電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)的研究進(jìn)展

李盼宋　李建軍,2　賀堯祖　張　序

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065；2.國家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川成都，610065)

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專題與評(píng)述

電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)的研究進(jìn)展

李盼宋1李建軍1,2賀堯祖1張序1

(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065；2.國家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川成都，610065)

摘要

關(guān)鍵詞：電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)原理影響因素

二氧化硫和二氧化氮作為目前大氣中的主要污染物是形成酸雨等自然災(zāi)害的主要原因。其中火電廠二氧化硫和二氧化氮的排放是其主要來源。隨著大家環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，二氧化硫和二氧化氮日漸受到研究者的重視并開發(fā)出來很多有效脫除二氧化氮和二氧化硫的方法。脈沖電暈同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)[1]、臭氧同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)[2]、次氯酸鈉濕法同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)[3]、循環(huán)流化床同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)[4]和電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)。在這些方法中電子束氨法[5]以其系統(tǒng)簡單、操作方便、過程易于控制和對(duì)不同含硫量的煙氣和煙氣量的變化有較好的適應(yīng)性和負(fù)荷跟蹤性等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。

1電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)的原理

電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)(簡稱EA-FGD)是利用電子能量為800keV-1MeV的電子束照射煙氣，將煙氣中的二氧化硫和氮氧化物轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨的一種煙氣同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)。煙氣在受到電子束的照射處理后，發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移。電子損失了能量而煙氣分子獲得了能量。電子能量損失的方式主要是通過同原子的核外電子作用損失能量，使煙氣中的氣體分子發(fā)生電離和激發(fā)。H.Matzing[6]的研究表明煙氣中的氮?dú)狻⒀鯕?、水蒸氣和二氧化碳等主要成分吸收?9%以上的電子能量。反應(yīng)機(jī)理如下：

(1)煙氣中的主要成分在電子束的作用下被電離或激發(fā)，產(chǎn)生大量氧化性很強(qiáng)的自由基(OH3、HO23、O3):

(2)自由基與煙氣中的二氧化硫和氮氧化物以極快的速度反應(yīng)生成高價(jià)態(tài)的硫氧化物和氮氧化物：

(3)高價(jià)態(tài)的硫氧化物和氮氧化物與煙氣中的水分及反應(yīng)器中注入的氨反應(yīng)，生成(NH4)2SO4和NH4NO3等。

國外對(duì)于電子束技術(shù)的研究起源于上個(gè)世紀(jì)七八十年代。20世紀(jì)80年代末期，日本原子能研究所和荏原制作所用電子射線照射煙道氣體發(fā)現(xiàn)可以同時(shí)脫硫脫硝。但由于需要大容量的電子加速器、功率大、耗電高、價(jià)格昂貴等因素限制了其應(yīng)用范圍。后來荏原國際公司進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。在氣體進(jìn)入輻照反應(yīng)室之前，添加化學(xué)當(dāng)量配比的NH3。能夠輻照除去100%的SO2和85%～90%的NOx。產(chǎn)物為含90%的(NH4)2SO4和NH4NO3的混合物，能用作肥料和堿性土壤的改良劑。

2電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)脫硫脫硝效率的影響因素

2.1吸收劑量對(duì)SO2、NOx脫除的影響

SO2的脫除效率受吸收劑量的影響，是因?yàn)闊煔庠谑艿诫娮邮恼丈浜髸?huì)產(chǎn)生大量自由基，而增加電子束投加劑量可以增加自由基的產(chǎn)生量。根據(jù)反應(yīng)2可知自由基量的增加又促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。進(jìn)而提高了SO2的脫除率。Tokunaga等[8]對(duì)不同體系(從簡單體系NO-N2到復(fù)雜體系NO-SO2-H2O(g)-O2-N2)下電子束輻照脫除SO2、 NOx作了研究,明確提出: 在氨氣存在條件下,SO2的濃度隨吸收劑量的增加而減少,在吸收劑量大于2kGy時(shí),SO2濃度的減少已趨于緩慢。當(dāng)吸收劑量達(dá)到9kGy時(shí),SO2的脫除效率為90%。同樣的，自由基的增加對(duì)NOx的氧化也有促進(jìn)的作用，但由于部分自由基對(duì)NOx也有還原作用所以在獲得相同脫除率的情況下用于脫除NOx的吸收劑的用量比脫除SO2大。同樣達(dá)到90%，根據(jù)Norman Frank等人[9]的研究結(jié)果顯示：消耗的吸收劑量多達(dá)27.0kGy。

2.2反應(yīng)器入口溫度對(duì)SO2、NOx脫除的影響

二氧化硫的脫除反應(yīng)實(shí)質(zhì)是在電子束誘導(dǎo)下的中和反應(yīng)，總體上是一個(gè)放熱過程。所以溫度的提高對(duì)二氧化硫的脫除有一定的抑制作用。另外，如果入口溫度太高，會(huì)加劇離子的熱運(yùn)動(dòng)，使得電子束的很大一部分能量損失在離子的相互碰撞上。根據(jù)Norman Frank等人[9]的研究結(jié)果顯示：反應(yīng)器入口煙氣溫度以62-76℃為佳。

2.3反應(yīng)器入口濕度對(duì)SO2、NOx脫除的影響

水分子在受到電子書激發(fā)后會(huì)產(chǎn)生OH和HO2自由基，而上面已經(jīng)提到自由基對(duì)于SO2和NOx的氧化起著主要作用。而根據(jù)白俄羅斯的 Nichipor等人[10]的研究表明:煙氣中30%的OH自由基是由H3O+發(fā)生的分子-離子反應(yīng)產(chǎn)生的。所以適當(dāng)提高濕度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。另外，水的出現(xiàn)增加了液相反應(yīng)機(jī)率，促進(jìn)氣溶膠的成核和生長。

2.4氮氧化物和硫氧化物初始濃度對(duì)SO2、NOx脫除的影響

范學(xué)友等人[11]對(duì)影響電子束法協(xié)同脫硫脫硝的影響因素進(jìn)行研究得出：NOx 的脫除效率隨著 NOx 濃度的升高而降低，且 NOx 的濃度越低，NOx 的脫除效率越高。SO2的脫除效率隨著NOx 的升高而降低。隨著SO2濃度越高，NOx的脫除率有所下降。

2.5其他因素對(duì)SO2、NOx脫除的影響

凌志凌等人[12]通過對(duì)電子束投加方式進(jìn)行研究得出：相比于單級(jí)輻照兩級(jí)輻照使NOx脫除率提高10%，但三級(jí)輻照對(duì)NOx脫除效率提高的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。Paur和Matzing等人[13]曾對(duì)電子與煙氣中主要成分的作用及自由基的形成機(jī)理做了大量的研究，認(rèn)為該法工藝中的關(guān)鍵設(shè)備為電子加速器和電子束反應(yīng)器：前者用于產(chǎn)生電子束，后者促發(fā)高能反應(yīng)來脫除SO2、NOx。

3電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)存在的問題及改進(jìn)技術(shù)

3.1存在的問題

(1)高壓直接電源和電子加速器作為電子束脫硫裝置的核心設(shè)備其可靠性還需進(jìn)一步提高。

(2)雖然電子束氨法產(chǎn)生的副產(chǎn)品是可以二次利用的資源，但由于他們具備吸濕性和微小粒徑特征使其容易從集塵器 (無論是布袋還是電除塵器 )上逃逸。

(3)目前大部分企業(yè)為了節(jié)省初步投資，都沒在尾氣排放部分設(shè)置再熱系統(tǒng)，導(dǎo)致脫硫后煙氣的排放存在問題。

(4)其他問題。氨系統(tǒng)中氣氨壓縮機(jī)多次出現(xiàn)曲軸帶液問題,為氨蒸發(fā)器產(chǎn)生的氨蒸氣進(jìn)入氨壓縮機(jī)后冷凝所致,且氨系統(tǒng)存在氨的泄漏問題。

3.2改進(jìn)技術(shù)

(1)研發(fā)高穩(wěn)定性的高壓直接電源和電子加速器。

(2)設(shè)置多級(jí)除塵裝置。

(3)加強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范化。

(4)加強(qiáng)氨壓縮機(jī)的保溫性能,開發(fā)智能噴氨系統(tǒng)嚴(yán)格控制氨投加量。

4結(jié)語

目前，煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)是控制煙氣中的SO2和NOx的趨勢。并且隨著科技的進(jìn)步，越來越多的煙氣脫硫脫硝技術(shù)被應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐。脈沖等離子體法、活性碳法和電子束法都是很有效的煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)，尤其是電子束法因其無二次污染、脫硫劑利用率高和產(chǎn)物資源化等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。但能耗、投資成本和穩(wěn)定性仍是制約其應(yīng)用的問題。因此，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)。致力開發(fā)低能耗、高穩(wěn)定性，低成本的電子束法仍是研究者研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙君科, 任先文, 王保健,等. 脈沖電暈等離子體法煙氣脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)展[J]. 四川環(huán)境, 2000, 19:6-8.

[2] 馬雙忱, 蘇敏, 馬京香,等. 臭氧同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2009:29-31.

[3] 肖靈, 程斌, 莫建松,等. 次氯酸鈉濕法煙氣脫硝及同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31:1175-1180.

[4] 李海宗. 煙氣循環(huán)流化床同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)研究[D]. 華北電力大學(xué)(河北), 2005.

[5] 劉濤, 曾令可, 稅安澤,等. 煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 工業(yè)爐, 2007, 29:12-15.

[6] Matzing H.Chemical Kinetic Model of SO2/NOx Removal by Electron Beam[J]. Kernforschungszentrum Kallsruhe Gmbh.

[7] 羅雁冰, 任岷. 電子束氨法煙氣脫硫脫硝技術(shù)[C]// 第十屆全國大氣環(huán)境學(xué)術(shù)會(huì)議2003.

[8] Tokunaga O. and N. Suzuki. Radiation Chemical Reactions in NOx and SO2Removal from Flue Gas[J].Radiat. Phys. Chem. 1984, 24:145-165.

[9] Norman Frank.EBA RA Electron Beam Process for Flue Gas Clean up: Plant Test Results and Feature Development[J]. Radiat.Phys. Chem. 31 ? (Nos1-3): 57-82.

[10] H. V. Nichipor and E. M. Dashouk. Investigation of SO2, NO and H2S Oxidation in Humid Air by Electron Beam[J]. Radiat. Phys.Chem. 1995, 46 (Nos4-6): 1111-1114.

[11] 范學(xué)友, 賈勇, 鐘秦. 氨吸收法同時(shí)脫硫脫硝的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工進(jìn)展, 2012, 31:213-216.

[12] 任志凌, 陳偉華, 毛本將. 影響電子束氨法煙氣脫硫效率與脫硝率主要因素的分析[J]. 環(huán)境技術(shù), 2006, 24:38-40.

[13] Matzing H．Dyllanlics of particulate formation in the electron beam dry scrubbing process[J]. J aerosol Sci,1988,19(7)：883-885.

The Research Progress of Combined Removal of NOX/SO2by Electron Beam Method Used NH3

LiPansong1,LiJianjun1,2,HeYaozu1,ZhangXu1

(1.ArchitectureandEnvironmentCollegeofSichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China; 2.NationalfluegasdesulfurizationEngneeringTechnologyResearchCenter,Chengdu610065,Sichuan,China)

Key words:the electron beam method; principles; affecting factors

Abstract:Nowadays,SO2and NOx treatmentment is still important and difficult in environmental treatment, by the researchers′ continuous efforts in recent years, many new technologies have been developed. Which makes electron beam method used ammonia become the focus of the desulfurization denitration technology at the same time is because of its simple system, convenient operation, easy control of the process characteristic. This paper briefly introduces its technical principle as well as the factors that affect the desulfurization and denitration efficiency and the current problems and proposed solutions to solve these problems are expounded.

目前SO2、NOx的處理仍是環(huán)境處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，近年來研究者們通過不斷的努力，開發(fā)出了很多新型技術(shù)。而這其中電子束氨法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)因其系統(tǒng)簡單、操作方便、過程易于控制等特點(diǎn)成為目前備受關(guān)注的同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)。本文簡要介紹了其技術(shù)原理以及影響其脫硫脫硝效率的因素，并對(duì)其目前所出現(xiàn)的問題以及針對(duì)這些問題所提出的解決方案進(jìn)行了闡述。