тем, что методы определения пространственного распределения параметров первичных электронов в плотном газе, отработаны только для фольгового вывода. Они основаны на возможности расчета общей мощности потока по его току и энергии частиц, ионизационным потерям в фольге и потерям при прохождении электронов по газу известного
химического состава и плотности. Для систем с концентрированным выводом применение такой методики представляет определенные сложности, так как поток электронов, первоначальная мощность которого известна, испытывает рассеяние и теряет часть энергии на газе протекающем в системе вывода, оседает частично на стенки каналов выводного устройства. Кроме того, из-за большой концентрации переносимой мощности создаётся сильно неоднородное поле плотности газа. Поэтому необходимо проведение независимого измерения мощности потока, введенной в газовый тракт. Существующие в настоящее время методы измерения распределения плотности тока первичных электронов или не дают необходимого пространственного разрешения (калориметрический, химический и магнитный методы) или представляют собой крайне сложные методики, как с точки зрения применяемого оборудования, так и с точки зрения правильности интерпретации результатов (рентгеновский метод). В связи с этим представляет интерес разработка более простой методики и оборудования, которые позволили бы получать пространственное распределение плотности тока потока электронов в плотном газе.
Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:
- создание установки по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния (состав, температура, расход газа),
- создание методики и средств измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов в плотном газе,
3. - проведение экспериментальных исследований пространственного
распределения плотности тс::г. концентрированного потока электронов в
плотном газе в созданной установке.
Научная новизна:
1. - в результате проведенной работы создана методика и
оборудование для измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов концентрированных потоков электронов при транспортировке в плотном газе. Для этого впервые разработан и создан зонд первичных электронов, способный измерять плотность тока концентрированных
6 потоков электронов в условиях плотной газовой среды. Определены диапазон его применимости и погрешности измерении.
2. - в созданной экспериментальной установке измерены
пространственные распределения плотности тока первичных электронов концентрированного потока электронов. На основании данных распределений получены: радиальные распределения плотности тока первичных электронов, осевые распределения плотности тока, зависимость полного тока от длины распространения потока и огибающие электронного потока при распространении в плотном газе.
Показано, что в радиальных распределениях плотности тока на больших расстояниях от оси потока гауссово распределение дает заниженный результат. Получено значение коэффициента в формуле Ленарда для осевого распределения плотности тока, а также формула, описывающая огибающую потока электронов в плотном газе.
В результате проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанных методик и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных электронных потоков в плотном газе.
Практическая ценность: Получены данные, позволяющие определять режимы работы электронно-лучевых установок, реализующих такие технологии, как электронно-лучевая очистка газов от вредных примесей, сварка, резка, поверхностное упрочнение металлов и т.д.
Разработаны зонд первичных электронов и методика определения плотности тока первичных электронов, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.
Принципиальная схема очистки дымовых газов от оксидов азота и серы плазмохимическими методами
Одним из основных направлений развития применения потоков релятивистских электронов в настоящий момент является очистка дымовых газов от вредных примесей [7,8].
По данным [9,10] мировое хозяйство выбрасывает в атмосферу в год 200-250 млн. тонн пыли, до 150 млн. тонн сернистого ангидрида, 60 млн. тонн оксидов азота и ряд других вредных веществ. Для большинства промышленных регионов характерно следующее массовое соотношение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух: оксид углерода — около 50 %, оксиды серы -порядка 20 %, пыль - 16 - 20 %, оксиды азота - 6 - 8 %, углеводороды - 2 - 5 %. В дальнейшем основное внимание будет уделено рассмотрению методов очистки выбросов от оксидов азота и серы.
Оксиды азота NOx (NO и N02) являются одними из наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха. На эти соединения, обладающие выраженными токсичным и разъедающим действиями, установлены весьма низкие предельно допустимые концентрации (ПДК) во всех промышленно развитых странах. Наряду с оксидами серы, оксиды азота вносят большой вклад в образование кислотных дождей, приводящих к гибели лесов и загрязнению водоемов.
Значительные количества NOx (до 770 млн. тонн в год) образуются в результате естественных природных процессов: нитрификации, лесных пожаров, гроз. Деятельность человека сопровождается выбросами около 60 млн. тонн NOx в год (в пересчете на N02). Основными источниками оксидов в промышленно развитых странах являются энергетика и транспорт, дающие около 95 % выбросов NOx, вклад химической промышленности составляет менее 5 % [10]. Однако антропогенные выбросы, в отличие от природных, сконцентрированы в населенных регионах и приводят к высоким локальным приземным концентрациям NOx. Дальнейшее увеличение выбросов NOx может привести к необратимым экологическим последствиям в глобальном масштабе, поэтому вопросы снижения таких выбросов чрезвычайно актуальны.
При сжигании топлива оксиды азота могут образовываться как из азота воздуха (так называемые «термические» и «быстрые» NOx), так и из связанного азота, входящего в состав азотосодержащих соединений («топливные» NOx).
Существующие методы подавления образования NOx при факельном сжигании топлив не могут обеспечить принятых требований к чистоте дымовых газов, поэтому приходится прибегать к дорогостоящим дополнительным методам очистки.
Приведем типичный состав промышленных дымовых газов (ДГ) подлежащих очистке: N2 80 %, 02 5%, содержание Н20 обычно не превышает 10 - 15 %, причем вода находится в состоянии перегретого (сухого) пара. Кроме того, ДГ содержат до нескольких процентов СОг, а также до 2000 мд (миллионных долей) S02 и до 1000 мд NOx [7].
В обзоре [8] подробно рассмотрены основные методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС.
В настоящее время продолжается поиск более экономичных методов удаления оксидов азота из дымовых газов. Наиболее перспективными из них являются методы с применением релятивистских электронных пучков и импульсных газовых разрядов (радиационно-плазмохимические методы).
К преимуществам электронно-лучевой очистки (ЭЛО) газов от оксидов азота и серы следует отнести: - отсутствие необходимости в дорогих катализаторах; - высокую степень очистки (до 85 - 90 %); - получение продуктов процесса в виде минеральных удобрений; - компактность системы ЭЛО; - высокую степень управляемости электронным пучком; - независимость степени очистки от наличия пыли (золы).
Особенностью ЭЛО газов является возможность одновременного удаления нескольких токсичных примесей. Более того, с ростом количества примесей увеличивается число каналов их взаимодействия и связывания, что, в конечном итоге, приводит к повышению эффективности очистки.
Однако, широкое внедрение метода сдерживается рядом обстоятельств, среди которых наиболее важными являются следующие:
1. В методе ЭЛО мощность, потребляемая ускорительным комплексом и вспомогательным оборудованием, составляет 2 - 5 % мощности, вырабатываемой энергоблоком. По текущим нормативам расхода эта цифра представляется большой. Необходимо ее снижение до уровня 1%.
2. В настоящее время мировая промышленность не выпускает специализированные ускорители для газоочистки. Применяемые в мире для ЭЛО газов ускорители электронов с фольговыми окнами для вывода пучка имеют максимальную мощность 90 - 150 кВт. Для энергоблока мощностью 500 МВт нужно свыше ста таких установок.
Альтернативу фольговому выводу составляет так называемый концентрированный вывод электронов через систему дифференциальной откачки. В этом случае релятивистские электроны транспортируется в плотный газ через набор автономно откачиваемых шлюзовых камер. В сравнении с фольговыми окнами концентрированный вывод имеет ряд несомненных достоинств для решения задач ЭЛО: - отсутствие ограничений на мощность и энергию выводимого потока; - низкий уровень радиации вследствие применения пониженного ускоряющего напряжения; - эффективная радиационная защита полости ускорителя от тормозного рентгеновского излучения из радиационного реактора; - возможность проведения профилактических и ремонтных работ на отдельных модулях без остановки всей системы ЭЛО.
Расчет основных узлов установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния
В настоящее время отсутствуют экспериментальные исследования по удалению оксидов азота концентрированными потоками электронов, выведенными в атмосферу через систему дифференциальной откачки. Результаты, полученные при экспериментальном исследовании очистки газов при помощи электронов, выведенных через фольгу, не могут быть перенесены на случай концентрированных потоков, так как концентрированный поток характеризуется существенной пространственной неоднородностью полей облучения, и, следовательно, распределения температуры и концентрации плазмы. Кроме того, для концентрированных потоков электронов характерна значительно большая плотность тока в сравнении с фольговым выводом, что может дать существенные отличия в плазмохимии процессов. Знание информации о пространственном распределении плотности тока электронов позволяет производить расчеты параметров образующейся электронно-пучковой плазмы, что является необходимым для корректного моделирования плазмохимических процессов, происходящих в плазмохимическом реакторе. Кроме того, для максимально точного моделирования процессов, протекающих в реальной дымовой трубе, представляется целесообразным создание проточной установки по исследованию процессов очистки газов от вредных примесей.
Экспериментальная установка представляет собой инструмент для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков релятивистских электронов с газовыми средами контролируемого состояния и, в частности, позволяет провести проверку основных принципов проточной очистки промышленных газов от вредных примесей при помощи непрерывных концентрированных потоков электронов.
Генератор пучковой плазмы (ГПП) (1) - устройство предназначено для формирования и ускорения концентрированного потока электронов с последующим выводом электронов в плотный газ через систему дифференциальной откачки.
Узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси (2) предназначен для подготовки газа, в частности способен моделировать газ, поступающий из дымовой трубы. Здесь осуществляется забор атмосферного воздуха, измерение его расхода, нагрев газа до требуемой температуры, ввод в него необходимых реагентов.
Радиационно-химический реактор (3) - это блок, в котором происходит взаимодействие концентрированного потока релятивистских электронов с подготовленной газовой смесью. В случае очистки газов от вредных примесей здесь под действием быстрых электронов образуются активные радикалы, которые стимулируют протекание ряда химических реакций, приводящих к связыванию загрязнителей.
Система отвода газа (4) предназначена для удержания газа в системе до завершения основных химических реакций. Вентиляционная система (5) предназначена для прокачки газа по тракту.
Для проведения экспериментов по исследованию электронно-лучевой очистки газов поглощенная газом доза должна составлять величину порядка 1 -10 Мрад (10 - 100 Дж/г). Создание установки с таким широким диапазоном дозы облучения довольно сложная задача. Реальный интерес представляют режимы с дозой до 1,5-2 Мрад. Доза до 10 Мрад реализуется путем уменьшения расхода газа.
В качестве основы создания генератора плазмы была взята ранее созданная установка М-1 [18], имеющая параметры: ускоряющее напряжение - 80 кВ, ток электронов - до 250 мА, мощность - до 20 кВт, режим работы - непрерывный. На рис. 7 представлена схема генератора пучковой плазмы.
Генератор может работать при ускоряющих напряжениях 70 - 100 кВ. В нем применен метод прожига перегородок между шлюзами устройства вывода. Данный метод, описанный в [19], ограничивает минимальное значение мощности потока электронов, которая должна обеспечить прожиг ниобиевых перегородок, расположенных между шлюзами устройства вывода электронов из области ускорения и формирования в область высокого давления. Необходимая для этого мощность оценивается в 1 - 1,5 кВт. При прохождении потока электронов по тракту устройства вывода происходят потери тока. Для обеспечения гарантированного прожига перегородок между шлюзами была выбрана мощность потока электронов 1,5 — 2 кВт. Потери мощности по тракту устройства вывода оцениваются величиной 0,5 — 1 кВт. Рабочее напряжение электронной пушки составляет 80 - 100 кВ.
Теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов
Измерение плотности тока первичных электронов в условиях плотной газовой среды представляет собой сложную проблему.
В ходе выполнения данной работы был предложен способ измерения плотности тока первичных электронов. На основе этого способа был разработан и изготовлен зонд первичных электронов. Данный зонд позволяет регистрировать быстрые электроны, отсекая при этом медленные плазменные частицы.
Действие зонда основано на том, что быстрые электроны в сравнении с медленными обладают существенно большей глубиной проникновения в вещество. Глубина проникновения электронов в вещество Ro (см) выражается эмпирической формулой [25]: — ], для воздуха С 5/3 см кэВ С - константа, равная для слюды С = 8,7 10 [ = р - плотность вещества (плотность слюды р = 2,8 г/см3). Расчет дает Ro = 64 мкм при Е = 100 кэВ (для слюды).
Следовательно, для того чтобы создать зонд первичных электронов нужно на обычный зонд нанести слой диэлектрика толщиной, способной отсечь плазменные электроны с характерной энергией 1-5 эВ и пропустить первичные электроны с характерной энергией 50-100 кэВ. Сложности, возникающие при изготовлении данного зонда, связаны с необходимостью создания тонких диэлектрических пленок, способных выдерживать высокую плотность мощности потока электронов. Для уменьшения тепловой нагрузки на конструкцию зонда применен пролетный режим работы, когда зонд проносится через электронный поток с большой скоростью.
Схема зонда первичных электронов представлена на рис. 13. На рисунке цифрами обозначены: Часть тока первичных электронов вырезается окном (2), проходит через слой диэлектрика (3), попадает на токосъемник (1) и измеряется.
Электронный поток при прохождении через слой диэлектрика испытывает потери по энергии и по току. Изменение средней энергии электронов потока ДЕ (в кэВ) равно [26]: (18) /5 ь0 АЕ = Е0 С где Az - толщина слоя диэлектрика [см], р - плотность вещества диэлектрика [г/см3], Е0 - начальная энергия электронов [кэВ].
Задача об изменении тока моноэнергетичного потока электронов при прохождении через тонкую пластину была решена в работе [26]. Коэффициент пропускания тока моноэнергетичного потока Тп может быть рассчитан по эмпирической формуле: (zX 7 ехр[-/?- ], (19) \гэ) где для слюды при Е = 100 кэВ: а = 2,38, Р = 2,56, z - толщина пластины, гэ - экстраполированный пробег электрона.
Коэффициенты аир зависят от усредненного атомного номера ни ьссм элементам в составе диэлектрической пленки. Кроме того, коэффициент а очень слабо зависит от энергии электронов (при изменении энергии электронов от 0 до 100 кэВ а изменяется примерно на 1%).
Согласно [26] значение Тп полученное по формуле (19) согласуется с экспериментом с точностью лучше 10 % при Т„ 0,1. При меньших значениях Тп точность формулы (19) составляет 20-30 %. r3=R , 0,7 (20) с точностью ± 10 % [26]. Ro - глубина проникновения электронов в вещество (формула (17)).
В созданной установке изначально генерируется моноэнергетичный поток электронов, но вследствие его прохождения через плотный газ, согласно [26], происходит его размытие по спектру. В [26] численно найдены спектры электронов при прохождении плотной среды. К сожалению, авторам работы [26] не удалось подобрать эмпирическую формулу для описания полученных спектров с достаточной точностью. Они привели результаты своих расчетов в виде матриц. Анализ полученных в [26] результатов позволил сделать вывод о подобии функций распределения при разной начальной энергии, а именно: спектры в сечениях при разной начальной энергии моноэнергетического потока подобны на равном обезразмеренном пути. Путь обезразмеривается на величину Zmax, определенную как путь, пройденный моноэнергетичным потоком электронов в плотном газе, на котором Tn = 0,1. При этом происходит масштабирование спектра по энергетической оси. Минимальная энергия в спектре равна 0, а максимальная энергия равна Е , которая в воздухе может быть найдена как: где Ео — начальная энергия моноэнегетичного потока электронов (кэВ), х (г/см ) - приведенный путь пройденный потоком в плотном газе, равный: z (см) — путь пройденный потоком в плотном газе. На рис. 14 изображен энергетический спектр электронов — - при транспортировке в воздухе атмосферного давления при температуре 293К, найденный из данных приведенных в [26] для электронов с начальной энергией 90 кэВ для трех разных расстояний. Данные спектры нормированы на полное число частиц N:
Мощность потока первичных электронов, вложенная в газ
Однако эти формулы справедливы только при рассеянии на свободном покоящемся электроне. Наличие у электрона связи учитывается, обычно, вводом некоторой пороговой энергии w g, которую можно качественно отождествить с энергией связи электрона в атоме. Тогда полное сечение получается при интегрировании дифференциального сечения в пределах от w до w=l/2, что проделано в [26]:
Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) является особым методом решения задач переноса частиц в веществе, так как по известным сечениям различных процессов позволяет моделировать случайные траектории частиц в веществе, в среднем очень близкие к реальным траекториям. Этот метод является очень эффективным при неоднородной геометрии, наличии внешних полей, вторичных эффектов и т.д.
В методике Монте-Карло используются псевдослучайные числа (чаще всего лежащие в интервале (0,1)), по которым с помощью известных распределений производятся розыгрыши различных элементов траекторий частиц (длины отрезка траектории, потерянной на отрезке энергии, угла рассеяния).
Подробно применение методики Монте-Карло к задачам о прохождении быстрых электронов через вещество изложено в работах [26],[30].
Существует несколько моделей, построенных на основе метода Монте-Карло. К таким методам относятся модели индивидуальных столкновений и непрерывного замедления, схемы укрупненных и катастрофических столкновений.
В модели индивидуальных столкновений последовательно рассматриваются все столкновения, которые электрон претерпевает по мере своего проникновения в вещество.
Был произведен расчет прохождения потоков электронов через азот, находящийся при давлении 1 атм и температуре 293 К. Начальная энергия электронов была равна 90 кэВ. Расчет проводился методом Монте-Карло по модели индивидуальных столкновений. Электрон считался выбывшим из рассмотрения при достижении энергии 1 кэВ. Расчет производился для 20000 траекторий.
На рис. 34 представлено радиальное распределение плотности тока для одного из сечений, полученное в расчете методом Монте-Карло, полученное по формуле (35) и полученное в эксперименте.
Как видно из рис. 34, расчет методом Монте-Карло дает удовлетворительное совпадение результата для радиального распределения плотности тока.
Основываясь на данных, полученных при расчете методом Монте-Карло, было построено осевое распределение плотности тока (рис. 35), а также график деградации тока электронного потока (рис. 36).
Согласно расчету (рис. 35), коэффициент С в формуле Ленарда (55) равен: Ср = 2,9 106 [г см кВ2)], что несколько меньше полученного в эксперименте (Сэ = 3,5 106±20%).
Экстраполированный пробег в расчете получился гэ = 85 мм (рис. 36), что находится в отличном соответствии с экспериментом (гэ = 85 мм + 10%). - щ ІНКЗЗМ ВКЗГЗЗ ЯВЕВ І j/jo Н ЕНШШНВ Н 1. В результате работы создана установка проточного типа для исследования процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния. Основные параметры установки: Расход газа 15-68 л/с; Температура обрабатываемого газа 20-150 С; Расход пара - до 5,85 г/с; Исходная концентрация оксидов азота: N0 - до 500 мд; Ш2-до700мд; Ускоряющее напряжение потока электронов 80 - 100 кВ; Ток электронов до 18 мА.
2. Разработаны и созданы зонд первичных электронов и методика, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока первичных электронов в плотной газовой среде с энергией электронов в диапазоне от 30 до 125 кэВ, при токе до 10 мА.
При помощи созданного зонда и методики измерено пространственное распределение плотности тока первичных электронов в установке по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния при различных режимах работы.
3. На основании полученных измерений пространственного распределения плотности тока получены: - радиальные распределения плотности тока первичных электронов в различных сечениях. Показано, что гауссово распределение дает заниженный результат плотности тока на больших расстояниях от оси потока;
