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用輻射法處理工業(yè)三廢,目前發(fā)展的是用加速器電子束輻射凈化煙道氣技術(shù)。此法在日本、德國(guó)、俄羅斯、波蘭等國(guó)已開(kāi)展了相當(dāng)成功的中間試驗(yàn),中國(guó)也是較早開(kāi)展此項(xiàng)研究的國(guó)家之一。1989年,上海原子核研究所建立了一套電子束輻射煙氣脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行了原理性研究和若干重要工藝參數(shù)的試驗(yàn),取得了預(yù)想的結(jié)果綜合國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)十幾年來(lái)逐步工業(yè)化試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用加速器電子束輻射凈化煙道氣技術(shù)的主要特點(diǎn)是：

一、可同時(shí)凈化煙道氣中的SO₂和NO_x，且凈化效率高,這是濕石灰淋洗、選擇性催化還原方法所的；

二、工藝過(guò)程屬干式方法,沒(méi)有水、溶劑等,不會(huì)造成二次污染；

三、凈化系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,工藝流程易于控制；

四、占地少,一次性投入和運(yùn)行成本低；

五、副產(chǎn)物是農(nóng)業(yè)肥料,有較好的經(jīng)濟(jì)回報(bào),有利于資源綜合利用。

1998年5月,由中日兩國(guó)合作并共同投資,在中國(guó)成都發(fā)電廠建成了一套煙道氣處理量為300000m3/h的系統(tǒng),是一套具有工業(yè)規(guī)模的電子束凈化工業(yè)范裝置。該裝置經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)轉(zhuǎn),標(biāo)志著加速器電子束凈化煙道氣技術(shù)已由中間試驗(yàn)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)化階段;在運(yùn)行中不斷出現(xiàn)的故障,反映出其工藝設(shè)備、輔助設(shè)備以及系統(tǒng)配置等方面尚存在較大的技術(shù)發(fā)展空間;隨著中國(guó)在大功率加速器研制與生產(chǎn)能力的增強(qiáng)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化水平的提高,輻射凈化系統(tǒng)的一次性投資、綜合運(yùn)行成本已經(jīng)逐步下降,在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

一、輻射凈化煙道氣反應(yīng)機(jī)理

,由燃煤鍋爐、冶煉廠熔爐等排放出的煙道廢氣含有大量有害的SO和NO2,未經(jīng)處理的煙道廢氣,在大氣中通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成高價(jià)氧化物,進(jìn)而形成硫酸和硝酸,以酸雨形式積聚返回大地,對(duì)地球環(huán)境和生物造成嚴(yán)重污染。輻射凈化反應(yīng)機(jī)理就是將煙道廢氣在大氣中的光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程人為地限定在某一可控制的有限空間內(nèi)進(jìn)行,同時(shí)加入反應(yīng)劑使硫酸和硝酸生成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化肥。鑒于煙道氣的組分除少量SO₂和NO₂外,主要是N₂、O₂H₂O和CO₂。這些組分加上后來(lái)注人的NH₂,經(jīng)電子束輻照會(huì)產(chǎn)生H·、HO₂·、·OH等一系列初級(jí)粒子和自由基。由這些粒子引起的一系列初、次反應(yīng),如離子分子反應(yīng)、中和反應(yīng)聚反應(yīng)等,最終將SO₂和NOx“凈化”掉,得到無(wú)害的產(chǎn)物日本名古屋燃煤煙所在煙氣中SO₂為8×10^-4、溫度為70℃的條件下,獲得了不同輻照劑量條件下的SO₂和NO清除率。實(shí)驗(yàn)表明,氨和氧的熱反應(yīng)可以清除掉SO₂,清除率可達(dá)58%。此種熱反應(yīng)過(guò)程是通過(guò)一種亞硫酸鹽的中間反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的,其效率隨著SO濃度的增加和溫度的降低而增加。當(dāng)輻照劑量大于25kGy時(shí)，SO₂幾乎全部(>97%)被清除掉。清除NO_x則是依靠輻射激發(fā),NOx清除率隨輻射劑量的增加而提高,在10.3kGy時(shí)達(dá)到88%。

二、輻射凈化煙道氣工藝流程

燃煤鍋爐排放出的煙氣經(jīng)電除塵器或噴霧氣冷卻器冷卻到適合反應(yīng)的溫度(70~90℃),并調(diào)節(jié)到適宜的濕度后,將煙氣送入反應(yīng)容器,同時(shí)加入近似化學(xué)計(jì)量的氨,反應(yīng)容器上方安裝電子加速器,能量為0.3~0.8MeV,功率200~300kW,煙氣經(jīng)電子束輻照后,其中SO2和NO最終與氨生成硫銨和硝銨,呈結(jié)晶銨鹽。此副產(chǎn)物經(jīng)收集器收集和加熱烘干處理后送入副產(chǎn)物的儲(chǔ)存系統(tǒng)。凈化后的煙道氣以輔助引風(fēng)機(jī)通過(guò)煙囪排入大氣。

三、電子束輻射系統(tǒng)的基本單元(子系統(tǒng))

電子束輻射凈化系統(tǒng)是由以下五個(gè)裝置單元組成:

1、煙氣冷卻系統(tǒng)

冷卻塔的關(guān)鍵技術(shù)是冷卻水霧化噴嘴。采用氣液二流噴嘴,一般布置于塔的頂部,霧化效果要求粒徑達(dá)到100~200m。煙氣與噴入的水蒸氣混合,沒(méi)有污水排出。

2、氨注人系統(tǒng)

般由液氨貯槽、液氨蒸發(fā)器、氣氨緩沖罐、氨計(jì)量投加泵和自助控制裝置組成。貯槽中的液氨經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣氨,氨氣經(jīng)由設(shè)置在反應(yīng)器入口部位的噴頭注人煙氣。

3、加速器輻射處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)由兩臺(tái)或多臺(tái)大功率電子加速器、輻射反應(yīng)器及輻射輔助裝置組成。電子加速器的主要參數(shù)為:能量800keV,束流強(qiáng)度400mA,掃描窗尺寸1200mm×100mm。輻射反應(yīng)器水平布置,設(shè)有氨氣和冷卻水注入部件、電子束入射窗和清掃風(fēng)口。在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面,既要充分提高電子束流的利用效率,又要盡量縮短箔窗更換時(shí)間,降低操作難度

4、副產(chǎn)物收集系統(tǒng)

采用有靜電除塵器,收集生成的硫酸銨和。其技術(shù)關(guān)鍵是解決副產(chǎn)物中細(xì)微顆粒的捕集,提高副產(chǎn)物收集效率,消除生成物粘附積聚,并要解決收集器對(duì)副產(chǎn)物與尾氣的腐蝕等問(wèn)題。

5、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

工藝流程中的煙氣參數(shù),是通過(guò)分別置于輻照反應(yīng)器前后各工藝段的入口和出口處的煙氣成份在線分析探頭采集的。由總控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù),由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控并以圖形、曲線方法顯示。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀器和設(shè)備的運(yùn)行狀況及工藝流程,都實(shí)時(shí)顯示在總控制室的模擬盤(pán)上

四、電子束輻射技術(shù)與化學(xué)法比較

1、治理煙道氣技術(shù)分類

長(zhǎng)期以來(lái),各國(guó)為治理煙道氣中的灰塵、SO2和NO2,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)十種治理方法,它們分別適用于燃燒過(guò)程不同階段,一般可分為三類:

（1）燃燒前治理。選用優(yōu)質(zhì)燃料或進(jìn)行燃料清潔處理;或燃料經(jīng)氣化及凈化處

（2）燃燒中治理。采用新型燃燒器改進(jìn)燃燒過(guò)程,如低NO燃燒器、流化床燃燒、循環(huán)沸騰床燃燒等。有的還在燃燒時(shí)加入添加劑,如往爐內(nèi)噴石灰石脫硫等。

（3）燃燒后治理。這就是本章要敘述的煙道氣凈化處理。這種治理從原理上又分為兩種:一是采用添加劑和催化劑的化學(xué)方法,二是采用物理能激發(fā)化學(xué)反應(yīng)的物理化學(xué)方法。

化學(xué)方法治理煙氣是20世紀(jì)70年代以前普遍采用的,經(jīng)濟(jì)上發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)已形成了各具特色的煙道氣凈化成套設(shè)備,技術(shù)臻于成熟。其中得到廣泛采用的是濕法石灰石石膏脫硫系統(tǒng);還有的采用濕法石灰石石膏脫硫,另加催化還原工藝組成脫硫脫硝系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),大約80%采用濕法工藝,10%為噴霧干法,10%為其他方法,因此濕法工藝長(zhǎng)期屬于主流技術(shù)。但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐,傳統(tǒng)濕法工藝的缺陷已充分顯現(xiàn),其主要是一次性投資大,運(yùn)行成本高,占地面積較大,有大量廢水廢渣需要進(jìn)行再處理,造成二次污染。

2、輻射凈化技術(shù)的發(fā)展

煙道氣輻射凈化技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代初的日本。1970~1971年,日本科學(xué)家用一臺(tái)能量為2~12MeV、1.2kW的直線加速器在不銹鋼反應(yīng)箱中清除重油燃燒物中的SO₂(含量為1×10^-3)。在吸收劑量為50kGy、溫度為100℃的條件下可以將SO₂清除掉。正是這一原理性的突破,開(kāi)辟了電子束輻射凈化煙道氣這一新途徑。

此后經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了氣流裝置的連續(xù)處理,同時(shí)清除SO₂和NO,以及電子束雙面輻照等,處理對(duì)象也由重油燃燒廢氣發(fā)展到燒結(jié)廢氣等多種煙道氣,處理能力不斷增加。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,由日本原公司建成的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置使技術(shù)可行性得到證實(shí)。該實(shí)驗(yàn)裝置處理煙氣能力為1000m/h,處理時(shí)向煙氣中加入氨氣,從而生成一種干燥的、粉末狀產(chǎn)物,其中含有可以用作肥料的(NH)SO和NHNO₃。這就是的荏原處理法。

1985年在美國(guó)印第安納州的波利和德國(guó)卡爾斯魯厄相繼建成了利用荏原處理法的工業(yè)試驗(yàn)裝置。印第安納波利裝有兩臺(tái)加速器(電子束能量0.8MeV,總功率160kW),處理煙氣量16000~32000m³/h(相當(dāng)于8MW汽輪機(jī)組燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣量);卡爾斯魯厄工廠使用兩臺(tái)電子簾加速器(電子束能量0.3MeV,總功率180kW),處理煙氣量10000~20000m³/h。兩家工業(yè)試驗(yàn)裝置運(yùn)用均獲成功,進(jìn)一步證明了荏原處理法不僅在技術(shù),而且在工藝上也是可行的。

③經(jīng)濟(jì)性比較

從經(jīng)濟(jì)角度分析,影響輻射處理法成本的主要是大功率加速器的價(jià)格,一般要占整個(gè)系統(tǒng)1/3左右。長(zhǎng)期以來(lái),世界上僅有少數(shù)幾家公司有能力生產(chǎn)大功率加速器成套設(shè)備,售價(jià)高達(dá)1.5~2萬(wàn)美元/kW,供貨周期較長(zhǎng),售后服務(wù)也不能令人滿意。1985年美國(guó)人N.W. Frank比較了28種煙氣脫硫技術(shù)工程的數(shù)據(jù),并對(duì)電子束輻射凈化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性作過(guò)評(píng)價(jià)。結(jié)果認(rèn)為,即使在加速器售價(jià)居高不下的情況下,電子束輻射凈化技術(shù)的工程造價(jià)同濕法脫硫技術(shù)相當(dāng),而運(yùn)行費(fèi)用僅為濕法脫硫技術(shù)的1/2,是所有脫硫技術(shù)中運(yùn)行費(fèi)用的。在這一研究結(jié)果中,并未扣除同時(shí)脫除氮氧化物導(dǎo)致的運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用的增加。

從處理煙氣量的規(guī)模角度分析其經(jīng)濟(jì)性后認(rèn)為:處理量為3×10m³/h煙氣的荏原處理法的投資費(fèi)用大約比傳統(tǒng)處理法低15%;處理量直至12×104m³/h時(shí),荏原處理法仍有成本優(yōu)勢(shì);但處理量達(dá)到了18×104m³/h時(shí),荏原處理法就敵不過(guò)傳統(tǒng)處理法了。