Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее сремя очистка воздуха от токсичных выбросов становится одной из важнейших задач во многих странах. В процессе сгорания топлива образуются окислы серы и азота, которые, помимо непосредственного влияния на организм человека, . являются причиной кислотных дождей. Проблему очистки воздуха можно решать несколькими способами. За последние десятилетия широкое развитие получили химические технологии очистки дымовых газов. Несмотря на относительную простоту, эти методы обладают большим количеством недостатков. Поэтому необходимы поиски новых, более эффективных и дешёвых способов очистки токсичных выбросов. Большие надежды связываются с .электрофизическими методами очистки дымовых газов, прежде всего с электронно-пучковыми и электроразрядными методами.
Основным преимуществом электронно-пучкового метода по сравнению с электроразрядным является меньшая величина энергозатрат, требуемых для удаления токсичных примесей. В различных странах мира существуют пилотные установки, на которых под действием непрерывных электронных пучков происходит удаление окислов серы и азота из дымовых газов. Но опыт эксплуатации этих установок показал, что данный метод всё-таки требует значительных энергозатрат. Так, в случае создания электронно-пучковой системы очистки дымовых газов теплоэлектростанции для её работы может понадобиться до (5+7)% всей мощности станции. Это является основным сдерживающим фактором развития электронно-пучковых технологий очистки.
Главной причиной высоких энергозатрат, по-видимому, является неоптимальная организация плазмохимических процессов в ионизованном дымовом газе, определяемая параметрами непрерывных пучков (прежде всего плотностью тока пучка), которые очень сложно регулировать в требуемом для эффективной очистки диапазоне. Импульсные электронные пучки, наоборот, позволяют легко регулировать их параметры в широком диапазоне значений, что даёт возможность найти и осуществить оптимальные режимы облучения дымовых газов.
Цель работы состояла в комплексном исследо ании процессбв удаления окислов серы из дымовых газов под действием импульсных пучков электронов: изучении влияния параметров электронного пучка (плотности тока и длительности импульса),
напряжённости электрического поля несамостоятельного объёмного разряда инициируемого или поддерживаемого электронным пучком, состава дымовых газов (концентраций S02,- Н2О, 02} на эффективность процесса очистки, оптимизации этих параметров с точки зрения получения минимальных энергозатрат на очистку дымовых газов, а также в подготовке на основе результатов проведённых ирследований предложений по устройству и основным параметрам промышленных установок для очистки дымовых газов с использованием импульсных электронных пучков.
Научная новизна
Наиболее важные результаты работы относятся к категории полученных впервые, а именно:
-
Впервые экспериментально получены низкие затраты энергии на удаление из воздуха окислов серы, составляющие менее одного электрон-вольта на молекулу. Как оказалось, это возможно при использовании импульсных элек ронных пучков с оптимальными параметрами.
-
Впервые экспериментально исследована зависимость эффективности удаления окислов серы от длительности импульса электронно. э пучка в широком диапазоне его длительности (единицы наносекунд + десятки микросекунд) и обнаружен интерзал оптимальных с точки зрения энергозатрат длительностей импульса пучка (сотни наносекунд + тридцать микросекунд).
-
Впервые получено значительное (более чем в два раза) снижение энергозатрат на удаление SO2 в несамостоятельном объёмном разряде, поддерживаемом электронным пучком, при наложении
, на облучаемый газ внешнего электрического поля с оптимальным значением напряжённости поля ((20*120) В/см).
4. Впервые экспериментально обнаружена граница разделения по
концентрации SCb в дымовых газах (-0.1%) двух механизмов
удаления окислов серы: ниже этой концентрации реализуется
нецепной радикальный механизм окисления SO2 с высокими
энергозатратами ((10+14) электрон-вольт на молекулу), выше этой
концентрации реализуется цепной плазмохимический механизм
окисления S02 с низкими энергозатратами (единицы электрон-
вольт на молекулу).
Положення, выносимые на защиту
1. Применение импульсных электронных пучков с повышенной плотностью тока для очистки дымовых газов
позволяет, з отличие от непрерывных пучков, реализовать более эффективный процесс удаления окислов серы. Повышение эффективности очистки достигается за счёт такой организации плазмохимических процессов в ионизованном воздухе, при которой возможно осуществление цепного механизма окисления S02.
2. Управление длительностью импульса и плотностью тока
электронного пучка позволяет реализовать оптимальный режим
очистки газа от окислов серы. При оптимальных значениях длительности импульса и плотности тока достига*. ся высокая степень очистки - до (90+95)% и минимальная величина затрат энергии на удаление одной молекулы SO2 - до 0.7 эВ/мол, что более чем на порядок меньше затрат, реализуемых при использовании непрерывных пучков.
3. Интенсификация цепного процесса удаления S02 с малыми
затратами энергии достигается за счёт наложения на облучаемый газ
электрического поля с низкими значениями напряжённости, то иль
при зажигании в облучаемом объёме несамостоятельного разряда.
При оптимальных значениях напряжённости электрического поля
достигается снижение энергозатрат на удаление одной молекулы
БОг более чем в два раза по сравнению с облучением газа в
отсутствии электрического поля.
4. В зависимости от содержания S02 в газе возможна
реализация различных механизмов окисления. При малых
концентрациях окислов серы реализуется нецепной радикальный
механизм окисления S02, для которого характерно высокое
значение энергозатрат. При концентрации окислов серы выше 0.1%
начинает играть существенную роль цепной плазмохимнческий
механизм окисления S02 с низким значением энергозатрат (единицы
эВ/мол).
Практическая ценность работы
На основе полученных в диссертации результатов предложен перспективный путь снижения энергозатрат на осуществление электронно-пучковой очистки дммовых газов от окислов серы. Он заключается в использовании для очистки дымовых газов импульсных электронных пучков с оптимальными параметрами и внешнего электрического поля с оптимальной напряжённостью.
Полученные экспериментальные результаты позволили сформулировать рекомендации по созданию импульсной электронно-пучковой системы очистки от окислов серы дымовых газов для конкретной ТЭЦ и оценить требуемые параметры такой системы.
Публикации и апробация результатов работы
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (1990, Свердловск; 1992, Екатеринбург), Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (1991, Свердловск), International Pulsed Power Conference (1993,. Albuquerque, USA), International Conference on Phenomena in Ionized Gases (1993, Bochum, Germany; 1995, Hoboken, USA), International Conference on High Power Particle Beams (1994, San Diego, USA), International Conference on Plasma Science (1995, Madison, USA), International Symposium "Novel Applications of Lasers and Pulsed Power" (1995, San Jose, USA), а также на семинарах в Институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург.
Основна г результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, из которых 5 - статьи в центральной печати.
Структура п объём диссертация
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал работы изложен на 146 страницах текста, содержащего 29 рис нков и три таблицы. Список цитируемой литературы включает 147 наименований.
