Инициирование плазмохимических процессов окисления SO2 в воздухе импульсными электронными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Уральское отделение Институт электрофизики

На правах рукописи

Кузнецов Дмитрий Леонидович

ИНИЦИИРОВАНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ БОг В ВОЗДУХЕ ИМПУЛЬСНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

01.04.13. - Электрофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ю.Н. Новосёлов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических иаук Ю.Д.Королёв (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск)

кандидат физико-математических наук В.В. Плохой {(Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики, г. Снежннск)

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт,

' 1 *

г. Москва

Защита состоится "_ "ОЩЯбрЩ, 1997 г. Час, на заседании

диссертационного совета Д.003.41.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу; 634055, г. Томск, пр. Академический, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан " 2- " 1997 г.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные учёным секретарём и скремённые гербовой печатью, прошу присылать по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 4, ИСЭ СО РАН.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор ^ Д.И. Проскуровский

Общая характеристика работы

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-ь7)% 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 802,- Н20, 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 поввзна

Наиболее важные результаты работы относятся к категории полученных вперше, а именно:

1. 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.

2. 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 интервал оптимальных с точки зрения энергозатрат длительностей импульса пучка (сотни наносекунд + тридцать микросекунд).

3. Впервые получено значительное (более чем в два раза) снижение энергозатрат на удаление БОг 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 80г в дымовых газах (-0.1%) двух механизмов удаления окислов серы: ниже этой концентрации реализуется нецепной радикальный механизм окисления вОг с высокими энергозатратами ((10+14) электрон-вольт на молекулу), выше этой концентрации реализуется цепной плазмохимический механизм окисления ЭОг с низкими энергозатратами (единицы электрон-вольт на молекулу).

Положеввя, выносимые ва 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 БО^.

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 достигав ся высокая степень очистки - до (90+95)% и минимальная величина затрат энергии на удаление одной молекулы БОг - до 0.7 эВ/мол, что более чем на порядок меньше затрат, реализуемых при использовании непрерывных пучков.

3. Интенсификация цепного процесса удаления Б02 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 БОз в газе возможна реализация различных механизмов окисления. При малых концентрациях окислов серы реализуется нецепной радикальный механизм окисления Б02, для которого характерно высокое значение энергозатрат. При концентрации окислов серы выше 0.1% начинает играть существенную роль цепной плазмохимнческий механизм окисления ЭСЬ 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 сёры 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.

Основные 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.

Основное содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследований и формулировка целей работы, описывается структура диссертации, а также перечисляются результаты работы, относящиеся к категории полученных впервые.

В первой главе проведён обзор основных методов очистки дымовых газов от окислов серы и азота, рассмотрены преимущества и недостатки этих методов. Обоснована необходимость поиска новых способов очистки дымовых газов. Обсуждены преимущества импульсных электронных пучков по сравнению с непрерывными пучками. На основании рассмотренного материала сформулированы основные задачи исследований, стоявшие перед автором.

Во второй главе описаны устройство, работа и параметры трёх экспериментальных установок, созданных для проведения исследований:

1. Установка на основе ускорителя электронов с ленточным пучком регулируемой плотности тока (поперечное сечение пучка - 10 см х 100 см, объём облучаемой смеси - 10 л).

2. Установка на основе ускорителя электронов с радиалыю пасходящимся пучком и регулируемой длительностью импульса (поперечное сечение пучка -1.44 м\ объём облучаемой смеси-170 л). Установка позволяет формировать импульсы тока несамостоятельного разряда, поддерживаемого электронным пучком.

3. Установка на основе наносекундного ускорителя электронов. (Использовался малогабаритный ускоритель "РАДАН" со взрывоэмиссионным катодом; амплитуда плотности тока пучка составляла ~800 А/см2, длительность импульса на полувысоте ~3 не, поперечное сечение пучка вблизи фольги ~1 см2, объём облучаемой смеси ~10 см3). Установка позволяет формировать импульсы тока несамостоятельного разряда, инициируемого электронным пучком.

Описаны методики проведения экспериментов н определешш основных характеристик процесса очистки модельных смесей от окислов серы импульсными электронными пучками:

1. Определение абсолютной концентрации БОг в смеси до и после облучения электронным пуч' ж производилось с помощью масс-спектрометра, а также с помощью прибора, созданного на основе кондуктометрического метода измерения концентрации.

2. Определение степени очистки смеси после серии импульсов облучения осуществлялось по формуле-

Т1 = Д[50да)2]о (1)

где ц - степень очистки, Д[802] - изми.ение абсолютной концентрации 802 в смеси после серии импульсов облучения, [8О2]0- начальная абсолютная концентрация Б02 в смеси.

3. Определение энергозатрат е на удаление одной молекулы 802 осуществлялось по формуле:

е = (™п.уд.+™р.уд>п / (е-Д [802]) (2)

где лупуя. - удельный энерговклад, производимый пучком за один импульс; \урм. - удельный энерговклад, производимый несамостоятельным разрядом за один импульс; п - количество импульсов в серии облучения; е - заряд электрона.

Произведена оценка погрешностей определения характеристик процесса очистки модельных смесей от окислов серы

импульсными электронными пучками. Значения погрешностей определения величин е, п и Д[802] во всех случаях отличались незначительно; относительные погрешности не превышали 30%.

В третьей главе исследуется влияние параметров электронного пучка (длительности импульса, плотности тока) на эффективность процесса очистки.

Эксперименты по" исследованию влияния длительности импульса тока пучка на эффективность очистки проводились как на установке с радиально расходяш"мся пучком, так и на установке с >енточным пучком электронов. Затраты энергии е определялись по форм> ле (2) с учётом того, что \ур.уд=0, так как электрическое поле к облучаемой смеси не прикладывалось. Зависимость энергетических затрат е от длит< ьности импульса электронного пучка х для смеси ^•.ОуЛЬО^СЪ = 84:10:5:1 представлена на рис.1. Минимальное значение е ~ 1.5 эВ/мол наблюдается при т=15 мкс. ё эВ/мол Рис.1. Зависимость,энергетических затрат е

' от д.стельности импульса электронного

пучка т.

Увеличение длительности импульса приводит к существенному

......возрастанию е и при т290 мкс

20 60 100 т,мкс энергетические затраты составляют величину (8-7-10) эВ/мол, близкую к наблюдаемой в экспериментах с непрерывными электронными пучками. Возможности использованных в данных экспериментах ускорителей не позволяли выполнить опыты при более коротких длительностях импульсов в мшсросекундном диапазоне. Были проьедены оценочные эксперименты га установке с наносекундным ускорителем электронов без' приложен™ к облучаемому объёму внешнего электрического поля. Эксперименты показали, что в наносекундном временном диапазоне длительностей электронного пучка величина е составила несколько десятков электрон-вольт на молекулу.

Оптнмнзацкл плотности тока электронного пучка проводилась на ускорителе с ленточным пучком при длительности импульса 15 мкс, п?и которой возм жно получение максимального значения Г| и, соответственно, минимальной величины е. На рис.2 показана зависимость величины е от плотности тока пучка j при содержании в смеси 5% Н20 и 1% 802. Вид зависимости еО) имеет ярко выраженный минимум. При оптимальной плотности тока ,Ь=4-1о ' А/см значение е-(0.7±0.2) эВ/мол. Следует отметить, что

величина е при облучении дымовых газов непрерывными пучками составляет (8+20) эВ/мол, то есть в описанном выше эксперименте с импульсными электронными пучками нам удалось более чем на порядок снизить величину энергетических затрат, а значит и улучшить эффективность процесса очистки.

6 эВ/мол Рис.2. Зависимость энергетических затрат е

' на удаление одной молекулы вОг от

плотности тока пучка

Полученные пезуль-яты не - поддаются интерпретации в рамках свободно-радикальной модели,

—,—,—,—,—г—,- привлекаемой для объяснения

2 4 6 ],*103А/см2 результатов экспериментов с непрерывными пучками. Результаты могут быть объяснены с привлечением цепного механизма окисления 802 в ионизованном дымовом газе. Так как в дымоёом газе содержатся электроотрицательные газы (прежде всего кислород), то при облучении электронным пучком образуются отрицательные ионы, которые могут инициировать цепные реакции окисления 802. Окисление, в02 в ионизованном дымовом газе происходит в присутствии паров воды в реакциях зарядового обмена с участием иона Оз~ и ассоциативного отрыва электр- на:

БОг + 03~ -» БОз" + Ог (3)

вОз" + Н20 -> Н280* + е • (4)

Конечный продукт Г^О* может быть удалён го дымовых газов при добавлении аммиака. Освободившийся в реакции (4) электрон, совместно с термализованными электронами пучка, может принять участие в реакциях трёхчастично[\ прилипания, замкнув цепь плазмохимических реакций:

е + 02 + М->02" + М (5)

где М - третья» истица, которой может быть молекула N2,02, Н20. К образованию иона О3Г ведёт цепочка реакций с участием молекулы Б02 и колебательно возбуждённой молекулы 02*: 1

02 + е -> Ог* + е (6)

02- + 802-»802~ + 02 (7)

802" + 02* -> Б04" (8)

804~ + 02*-»80э + 0з~ (9)

Кроме того, в ионизованном дымовом газе происходит реакция ион-ионной рекомбинации:

02" +-> 02 + Ы2 (10)

которая является паразитной и приводит к снижению концентрации отрицательных ионов кислорода, а значит и основного реагента, обеспечивающего появление цепного механизма.

Зависимость параметров п и е от плотности тока пучка можно объяснить следующим образом. При оптимальной плотности тока пучка (¡-(Ю^+Ю"2) А/см2), вероятно, реализуется максимальная длина цепи реакций, когда освободившийся в реакции (4) электрон участвует в процессе окисления БОг несколько раз. В области малых плотностей тока 0<(1О"4+1О'3) Л Л!2) удаление Б02 происходит в основном по радикальному механизму, поскольку концентрация электронов в газе мала и, соответственно, мала концентрация ионов 02-. Вероятность реализации механизма (3-9) низка. При плотностях тока выше оптимальной 0>10л А/см2) реакции (3-9) протекают при избытке электронов. Происходит увеличение концентрации ионов 02~ и N2*. В результате этого увеличивается скорость разрушения отрицательных ионов в реакции '10). Кроме того, при высокой плотности тока пучка ионы 02~ могут разрушаться и в других конкурирующих процессах (например, отрыв электрона- от 02"~ электронным ударом), а часть электронов может рекомбинировать с положительными ионами без участия в реакции (5). В результате всех перечисленных выше факторов возрастают непродуктивные затраты энергии пучка и, следовательно, величина энергетических затрат е возрастает.

Зависимость параметров Г) и е от длительности импульса пучка обусловлена, вероятно, протеканием в ионизованном газе конкурирующих процессов. Полезными с точки зрения удаления окислов серы являются реакции (7,8,9), которые инициируются ионами О2". Однако эти ионы мо1уг вступать и в другие реакции (например, реакция ион-ионной рекомбинации (10)). Оценочные расчёты показали, что в условиях экспериментов с ленточным и радиально расховдццшся пучком характерное время нарастания концентраций ионов 02~ иИ2+ до стационарных значений составляет ~(10+30) мкс. То есть за это время скорости образования и рекомбинации ионов сравниваются . и дальнейший рост концентрации ионов становится невозможен несмотря на постоянное образование ионов 02~ в течение всего времени облучения смеси пучком. Поэтому применение пучков, алительность импульса которых превышает это характерное время, приволчг к непродуктивным потерям ионов 02~, что снижает вероятность протекания реакции (7), а значит уменьшается и вероятность возникновения цепного механизма. В экспериментах с

наносекундным ускорителем за время длительности импульса тока пучка (~3 не) ионы Ог~ не успевают образоваться в достаточных количествах, так как : .рактерное время прилипания электрона к молекуле 02 в реакции (5) составляет десятки наносекунд. Исходя из этого приблизительной нижней границей длительности импульса пучка для эффективного протекания плазмохимических процессов окисления вОг в дымовых газах можно считать величину ~(100 не -сотни не).

В четвёртой главе исследуется влияние напряжённости внешнего электрического поля в несамостоятел! ых с' »ёмных разрядах на эффективность очистки модельных смесей от БСЬ. Привлечение цепного механизма окисления 802 позволило не только объяснить результаты экспериментов, описанных выше, но и указать новые пути повышения эффективности удаления окислов серы из и низованного воздуха. Образование ионов 03~ в реакции (9) ограничивается концентрацией колебательно возбуждённых молекул кислорода 02". Наложение внешнего электрического поля позволяет увеличить температуру электронов, а значит и повысить концентрацию 02*. Численные расчёты показывают, что при полях Е/МзК)"17 В •см2 до 60% энергии разряда уходит в возбуждение первого колебательного уровня молекулы кислорода. Для воздуха атмосферного давления этому соответствует оптимальная величина напряжённости электрического поля Ео«200 В/см. Для отношения скорости реакции (6) при наличии поля и пучка к скорости этой реакции только под действием пучка можно получить выражение:

у = (Мс.п)-(е^ Е,) (11)

а для отношения удельных энерговкладов

\У = УеЕо/(Е|кгП2) (12)

где ку, к, - константы скоростей реакций (6) и (5). п - концентрация кисло; ода в воздухе, уе - дрейфовая скорость электронов в поле Ео, еу=16.5 эВ - энергия образова .иг молекулы 02* в воздухе при торможении пучка быстрых электронов, е,—35 эВ - энергия образования в воздухе электрон-ионной пары. При подстановке этих численных значений и значений к,«(2-гЗ)10"30 см6/с и ку»(2.5тЗ)10'10 см3/с получим 7»(7*8), \\%0.07. Видно, что наложение внешнего поля с оптимальной напряжённостью позволяет интенсифицировать реакции (6,8,9) в несколько раз при незначительном (~7%) увеличении вкладываемой в газ энергии. При этом следует ожидать увеличение интенсивности всего цепного процесса.

Эксперименты провечились на установке, использующей ускоритель с радиально расходящимся пучком при длительности импульса 50 мкс, 80 мкс и 100 мкс на полувысоте и плотности тока в импульсе 7.6-10"4 А/см2. Разряд зажигался во всём объёме камеры при приложении к газовому промежутку длиной ё = 10 см постоянного напряжения и0=(°-2+8) кВ. Облучение осуществлялось сериями по 100 импульсов. Исследовалась смесь Ъ^-.Ог'.НгО^Ог = 88:10:1:1. Зависимости ' е и ^ от средней напряжённости "чектрнческого поля в столбе разряда Е=ио/<1 при различных длите -,ностях импульса тока пучка т приведены на рис.3,а и 3,6, соответственно. При длительности импульса 50 мкс (рис.3,а, кривая 1) а диапазоне ог имальной напряжённости поля (Е=(20+120) В/см) энергозатраты е снижаются в ~2 раза по сравнению с облучением без внешнего поля, то есть с 4.2 эВ/мол до (1.5+2.1) эВ/мол. Да'-'.неншее увеличение напряжённости поля В вызывает рост е, и при Е»800 В/см величина £ превышает 20 эВ/мол. ^Характерно, что при оптимальной напряжённости поля увеличение энергии, вкладываемой в газ за счёт зажигания несамостоятельного разряда не превышает 4%, тогда как величина б снижается более чем в 2 раза (рис.3,а, кривая !) при повышении степени очистки также в 2 раза (рис.3,б, кривая1).

Б эВ/мол Рис.3. Зависимости энергетических затрат е

' (а) и-степени очистк. г| (б) от средней

напряжённости электрического поля в столбе разряда Е при различных длительностях импульса тока пучка х (1 - т=50 мкс, 2 - т=8о мкс, 3 - т=100 мкс).

Всё это говорит о значительном повышении эффективности очистки при использовании слабых внешних электрических полей и о нецелесообразности использования полей напряжённостью сотни вольт на сантиметр. При увеличении т до 100 мкс наблюдается увеличение е и снижение т\ (рис.3,а,б, кривые 2,3).

40 80 120160 Ё,В/см При этом эффект внешнего ллектрического поля не так ярко выражен, как при т=50 мкс, хотя общая ^ндеьция зависимо гей е(Е) и Т](Е) сохраняется.

Па основе м^чели цепного механизма окисления Э02 можно указагь на ещё одну возможность интенсификации процесса (3-4).

Образование иона 03~, необходимого для осуществления цепного механизма, возможно и в реакциях диссоциативного прилипания

Ог + е О" + О (13)

и трёхчастичной ассоциации

О" + Ог + О2 -+ Оэ" + О2 (14)

Скорость реакции (13) достигает максимума при энергии электрона ~6.5 эВ, когда сечение диссоциативного прилипания максимально. Таким энергиям электронов соответствуют напряжённости поля 2>25 кВ/см. При таких значениях Е интенсивно протекают процессы ударной ионизации и объёмная форма горения разряда оказывается неустойчивой. Поэтому эксперименты выполнялись в наносекундном диапазоне с использованием ускорителя "РАДАН", инициирующего разряд со временем горения меньшим, чем время контракции. Зависимости степени очистки г| от зарядного напряжения Ц> на конденсаторе, подключённом к разрядному промежутку, за серию из 1800 импульсов облучения смеси М2:02:Н20:802 = 84:10:5:1 для двух значений ёмкости конденсатора представлены на рис.4. Эти зависимости имеют ярко выраженный немонотонный характер.

Рис.4. Зависимости степени очистки ^ от зарядного напряжения на конденсаторе 1Го для двух значений ёмкости конденсатора (1 -С=5.2нФ,2-С=1.2нФ).

1 0^

0.2 _

При и0~(3+Ю) кВ (Е-(З-ИО) кВ/см) степень очистки ■ минимальна.

2 6 10 и0,кВ Дальнейшее повышение напряжения приводит к росту степени очистки. Однако с точки зрения затрат энергии этот механизм оказывается неэффективен, поскольку при Е>3 кВ/см величина е становится'значительно больше 15 эВ/мол. Таким образом, результаты экспериментов пс оляют говорить о неперспективности использования сильных электрических пс 1ей в применении к э. ектронно-пучковой очистке дымовых газов.

В пятой главе исследуется влияние состава дымовых газов на процесс их очистки от в02 импульсными электронными пучками.

В реальных дымовых газах содержится достаточно большое количество парой воды, которые оказывают существенное влияние как на степень очистки, так и на величину энергетических затрат. Эксперимент по определению этого влияния показал, что изменение процентного содержания Н20 в смеси от 0.3% до 5% приводит к снижению энергетических затрат с 2.2 эВ/мол до 0.7 эВ/мол.

и

Поскольку процесс удаления окислов серы из дымовых газов определяется окислением молекул БСЬ, следует ожидать влияния концентрации кислорода в дымовых газах на эффективность процесса очистки. Для исследования этого влияния были проведены эксперименты с использованием ускорителя с радиально расходящимся пучком электронов. Было обнаружено, что влияние концентрации кислорода существенно при его малом количестве в смеси, а при [02]>10% изменение значений е и т] не наблюдается. Приведённые результаты пред -авляются важными, поскольку в реальных дымовых газах содержание кислорода обычно превышает 10%, поэтому принимать каких-либо специальных мер для повышения эффективности очистки путём увеличения концентрации кислорода не следует.

Так как концентрация 802 в дымовых газах различных производств варьируется в широких пределах, представляется в? ним исследование зависимости эффективности удаления БО^ от концентрации этой примеси в дымовых газах. Эксперименты проводились на установке с использованием ускорителя с радиально расходящимся пучком. В смеси содержалось 10% 02 и 5% Н20. Зависимости количества удалённых молекул А[802] (а), степени очистки 11 . (б) и энергетических затрат е (в) от начальной концентрации {802]о при различных значениях напряжённости внешнего электрического поля Е представлены на рис.5.

Л^ОдЬ

I -3

«10 см з

0.2 04 06 05 [БО^, %

Рис.5. Зависимости количества удалённых молекул Д[Б02] (а), а) степени очистки т) (б) и' энергетических затрат е (в) от начальной концентрации примеси [БОзЗо при различных

напряженности* поля Е (1 - Е=0, 2 - Е=30 В/см, 3 - Е=100 В/см).

б)

Зависимости 1| и с имеют 0.2 (И 0£ 0.8 [^ОД), % нелинейный характер. Видно, что в отсутствии

электрического поля при малом содержании примеси в газе степень очистки за серию импульсов велика и 02 04 0/> 0.8 [БОЖ, % Достигает значения 0.93 (рис.5,б, кривая 1). Увеличение до значений больших 0.1% приводит к снижению степени очистки, которая при [8О2]0~1% составляет величину -(0.1+0.12).

е,эВ/мол 12

I

4

в)

Затраты энергии е также снижаются п^и увеличении концентрации в02 (рис.5,в). При низких концентрациях значение е~(1(Ы4) эВ/мол, что характерно н для непрерывных пучков с малой плотностью тока. Нг^людаемые значения е при [802]о>0.1% ниже этой величины. Наложение внешнего поля приводит к дополнительному снижению затрат энергки е (рис.5,в, кривые 2,3). На рис.5,а видно, что при [502]о~(0.01+0.1)% происходит достаточно резкое увеличение Д[802] (кривые 1,2,3). При более высокой начальной концентрации 5Ю2 количество удалённых молекул увеличивается более плавно. Это является причиной

. снижения п при высоких значениях [502]о- Кроме того, поскольку энергия, вложенная в газ электронным пучком, остаётся неизменной, происходит снижение величины е.

В рамках модели цепного механизма окисления Б02 можно объяснить полученные результаты следующим образом. При низких концентрациях молекул 802, участвующих в реакциях (3,7), вероятность цепного процесса (3 - 9) резко снижается, а осуществляется нецепной механизм окисления 502. Многочисленные расчёты и эксперименты свидетельствуют, что протеканию реакций окисления Б02 по радикальному нецепному механизму соответствует минимальная величина е~(10+12) эВ/мол. Наблюдаемые значения е при [802]<»>0.1 % ниже этой величины, что указывает на реализацию цепного механизма. Таким образом, при изменении содержания Б02 в газе от 0.01% до 0.1% основным механизмом очистки является нецепной радикальный. При повышении процентного содержания 802 реализуется цепной механизм. С ростом [802]о увеличивается скорость реакции (3), а также реакций (7-9), что приводит к более эффективному использованию электронов пучка в реакциях окисления 802.

Основные результаты в выводы по работе

1. Созданы экспериментальные установки на основе импульсных ускорителей электронов, позволяющие исследовать процессы радиационной очистки модельных смесей от Б02 в широком диапазоне параметров электронного пучка, внешнего электрического поля, состава и объёма облучаемых газовых смесей.

2. Разработаны методики измерения количественного состава исследуемых газовых смесей и определения основных характеристик процесса очистки смесей от БО*

3. Исследована зависимость эффективности удаления Б02 от плотности тока электронного пучка. Впервые экспериментально получена низкая величина энергозатрат на удаление из воздуха окислов серы (менее 1 эВ/мол), что возможно при использовании импульсных электронных пучков с оптимальной плотностью тока.

4. Впервые экспериментально исследована зависимость эффективности удаления БОг от длительности импульса электронного пучка в широком диапазоне длительностей. Обнаружен интервал длительностей (сотни не + 30 мке), оптимальный с точки зрения энергозатрат на очистку.

5. Исследована зависимость эффективности удаления , Б02 от напряжённости' внешнего электрического поля как в области слабых (<1 кВ/см), так И в области сильных полей (>1 В/см). Впервые экспериментально получено значительное снижение энергозатрат (более чем в ппа раза) при наложении на облучаемый пучком газ слабого внешнего электрического поля с оптимальной напряжённостью ((20+120) В/см). Экс; гриментально подтверждена возможность увеличения степени очистки при наложении на облучаемый газ сильного электрического поля (>10 кВ/^м), когда формируется объёмный газог'.'й разряд инициируемый электронным пучком, но такой режим удаления Б02 энергетически малоэффективен (энергозатраты превышают 15 эВ/мол).

Получена экспериментальная зависимость эффективности удаления окислов еры от концентрации паров воды в смеси. При увеличении процентного содержания паров воды с 0.3% до 5% наблюдалось снижение энергозатрат на удаление Б02 с 2.2 эВ/мол до 0.7 эВ/мол ри использовании электронного пучка с оптимальными параметрами.

7. Исследована зависимость эффективности удаления Б02 от концентрации кислорода в смеси. Обнаружено, что при концентрации кислорода ниже 10% его содержание оказывает существенное влияние на эффективность очистки, а при концентрации выше 10% содержание кислорода практически не влияет на процессы удаления Б02. Поскольку в реальных дымовых газах содержание кислорода обычно превышает 10%, нет необходимости в специальных мерах по увеличению концентрации кислорода в обрабатываемых газах.

8. Получена зависимость эффективности удаления Б02 от концентрации окислов серы в газовой смеси. Впервые экспериментально обнаружена граница реализации двух

механизмов удаления окислов серы 'ю концентрации S02 (-0.1 %): при концентрации S02 ниже 0.1% реализуется нецепной радикальный механизм окисления S02 с высокими энергозатратами С(10+14) эВ/мол), при концентрации S02 выше 0.1% реализуется цепной плазмохимический механизм окисления S02 с низкими энергозатратами (едини-ы эВ/мол).

9. Все полученные результат ! качественно объясняются в рамках модели цепного плазмохимического механизма окисления S02 с участием отрицательных ионов.

10. Сформулированы рекомендации по созданию импульсной электронно-пучковой системы очистки дымовых газов от окислов серы для конкретной ТЭЦ. Эта система может состоять из 24 пар импульсно-пер юдических ускорителей электронов и системы ■ лтания ра—>яда, причём параметры пучка и разряда оценивались на основе, результатов данной диссертации для достижения минимальных энергозатрат на очистку. Показано, что в случае создания такой системы на очистку дымовых газов будет расходоватьсч кЮ.2% от установленной мощности ТЭЦ. Эта величина более чем на порядок меньше, чем в действующ)« пилотных установках и в проектируемых промышленных очистных системах на основе непрерывных ускорителей электронов.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Коваль Н.Н., Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н., Осипов В.В., Рукин С.Н., Уварин В.В., Щании П.М. Импульсный сильноточный источник электроноп с плазменным катодом на основе дугового разряда. // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточгой электронике: Тезисы докладов. Ч.П1. Свердловск. 1990. С.29-31.

2. Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В. Импульсный источник электронов с экспоненциальным спадом тока пучка. // II Всесоюзная конференция "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц": Тезисы докладов. Т.1. Свердловск. 1991. С.68-70.

3. Игнатьев А.В., Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н. Применение импульсных электронных пучков для очистки дымовых газов. // IX Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докладов. Екатеринбург. 1992. Ci356-357.

4. Игнатьев А.В., Кузнецов Д.Л., Месяц ГЛ., Новосёлов Ю.Н. Очистка дымовых газов импульсными пучками электронов. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. В.22. С.53-56.

5. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N., Uvarin V.V. Electro., pulse accelerator for flue gas cleaning. // 9th IEEE Int. Pulsed Power Conference: Digest of Abstracts. Albuquerque. USA. 1993. 11-8.

6. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N. Removal of S02 from stack gases by electron beams. // In Proc.: XXIInt. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Bochum. Germany. 1993. V.2. P.124-125.

7. Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н., Старовойтов М.Ю. Удаление окислов серы в несамостоятельном объёмном разряде. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. В.16. С.6-9.

8. Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н. Влияние длительности импульса электронного пучка на эффективность удаления окислов серы из дымовых газов. // Письма в ЖТФ. 1994. Т.20. В.7. С.22-25:

9. Kuznetsov D.L., Novoselov Yu.N. Using a radially divergent e-beam accelerator to irradiate flue gases. // In Proc.: X Int. Conf. on High Power Particle Beams. San Diego. USA. 1994. V.II. P.796-798.

10. Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н. Удаление окислов серы из ионизованного воздуха в слабом электрическом поле. /' Письма в ЖТФ. 1994. Т.20. В.23. С.17-20.

11. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N. Cleaning flue gases from SO2 in e-beam generated plasma. // In Proc.: IEEE Int. Conf. on Plasma Science. Madison. USA. 1995. P.269.

12. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N. Pulsed electron beams for flue gas treatment. // In Proc.: Int. Symp. "I ,ovel Applications Of Lasers and Pulsed Power". San Jose. USA. 1995. P.142-146.

13. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N. Removal oif SO2 from ionized air: effe«.. of electric field. // In Proc.: XXII Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Hoboken. USA. 1995. P.145-146.

14. Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н. Плазмохимический реактор для очистки воздуха от окислов серы и азота. Патент Российской Федерации № RU 2064815 С1 на изобретение. 10 августа 1996 г.

15. Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н. Удаление окислов серы из дымовых газов под действием импульсных пучков электронов. // Теплофизика высоких температур. 1996. Т.34. № 6.

Отпечатано на ротапринте ИФМ УрО РАН тираж 80 заказ 70 объем 0,95 печ.л.формат 60x84 1/16

620218 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.Ковалевской, 18 ИФМ УрО РАН

С.845-852.