CN1090043C - 用电子束辐照处理气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

从如锅炉的燃料燃烧装置(1)中排出的烟道气用电子束(8)处理以从中除去硫氧化物和/或氮氧化物。氨(9，10，11)被加入到烟道气中，然后，混合气体在处理容器(4)内用电子束(8)辐照。然后，将气体引入到集尘器(6)中，收集在处理容器(4)中主要由反应产生的硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物。从处理容器(4)延伸至集尘器(6)的气体接触部分(5)被完全或部分冷却到该气体和露点或露点以下。

Description

用电子束辐照处理气体的方法和设备
                        技术领域
本发明涉及一种使用电子束辐照处理如烟道气的气体的方法和设备，更具体地说，涉及一种通过注入氨并用电子束辐照处理含有硫氧化物和/或氮氧化物的气体、从而从中除去硫氧化物和/或氮氧化物的方法和设备。
                        背景技术
随着经济的发展，需要越来越多的能量。在能量需求的不断增长中，能源仍依靠化石燃料，如煤和石油。然而，燃烧化石燃料产生的有害产物或污染物对地球的污染负有责任。为了防止污染物释放到大气中并停止对地球环境的污染，开发工作正在加速进行，创造了安装在燃料燃烧工厂设备中的气体处理系统，如安装地热电厂中。但是，仍然有许多方面需要改进以克服以各种问题，如需要大量控制变量的设备的配置复杂，需要尖端处理技术的大量规模废水处理系统。
在解决这些问题的时，已开发了一种烟道气处理设备，其中通过电子束辐照处理从如锅炉的燃料燃烧装置中排放的烟道气。
在这一系统中，向含有硫氧化物和/或氮氧化物的气体中注入氨，用电子束辐照该混合气体以反应副产物的形式(以下称为副产物)除去硫氧化物和/或氮氧化物。然而，这些副产物主要由硫酸铵和/或硝酸铵构成，这些副产物趋向于沉积在使处理气体流过的通道中。在这种电子束的方法中，已对防止主要由硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物沉积进行了各种尝试。
根据这些尝试中的一种，在JP 3-65211所公开的一种方法中，电子束辐照后的气流速度设定在10m/s或更低，优选5m/s或更低。在JP 7-31844所公开的另一种尝试中，从电子束辐照区域到副产物收集区域的气体接触部分的温度保持在80-150℃，优选100-150℃。
前一方法的缺点是需要电子束辐照区域下游的设备和/或导管的横截面积大，导致了设备的大型化。后一方法的问题是，因为需要热源以提高气体接触部分的温度。进一步说，这两种方法都不能完全防止副产物的沉积，而且，一旦副产物开始沉积后，其沉积就会加速。
国际申请PCT/JP97/00772中指出，用防护壁围绕具有入口和出口的通道，在防护通道中设置隔板和/或内部隔壁以屏蔽由电子辐照产生的X射线。如果所提出的结构用于烟道气处理系统中的从处理容器到副产物收集器延伸的导管，就要将导管的这一部分被设计成防护通道，在防护通道中提供了隔板和/或内部隔壁。现已知道，副产物通常趋向于沉积在气流为湍流的地方。因此，在所提出的这种结构中，由于防护通道内的隔板和/或隔壁引起气流湍动，副产物将以较快的速度沉积在隔板和/或内部隔壁上或其附近。
                      本发明的公开
因此，本发明的目的是提供一种处理含有硫氧化物和/或氮氧化物气体的方法和设备，通过注入氨并用电子束辐照，从而从中除去硫氧化物和/或氮氧化物，同时防止从处理容器至副产物收集器的设备和/或导管被主要由硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物堵塞。
按照本发明的一个方面，提供了一种通过电子束辐照处理气体的方法，包括以下步骤：在处理容器内向含有硫氧化物和/或氮氧化物的气体中加入氨；在处理容器内用电子束辐照以从气体中除去硫氧化物和/或氮氧化物；用收集器收集在处理容器内因反应产生的副产物；将从处理容器延伸至收集器的气体接触部分的至少一部分冷却到气体的露点或露点以下。
在本发明中，反应是在常压下进行的。气体的露点尽管受气体组成的轻微影响，但主要受气体中水蒸汽浓度的影响。水蒸汽浓度(％)与露点(℃)的关系列于下表中。
    水蒸汽浓度(％)     露点(℃)
          2      18
          4      29
          6      36
          8      42
          10      46
    12       50
    14       53
    16       56
    18       58
    20       60
    25       65
    30       69
当从处理容器延伸至收集器的气体接触部分被全部或部分冷却到气体的露点或露点以下时，气体中所含水蒸汽在气体接触部分被冷凝，与气体接触部分接触的或粘附到气体接触部分的副产物被冷凝水溶解并冲走。因此，防止了副产物沉积或粘附在气体接触部分。气体接触部分中，可以仅在由于气流湍动而易于沉积副产物的区域局部冷却，或者仅在其上部冷却，而下部可以由流自上部的冷凝水冲洗。
该方法进一步包括在电子束辐照之前或之后向气体中喷洒气体接触部分产生的冷凝水的步骤。
按本发明的另一方面，提供了一种通过电子束辐照处理气体的设备，包括：处理容器，向其中提供含有硫氧化物和/或氮氧化物气体；向处理容器内的气体中提供氨的供应装置；用电子束辐照处理容器内气体的电子加速器；收集由反应产生的副产物的收集器；从处理容器延伸至收集器的用于气体通过的导管；以及，用于将从处理容器延伸至收集器的气体接触部分的至少一部分冷却到气体露点或露点以下的冷却结构。
设备进一步包括设置在导管内的隔板或壁，气体接触部分包括隔板或壁的外部表面，隔板或壁上具有冷却气体接触部分的至少一部分的冷却结构。
冷却结构可以包括导管上的冷却夹套、或在气体接触部分或非气体接触部分处的冷却水管道以冷却气体接触部分。该冷却结构还可以包括隔板或壁上的冷却水通道。
特别地，在导管中提供了隔板和/或隔壁的情况下，可以在隔板之间提供分导管。分导管上可以提供冷却夹套，或在气体接触部分和非气体接触部分上提供冷却水管道以将气体接触部分完全或部分冷却到气体的露点或露点之下。
因为在气体接触部分产生的冷凝水中含有溶解的主要由硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物，它们是腐蚀性的。因此，要求与冷凝水接触的部分由抗腐蚀的材料—如不锈钢—制成，或带衬以保护底材。特别地，在提供了隔板或壁的导管中，在隔板或壁之间提供分导管，并且与冷凝水接触的分导管部分由如不锈钢和抗腐蚀材料制成，是有效的。
冷凝水中含有溶解或悬浮的主要由硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物。如果必要的话，冷凝水可以过滤或与水或水溶液—如氨水溶液—混合，然后，喷入处理容器内的气体中。此后，由于气体的显热、电子束辐照产生的热量、化学反应产生的热量，冷凝水被蒸发，溶解或悬浮在冷凝水中的副产物被干燥。然后，干燥的副产物和未被溶解或悬浮在冷凝水中的副产物一起被收集器收集。
喷出装置可以安装在处理容器的上游区域、中部或下游区域，使得喷出装置可以将在气体接触部分冷凝的水喷入处理容器中。
通过在下面结合附图所进行的描述，本发明的上述的以及其它目的、特征和优点将变得更明显，附图以实施例的方式说明了本发明的优选方案。
                     附图简述
图1是本发明的用电子束辐照处理气体的设备的示意图；
图2是图1所示设备中由防护壁围绕的处理容器的截面图，内部隔板设置在从处理容器下游延伸并连接至防护壁开口处的导管中；
图3是图1所示设备的处理容器下游导管的局部剖示图，导管包括具有冷却夹套的部分和螺旋缠绕了冷却水管的部分；
图4是一种其中带有冷却水通道的内部隔板之一的局部透视图；
图5是改进型隔板的实施方案的局部透视图；以及，
图6是对比例的用电子束辐照处理气体的设备的示意图。
                  本发明的最佳实施方式
按照本发明，用电子辐照处理气体的设备将在以下参照图1-5进行描述。
参看图1，本发明设备包括锅炉1，锅炉是一种燃料燃烧装置并排出烟道气，用于冷却从锅炉1排出的烟道气的换热器2，用喷雾的冷却水进一步冷却来自热交换器的烟道气的喷水冷却塔3，用于接受来自喷水冷却塔3的冷却烟道气的处理容器4。该设备进一步包括处理容器4下游的导管5，用于从经导管5由处理容器4排出的气体中收集副产物颗粒的静电聚尘器6，以及用于从设备的静电聚尘器6排出气体的感应通风扇7。在处理容器4上提供一电子加速器8以用电子束辐照气体。通过管道混合器10从供氨装置9中供应氨，所供应的氨与空气在管道混合器10中混合，混合气体再供应到处理容器4内的双流体喷嘴11中。在双流体喷嘴11中，来自管道混合器10的混合气体和来自混合液体缸12中的混合液体在气-液混合室中混合。混合液体缸12中的混合液体是水与来自在导管5中形成的排出水口(port)13的冷凝水的混合物。由双流体喷嘴11产生的气-液混合物在电子束辐照之前或之后喷入处理器4内的烟道气中。双流体喷嘴11可以设置在处理容器4的上游区域、中部或下游区域。因为从排水口13排出的冷凝水与水混合，并喷入处理容器4中，在处理容器4或导管5中被蒸发，防止了废水的产生，因此，在气体处理系统中不需要废水处理系统。
参看图2，处理容器4由防护壁14围绕，具有多个褶皱的平行间隔的隔板15放置在导管5中，导管5从处理容器4的下游延伸，并连接到防护壁14的开口处。
如图3所示，导管5包括具有冷却夹套16的上游部分和螺旋缠绕了冷却水管17的下游部分。冷却水被供应到冷却夹套16和冷却水管17中，分别冷却作为气体接触部分的导管5的内表面。
如图4所示，具有多个褶皱的每一块隔板15都有一包藏在其中的冷却水通道18，通道在其中弯曲延伸。向冷却水通道18中提供冷却水以冷却隔板15的外表面。隔板15的外表面也用作气体接触部分。还可以在处理容器4的壁上、或导管5的壁上提供冷却水通道。
图5是隔板15的改进的实施方案。如图5所示，在防护壁14和隔板15之间，以及在相邻两隔板15之间分别提供具有冷却夹套的分导管19。分导管19具有折叠的横截面为矩形的通道。向分导管上的冷却夹套中提供冷却水以冷却用作气体接触部分的分导管19的内表面。烟道气在每一个分导管中流动。烟道气不与隔板15直接接触，但与分导管19的内表面接触，内表面被冷却夹套冷却到气体露点或露点以下，因此，气体中的水蒸气被冷凝，与分导管19的内表面接触或粘附到分导管19表面上的副产物被溶解并被冷凝水冲走。
                      实施例
在如图1-5所示的设备上进行本发明的试验。在图1中，从锅炉1中排出的烟道气为1,500m3N/h，含有700ppm硫氧化物和150pp氮氧化物，烟道气被换热器2冷却到150℃，然后被喷水塔3进一步冷却到60℃。之后，烟道气被引入处理容器4中。来自供氨装置9的2.1m3N/h的氨与8.0m3N/h的空气在管道混合器10中混合，然后该混合气体与混合液体缸12供应的13.3kg/h混合液体在处理容器4内的双流体喷嘴11的气-液混合室中混合。气体和液体混合物在处理容器4的入口处喷出并蒸发，并用来自电子加速器8的10kGy的电子束辐照。在处理容器4的出口处，此时，气体的温度为65℃，气体的露点为50℃。之后，气体沿处理容器4下游的导管5进入静电聚尘器6。在静电聚尘器6收集了副产物后，该气体由感应通风扇7排入大气中。在感应通风扇7的出口处，硫氧化物的浓度为35ppm，氮氧化物的浓度为20ppm，副产物颗粒的浓度为5mg/m3N。
处理容器4被图2所示的防护壁14围绕，具有多个褶皱的隔板15放置在从处理容器4下游延伸并连接到防护壁14开口处的导管5中。防护壁14外侧和开口处的X射线的强度为0.1μSV/h或更小。
气体在处理容器4内的流动速度为0.1m/s。在导管5内，在没有安装隔板15的区域，气体的流动速度为10m/s，在安装了隔板15的区域，气体的流动速度为15m/s。
此时，如图3所示，处理容器4下游的导管5包括一个上游部分和一个下游部分，上游部分具有冷却夹套16，下游部分具有冷却水管17，使在与气体接触处的导管5的最高温度抑制在45℃。而且，隔板15具有各自的冷却水通道18，使在与气体接触处的隔板15的最高温度抑制在45℃。
在处理容器4下游的导管5的内表面和隔板15的表面上，冷凝了5.0kg/h的水，在冷凝水中副产物的浓度为6％。冷凝水从排水口13(参看图1)排出，并供应到混合液体缸12中，在其中与8.3kg/h的水混合。
在设备连续操作120小时后，没有压力损失。然后，检测处理容器4下游的导管5，表明在导管5的内表面和隔板15的表面没有观察到副产物。
                        比较例
比较试验在如图6所示的电子束处理气体的设备内进行。图6所示设备不同于图1所示设备，其中没有液体混合缸12和排水口13，导管5上没有冷却夹套16也没有冷却水管17，隔板15上没有冷却水通道18。
在图6中，从锅炉1中排出的烟道气为1,500m3N/h，含有700ppm硫氧化物和150ppm氮氧化物，被换热器2冷却到150℃，然后被喷水冷却塔3进一步冷却到60℃。之后，烟道气被引入处理容器4中。来自供氨装置9的2.1m3N/h的氨与8.0m3N/h的空气在管道混合器10中混合，然后，混合气体与13kg/h水在处理容器4内的双流体喷嘴11的气-液混合室中混合。气体和水的混合物在处理容器4的入口处喷出并蒸发，用来自电子加速器8的10kGy的电子束辐照。在处理容器4的出口处，气体的温度为65℃。之后，气体沿处理容器4下游的导管5进入静电聚尘器6。在静电聚尘器6收集了副产物后，气体由感应通风扇7排入大气中。在感应通风扇7的出口处，硫氧化物的浓度为35ppm，氮氧化物的浓度为20ppm，粉尘颗粒的浓度为5mg/m3N。
处理容器4被图6所示的防护壁14围绕，具有多个褶皱的隔板15放置在从处理容器4下游延伸并连接到防护壁14开口处的导管5中。防护壁14外侧和开口处的X射线的强度为0.1μSV/h或更小。
废气在处理容器4内的流动速度为0.1m/s。在导管5内，在没有安装隔板15的区域，气体的流动速度为10m/s，在安装了隔板15的区域，气体的流动速度为15m/s。
在设备连续操作120小时后，由于副产物沉积在导管5的内表面和隔板15的表面，所以有高的压力损失。由于高的压力损失妨碍了感应通风扇7的操作，设备停车。然后，检测导管5，发现沉积在导管5的内表面和隔板15的表面上的副产物重量为100kg。
很明显，从以上描述可以看出，本发明具有如下优点：
在通过注入氨和使用电子束辐照处理含有硫氧化物和/或氮氧化物的气体以从中除去硫氧化物和/或氮氧化物的方法中，可以防止从处理容器至副产物收集器的设备和/或导管被主要由硫酸铵和/或硝酸铵组成的副产物所堵塞。因此，气体处理过程可以安全而稳定地进行。
尽管详细描述了本发明的优选方案，但应当理解，在不脱离所附权利要求书的范围的条件下可以做出各种改变的改进。
                     工业应用性
本发明适合于烟道气处理系统，可以高效地从如煤或石油的各种燃料燃烧产生的燃烧烟道气中的除去硫氧化物和/或氮氧化物。

Claims (10)

1.一种使用电子束辐照处理气体的的方法，包括：
在处理容器内向含有硫氧化物和/或氮氧化物的气体内加入氨；
在所述处理容器内用电子束辐照气体以从该气体中除去硫氧化物和/或氮氧化物；和
用收集器收集在所述处理容器内由反应产生的副产物；
其特征在于：
将从所述处理容器延伸至所述收集器的气体接触部分的至少一部分冷却到该气体的露点或露点之下。
2.如权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：
在电子束辐照之前或之后，将在所述气体接触部分产生的冷凝水喷入该气体中。
3.一种使用电子束辐照处理气体的的设备，包括：
向其中供应含硫氧化物和/或氮氧化物的气体的处理容器；
向所述处理容器内的气体中供应氨的供应装置；
用于在所述处理容器内用电子束辐照气体的电子加速器；
收集由反应产生的副产物的收集器；和
从所述处理容器延伸至所述收集器允许该气体通过的导管；
其特征在于：
用于将从所述处理容器延伸至所述收集器的气体接触部分的至少一部分冷却到该气体的露点或露点以下的冷却结构。
4.如权利要求3的设备，其中，所述气体接触部分包括所述导管的内表面。
5.如权利要求3的设备，进一步包括：
所述导管内的多个间隔设置的隔板或壁；
其中，所述气体接触部分包括所述隔板或壁的外表面。
6.如权利要求3-5中任何一项的设备，其中，所述冷却结构包括所述导管上的冷却夹套。
7.如权利要求3-5中任何一项的设备，其中，所述冷却结构包括所述导管上的冷却水管。
8.如权利要求3-5中任何一项的设备，其中，所述冷却结构包括所述处理容器、所述导管、所述隔板或壁上中至少一个上的冷却水通道。
9.如权利要求3-5中任何一项的设备，其中，所述导管包括多个分导管，并且，所述冷却结构包括在所述分导管上的冷却夹套。
10.如权利要求3-5中任何一项的设备，其中，所述供应装置设置在所述处理容器的上游区域、中部或下游区域，使得所述供应装置将在所述气体接触部分冷凝的水喷入所述处理容器内。
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