CN1011858B - 废气处理方法 - Google Patents
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Abstract
废气处理方法，其步骤包括将含硫氧化物(SOx)和/或氮氧化物(NOx)引入射线辐照区，于辐照之前，之中或之后向废气加氨(NH3)，用集尘器收集生成的硫酸铵和/或硝酸铵，然后让废气排放入大气。单独使用袋滤器或静电除尘器和袋滤器并用作为集尘器并将袋滤器出口处的废气温度调节到废气湿度得以饱和的温度至100℃的范围内即可提高脱硫和/或脱硝率。
Description
本发明涉及通过射线辐照处理废气的改进方法。更具体地讲，本发明涉及提高废气净化方法的脱硫和脱硝效率的改进方法，其中主要是通过加氨并进行射线辐照来进行脱硫和脱硝的。
本说明书中所用“脱硫”一词意指脱除废气中所含各种形式的硫氧化物（下称“SOx”），而“脱硝”一词意指脱除同样是废气中所含各种形式的氮氧化物（下称“NOx”）。厂矿和电力企业每天都在不停地排放出大量的燃烧气。这些废气中无一例外地含有至少一种SOx和/或NOx，当然SOx或NOx的实际含量与废气种类有关。废气中所含SOx和NOx一般均为有害气体成分，因此必须脱硫和脱硝后才能排放到空气中以防止空气污染。
到目前为止，已提出了各种脱硫和脱硝方法并已投入使用。但许多方法均为湿法，其中需耗用大量的水或特定的化学制剂，因此必须处理其中作为副产物产生的废水和淤浆，这又带来另一难以解决的问题。特别是有害气体成分含量相当高的废气处理要生成极其大量的废水和淤浆，因此难于处理。所以现有废气处理技术不能满足要求。
本发明目的是对反应器上游和/或下游侧的气体温度加以实际控制以提高废气脱硫和脱硝的方法，其中主要是通过加氨并进行射线辐照来进行脱硫和脱硝。
本发明的其它目的及优点可从以下的说明中看出。
图1是本发明通过射线辐照进行加氨废气处理方法的一种实施方案流程图，其中在紧邻辐照区上游侧的位置向废气喷冷却水。
图2是本发明通过射线辐照进行加氨废气处理方法的另一实施方案流
程图，其中在紧邻辐照区下游侧的位置向废气喷冷却水。
图3是本发明通过射线辐照进行加氨废气处理方法又一实施方案流程图，其中采用气-气加热器进行高温未处理气和相对低温处理气之间的换热并在紧邻辐照区下游侧的位置向废气喷冷却水。
图4是现有技术通过射线辐照来进行加氨废气处理方法的流程图，其中对气体温度进行调节，这可参见日本专利No.1，171，144的说明书。
图5是每一检测点即静电除尘器（EPS）入口和出口以及袋滤器出口处气体温度和脱硫率的关系图。
图6是气体温度和脱硝率的关系图。
现将本发明详述如下。
为了克服上述缺点，人们已研究并开发了通过射线辐照来进行废气处理的方法。该现有技术为干法并能将废气中ppm数量级的毒性气体成分直接转化成固体颗粒。这样一来，就不存在下步处理废水和淤浆的问题并且可将SOx和NOx以具有商业价值的化学肥料形式加以回收利用。因此如SOx和NOx含量高，则从费用角度看这可能极为有利。图4为通过射线辐照来进行含氨废气（氨是加入的）的典型方法流程图。用废气管2将锅炉1产生的含SOx和NOx废气（一般为高温即130°或以上）引入冷却塔3，其中用冷却水管4喷出的冷却水将其冷却，从而使反应器7中心部位气体温度达到50-80℃，然后用废气管5将冷却废气导入反应器7。在废气管的中间一段用加氨装置6向废气加氨。引入反应器7的废气再用射线发生器9发出的射线进行辐照。结果是将废气中所含SOx和NOx转化成硫酸铵和/或硝酸铵，然后用集尘器收集起来。净化废气用导管或烟囱13排入大气。
图4所示调节废气温度的废气处理法可参见我们的现有技术发明说明书（日本专利No.1，171，144）。该现有技术的特点是将辐照区（反应器）中心部位气体温度调为50-80℃。该温度范围是以含约200ppm SOx或
NOx废气的检测数据为基础确定的。从那以后，本发明人已从多方面作了进一步的试验，结果表明即使将反应器中心部位的气体温度调节为50-80℃，SOx/NOx含量高的废气中SOx/NOx的脱除率也不会提高，因为反应器出口处的气体温度因SOx/NOx与NH3（如下述）反应释放出大量热量而提高。
而且反应器入口处的气体温度必须调节到50℃或更低以保证反应器中心部位的温度达到50-80℃。在这种情况下，如冷却塔入口处水含量为8.5体积%的150°废气经过冷却塔而得以用喷射水的蒸发潜热冷却下来，则废气的湿度在约53℃即达到饱和。为了进一步将这种状态的气体温度降低到50℃，就必须应用水的显热。但这时因温度低于水饱和温度而出现水滴，这样一来该法就不成其为干法了。因此，即使将反应器中心部位的气体温度仅调节为50-80℃，也不可能进行干法处理。
以下对采用上述通过射线辐照来进行加氨废气处理的方法脱除SOx和NOx的基本原理进行说明。
废气受到射线辐照时，其中会出现氧与水分子反应产生的氧化性极强的OH，O和HO自由基。这些活性自由基极迅速地将SOx和NOx氧化成H2SO4和HNO3。这样形成的H2SO4和HNO3然后分别与加入废气中的氨反应成（NH4）2SO4（硫酸铵）NH4NO3（硝酸铵）。上述硫酸铵和硝酸铵形成过程中发生的典型反应如下：
一般认为射线辐照处理含氨废气（以下简称“辐照处理”）的方法是放热反应。粗略地讲，发热有两方面的原因。发热原因之一是放热现象，其中传给废气并得以吸收的辐射能转换成热能，这成其为废气温度上升的原因之一。假定吸收量，废气流量和密度分别为D（Mrad），Q（Nm3/h）和L（kg/Nm3），则吸收辐射能的发热量C（kcal/h）如下：
C＝2.39×D×Q×ρ（kcal/g）……（6）
发热的另一原因是脱硫反应[即上述式（2）和（3）的反应]和脱硝反应[即上述式（4）和（5）的反应]释放热量。假定废气流量Q同上述，未处理废气中SOx浓度为[SOx]（ppm），脱硫率为ηSOx，未处理废气中NOx浓度为[NOx]（ppm），脱硝率为ηNO，则脱硫发热量A（kcal/h）和脱硝发热量B（kcal/h）分别如下：
A＝Q×[SOx]×ηSOx×10-6×103×
1/22.4×131.02（kcal/h）……（7）
B＝Q×[NOx]×ηNOx×10-6×103×
1/22.4×68.93（kcal/h）……（8）
因此，若假定废气比热为c（kcal/kg℃），则辐照处理使废气温度上升值△T（℃）如下：
△T＝ (A+B+C)/(Q×ρ×c) （℃）……（9）
以下说明处理废气的一种实施方案，其中特地运用上述的每一方程式并假定：
ρ＝1.3（k/Nm3）
c＝0.27（kcal/kg℃）
以发电能力为300MW的电厂为例，其废气流量估计可达到1，000，000Nm3/h左右。假定废气中SOx和NOx浓度分别为2，000ppm和300ppm，射向废气的电子束量以吸收量计为1.8Mrad，则辐照处理使废气温度上升值如下：
根据方程式（6）：
C＝2.39×1.8×1，000，000×1.3
＝5，592，600（kcal/h）
根据方程式（7）：
A＝1，000，000×2，000×1.0×10-6×103×1/22.4×131.02
＝11，698，214（kcal/h）
根据方程式（8）：
B＝1，000，000×300×1.0×10-6×103×1/22.4×68.93
＝923，170（kcal/h）
因此，根据方程式（9）：
△＝ (A+B+C)/(Q×ρ×c)
＝ (11，698，214+923，170+5，592，600)/(1，000，000×1.3×0.27)
＝ (11.70×106+0.923×106+5.59×106)/(106×1/3×0.27)
＝ 18.21/(1.3×0.27)
52（℃）
如此看来，上述实施方案中，处理高SOx和NOx浓度废气使温度上升约52℃。因此，将反应器入口处气体温度调节为53℃，而反应器中心部位的气体温度调节为79℃：
｛ (入口53℃+出口（53℃+52℃）)/2 ｝
结果是，反应器出口处温度高，即105℃，因此不可能提高SOx和NOx的脱除率。换句话说，结果表明反应器下游侧的气体温度比反应器中心部位的气体温度重要得多。
而且，这时试验高SOx和NOx浓度废气还最新发现以下热化学反应为脱硫反应：
此外，新发现的反应还在置于反应器下游侧的静电除尘器（ESP）和/或袋滤器中大规模地进行，而且该反应在很大程度上取决于温度，即温度越低，反应率越高。因此，本发明人才发明了应用于该废气处理法的实际温度控制法。
以下参照图1说明本发明的一种实施方案。用废气管2将锅炉1产生的含SOx和/或NOx废气（一般为高温即130℃或以上）引入冷却塔3，其中用冷却水管4喷出的冷却水使其冷却，从而使气体温度达到废气湿度得以饱和的温度至100℃的范围内，然后用废气管5将冷却废气导入反应器7。在废气管5中间的一段用加氨装置6向废气加氨。引入反应器7的废气用射线发生器9发出的射线进行辐照。之后用固定在反应器内辐射区上游位置的冷却水管8′向废气喷冷却水。结果使废气中所含SOx和/或NOx转化成硫酸铵和/或硝酸铵，然后用集尘气收集起来。净化废气用导管或烟囱13排放入大气。
用冷却水管8′向废气喷冷却水的原因是用喷出水的蒸发潜热阻止废气因吸收辐射能以及因脱硫和脱硝反应发热而造成的温度上升以便调节集尘器出口处的气体温度。
本发明所用集尘器的具体例子包括单独使用袋滤器，单独使用静电除尘器（下称“ESP”）或ESP和袋滤器并用。若ESP和袋滤器并
用，则最好向废气喷冷却水以使袋滤器出口处的气体温度达到废气湿度得以饱和的温度至100℃的范围内。若ESP单独使用，则最好向废气喷冷却水以使ESP出口处的气体温度达到废气湿度得以饱和的温度至90℃的范围内。
图2为本发明另一实施方案，表明了图1所示第一实施方案的改进方法。该实施方案与第一实施方案不同的是向废气喷冷却水的位置从反应器中辐照区的上游侧换到了下游侧。这种喷水位置的改变是以本发明人所进行试验的结果为基础的。更确切地说，若在辐照区的下游位置向废气喷冷却水，则SOx和NOx的脱除率特别是脱硝率如下面实施例所述会提高。
图2所示方法得以改进的原因如下述。喷入反应器中的微细水滴蒸发掉，因吸收蒸发潜热而使废气温度降低。在与废气一起通过反应器中的辐照区时，这些水滴直接吸收传给废气的部分射线。水滴吸收的辐射能在水滴内部转换成热能并且只能以蒸发水滴而消耗掉。因此，辐射能无助于在废气中产生活性自由基，而这正是辐照的主要目的。
至于冷却水喷射方向，已确认在废气流同一方向（即顺流体系）喷冷却水可得到满意的结果。但也发现，如图2所示在废气流相反方向（即逆流体系）喷冷却水甚至可获得更好的结果。可以认为，逆流体系中在喷出水和废气相互碰撞位置气流成湍流态，加快了水滴的蒸发。
图3为本发明的又一实施方案。图3所示方法中采用气-气加热器进行高温未处理气和相对低温处理气之间的换热。该实施方案使本发明所用整个气体处理体系中冷却水耗量得以降低并可通过提高温度而使气体处理后能够有效地扩散入大气。
尽管上述实施方案中是用冷却水调节废气的温度，但也可用常温空气或冷却空气代替冷却水。
以下对本发明所用集尘器加以说明。处理所得硫酸铵和硝酸铵为极细
粉粒，具有很好的粘附，结块和吸湿性。因此，若采用过滤式集尘器如袋滤器，则处理大量粉尘时抗滤性在很短的时间内就会提高。因此必须加大过滤器的有效面积并在袋滤器的上游测向废气添加助滤剂如硅藻土或粘土以阻止粉粒在过滤器上粘附并结块，从而防止发生堵塞现象。但这种集尘办法带来很高的扬尘效率。
可单独使用ESP，其中不会出现袋滤器中出现的堵塞现象。但若烟气规定条件特别严格如将上限定为10mg/Nm3，则必须降低ESP内气体的流速（如0.3m/s），这会使设备尺寸加大。
ESP和袋滤器并用即可解决严格的烟气调节问题并且不会出现堵塞现象。更确切地讲，由于袋滤器置于ESP下游，则ESP可采用相当高的气体流速（如1-3m/s）。因为废气到达袋滤器时其中粉含量已降低，所以短时间内抗滤性不会提高，因此不必加大有效过滤面积。这样一来，就可采用紧凑的ESP和袋滤器体系并因此而提高集尘器的经济性和优化效果。
因此，本发明方法中可单独使用ESP，单独使用袋滤器或ESP和袋滤器并用作为集尘器，而优化集尘器可根据入口处的SOx/NOx浓度，脱硫率，脱硝率，烟气调节要求等条件来确定。
下述实施例进一步说明本发明，但并不限制本发明。
实施例1
调节图1所示试验体系以使锅炉1产生并用导管2送入冷却塔3的燃烧气温度在冷却塔3的入口处达到150℃。其中采用包括ESP和袋滤器的联合集尘器。SOx和NOx浓度以及废气中水含量分别为2，000ppm，350ppm和8.5%。冷却塔3中向废气喷冷却水以使冷却塔3出口处气体温度达到70℃。在经过导管5时，废气与4，350ppm（1mol，按体积计）的氨气混合以使废气以8，000Nm3/h的流量通过反应器7。在反应器7
中，废气用来自电子束加速器的1.8Mrad电子束进行辐照并同时用来自冷却水喷管8的冷却水喷洒以使集尘器11出口（即袋滤器出口）处的气体温度在65-100℃范围内变化。整个试验中，上述条件保持基本恒定的值，试验方法连续进行8小时。其中生成的固体副产物用包括ESP和袋滤器的联合集尘器分离。在稳定地维持固定状态时，测定ESP入口和出口处以及袋滤器出口处的气体温度并在同一检测点对废气进行抽样以测定废气中的SOx和NOx浓度。因此可得到测定平均值。这些检测结果示于图5和6中。
应当注意到，在每一取样点废气湿度得以饱和的温度为约56℃。
实施例2
试验在与实施例1相同的条件下进行，只是如图2中所示在标号8′所示紧邻辐照区的下游位置向废气喷冷却水。电子束量与实施例1相同即1.8Mrad。所得固体副产物用包括ESP和袋滤器的联合集尘器滤出。按同于实施例1的方式对废气进行取样以测定气体中SOx和NOx的浓度。检测结果表明，脱硝率为约5-10%，高于实施例1，而脱硫率则几乎与实施例1相同。
实施例3
试验在与实施例1相同的条件下进行，只是单独使用袋滤器作集尘器。在袋滤器出口处检测气体温度和废气中SOx和NOx的浓度。检测结果基本上与使用包括ESP和袋滤器的联合集尘器时相同。
从图5中可以清楚地看出，脱硫率与气体温度的关系极大，即气体温度越低，脱硫率越高，并且即使在集尘器中也大量进行脱硫反应。还应当注意到，在采用包括ESP和袋滤器的联合集尘器或单独使用袋滤器作集尘器时，气体温度最好调节到100℃或以下，而在单独使用ESP时，则
最好将气体温度调节为90℃或以下。在每一种情况下，气体温度越低，结果越好。但由于本发明方法为干法，所以最好使气体温度的下限高于废气湿度得以饱和的温度。实施例情况下的下限温度为约56℃。因为从图5可以看出本发明方法中在100℃以下大量进行脱硫反应，因此反应器入口处气体温度最好不要超过100℃。反应器入口处气体温度的下限最好定在废气湿度得以饱和的温度以上，因为如上所述，本发明方法为干法。
虽然上述实施方案中是在紧邻辐照区上游或下游侧向废气喷冷却水，但最好还是在辐照区上游和下游两侧设置水射流来进行温度控制，或在喷射大量冷却水的情况下采用这两种水射流之一和辐照区内设置的水射流进行联合喷水，这要根据待处理具体气体条件（如入口气体温度，水浓度，SOx浓度，NOx浓度，脱硫率和脱硫率等）而定。
从示出气体温度和脱硝率之间关系的图6可以看出，脱硝率受气体温度的影响并不象脱硫率那么大。应当注意到，取样点之间的脱硝率没有差别。
Claims (16)
1、一种废气处理方法，其步骤包括将含有至少一种选自硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)的有害成分的废气引入射线辐照区，于辐照之前，之中或之后向废气中加入氨(NH3)，用集尘器收集生成的反应产物，其中包括硫酸铵和硝酸铵，然后让废气排放入大气之中，其改进方法包括单独使用袋滤器或静电除尘器和袋滤器并用作为所说的集尘器，并在反应器中的辐照区下游侧向受辐照的废气喷冷却水，从而将袋滤器出口处的废气温度调节到废气湿度得以饱和的温度至100℃的温度范围内。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
3、根据权利要求1所述的方法，其中喷射水量宜于通过喷射水滴的蒸发来抑制因吸收辐射能和所说至少一种有害成分与氨反应释放出的热量而造成的废气温度上升。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
5、根据权利要求1所述的方法，其中废气于反应器中的辐照期间进一步向废气喷冷却水。
6、根据权利要求5所述的方法，其中喷射水量宜于通过喷射水滴的蒸发来抑制因吸收辐射能和所说至少一种有害成分与氨反应释放出的热量而造成的废气温度上升。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
8、根据权利要求5所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
9、含有至少一种选自硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的有害成分的废气处理方法，其中将该废气引入射线辐照区，于辐照之前，之中或之后向废气中加入氨（NH3），用集尘器收集生成的反应产物，其中包括硫酸铵或硝酸铵或硫酸铵和硝酸铵两者，然后将废气排放入大气之中，其改进方法包括用静电除尘器作为所说的集尘器，并在反应器中的辐照区下游侧向受辐照的废气喷冷却水，从而将所说的静电除尘器出口处的废气温度调节到废气湿度得以饱和的温度至90℃的温度范围内。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
11、根据权利要求9所述的方法，其中喷射水量宜于通过喷射水滴的蒸发来抑制因吸收辐射能和所说至少一种有害成分与氨反应释放出的热量而造成的废气温度上升。
12、根据权利要求11所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
13、根据权利要求9所述的方法，其中废气于反应器中的辐照期间进一步向废气喷冷却水。
14、根据权利要求13所述的方法，其中喷射水量宜于通过喷射水滴的蒸发来抑制因吸收辐射能和所说至少一种有害成分与氨反应释放出的热量而造成的废气温度上升。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所说射线来自电子束加速器的电子束。
16、根据权利要求13所述的方法，其中所说射线为来自电子束加速器的电子束。
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