专利名称：电子束辐照的方法
技术领域：
本发明涉及用电子束辐照的方法，它可用于废气的处理及各种物质的表面改性。
获得电子束辐照的常规装置以直流电流形式产生电子、产生的电子通常跟踪初始的目标例如废气。但是，它们的跟踪频率高于气体的流速；此外，在电子束进入气体以后，将如图4所示扩散并发散。因此，可以认为在电子束发生器附近电子束处于稳态辐照的过程。结果，初始目标被施加的电子激励和活化，由此使它发生分解、与周围物质结合，以及发生其它的反应形成中间产物。经过反复辐照，中间产物通过发生与希望的反应方向相反的反应而分解。这是限制用电子束辐照处理的效率的一个因素。为了解决这个问题，在中间产物形成以后，可以停止一段时间和空间空隙不用电子束辐照，同时适当调整其它条件以保证得到最终产物。通过以多级方式进行电子束的辐照，即在连续两级之间形成一个电子束时间和空间的间隙，可以在一给定的电子束总辐照量的前提下提高处理效率。事实上，如果用相对于一定量的待处理气体而言同样剂量电子束的多级辐照代替电子束的稳态辐照，其处理效率比单级辐照要高。这被称为“多级效应”并已被工业化(参见日本专利号No.1265778，yamada等人)。
但是，为了在直流电子束发生器上实施这个“多级效应”，需要多台电子束发生器，或者通过电子束的物理删除(phyical deletion)获得类似效果。这会产生几个问题例如电子束损失及较大的安装空间；后一个问题首先是由于进入待处理气体中的电子束的发散(参见图4)，其次是需要设置多个直流电子束发生器。
本发明在这些条件下得以完成，其一个目的是提供一种方法，使电子束辐照可以以更高的空间和能量效率进行。
本发明这个目的可以通过用电子束辐照含有氮的氧化物(NOx)并且补加了氨的废气的方法而实现，其中产生频率为10Hz-100kHz，脉冲宽度10-8-10-5秒的脉冲电子束以实施所谓的“多级效应”。
为提高电子束辐照的效率，在现有技术术中通过沿待处理废气的气流方向设置多个电子束发生器来实现所谓的“多级效应”。相反，本发明产生脉冲电子束并将它们作用于待处理废气；概念上讲，单个电子束发生器将起到多个电子束发生器的作用。这有助于减少要安装的电子束发生器的数目，此外，通常脉冲电子束发生器在尺寸上较直流电子束发生器要小，因此，本发明还有助于明显降低用于安装电子束发生器的空间。
从下面的说明书和附图中，本领域熟练技术人员可以明显看出本发明的其它目的和优点。
图1是示意图，说明了根据本发明的一个优选实施方案的电子束辐照方法。
图2是一个曲线图，描述了用电子束辐照氨气氛时，由NO经过中间产物转变为最终物质过程的时间表。
图3是一个示意图，说明了根据现有技术实施“多级效应”时用电子束辐照的方法。
图4说明了电子束进入气体后的发散。
图5描述了一种在电场中发散电子束的方法。
图6是比较脉冲电子束和直流电子束的除去NOx效率的曲线图；和图7示出了用于实施例1的脉冲电流的瞬时分布图。
由于下面两个理由，将第一实施方案中的待处理废气的流速限于1.0m/s至25m/s之间在本发明人进行的实验中，当气体流速至少为1.0m/s时，脉冲电子束与直流电子束相比的优越性才明显，其次，25m/s是废气流过常规管道的上限流速。
由于下面两个原因，限定待处理废气的温度不低于其露点(1)如果废气温度低于其露点，在废气管道的内壁将凝结水滴，并且本发明方法的硝酸铵副产物将不能排至废气的出口处；(2)硝酸将沉积在管道的内表面，产生腐蚀。
待处理废气的温度上限为100℃、因为现在的用于废气处理的电子束辐照技术中，温度过高将发生与废气处理预期的反应方向相反的逆反应。
使用电子束的剂量为0.1-30KGy范围内。迄今为止，这一剂量已经被有效地用于废气处理中，而且在下述参考文献中可以找到有关的指导。
“COMBINED SO2/NOxREMOVAL BY ELECTRON-BEAMPROCESSING”Norman W Frank
Shinichi Hirano发表在由Electric Power Research Institute，Air PollutionConetrol Association，和American Society of MechanicalEngineers联合举办的Integrated Enviormental Control第四次研讨会论文集中，Washington D.C.，March2-4，1988。
因此，用脉冲电子束辐照的方法可产生与迄今为止使用的多级辐照方法相当的效果，但那需要使用多个电子束发生器，因而本发明可以减少安装的空间。
在第二个实施方案中，电子束在电场或磁场作用下发生发散，这可以通过使用描述在日本专利申请No.14863/1994(题为“Apparatus For Irradiation with Charged Particles”)中的四极透镜来实现。
图5说明了电子束在电场中是怎样发散的。进入纸面并从纸的背面射向观察者方向的电子束11在具有13所指极性的电极产生电场方向12的作用力作用下发生如虚线14所示的发散。
从前面的描述可以看出，脉冲电子束辐照可以使用单个电子束发生器而产生与迄今为止用多级辐照获得的效果相当。通过使用多个电子束发生器以产生不同形状的脉冲(指频率和宽度)分别针对特定的目标，可实现更高效率的辐照。这种电子束辐照方法不仅可以降低电子束发生器的数目，从而降低安装空间，而且使设备更容易操作。因而本发明对工业应用是很有利的。此外，在分离副产物之前或以后，处理过的废气可与待处理废气混合，混合气可进行另一次处理，由此可实现脱硝百分比的进一步提高。
下面参照附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。图1是示意图，说明了根据本发明的优选实施方案的电子束辐照的方法。图3是示意图，说明实施“多级效应”的现有技术的电子束辐照方法。图2是曲线图，说明了用电子束辐照废气时，氮的氧化物，尤其是NO经过变化直至产生硝酸铵(NH4NO3)作为最终产物所经历的大致时间段。在图1-3中，相同或相当的部件用同一数字来表示。
参照图3，直流电子束发生器1＇发射直流电子束3＇，它通过一个可透电子束的膜2进入废气处理容器10。假设容器10中的废气为含NO和其它组分的起始气流4。被电子束3＇辐射后的气流4变成另一气流7。气流7中除NO外，还含有中间产物NO3。但是，通过电子束的连续辐照，经过与所期望的反应方向相反的逆反应，NO3将分解为NO2，NO2再分解为NO。因而，还会发生降低NO3浓度的反应。但是，紧接着气流7的气流8没有被电子束辐照，于是NO3将与周围的NH3结合，最终形成稳定组分NH4NO3(硝酸铵)，它在混合物中与NO一起存在，NO是反方向反应形成的，并且不吸收进一步的能量。在接下去的气流9中，气流8中的NO组分被电子束辐照变为NO3，NH4NO3也受到电子束的辐照，但是不容易进行与期望的反应方向相反的逆反应。因此，可以安全地认为气流9是NO3和HN4NO3的混合物。在最终的气流6中，气流9中的NO3组分变为NH4NO3，由此实现了废气的脱硝。这是现有技术中依赖“多级效应”的处理废气的方法的概要。
图1示意地说明了根据本发明的优选实施方案的电子束辐照方法。脉冲电子束发生器1发射脉冲电子束3，它经过如图3所示的一个可透过电子束的膜2，进入废气4中。由于电子束3为脉冲式的，与图3相关连的气流7通过气流8，转变为气流9的过程在气流5的一个步骤中得以完成。由图2可以清楚地看出(图2示出了在一个废气处理的典型方法中从NO变为NH4NO3的估计的时间段)，产生中间产物HNO3需要大约10-5秒。图2还表明产生原子团的辐照时间大约10-8秒。换句话说，用于本发明的电子束的脉冲宽度应不短于10-5秒，或者不短于产生原子团所需的电子束辐照时间。如已经提到过的那样，如果在产生中间产物以后继续施加电子束，则不会发生产生最终产物的反应，而是发生与预期反应方向相反的反应(即和)。因此，为了完成前述的反应，在用电子束辐照至少10-8秒以后，必须有一段10-5-10-1秒的不辐照时间。因此如果辐照继续超过10-5秒，将发生上述的逆反应，有效的脉冲宽度为10-8秒-10-5秒。为了满足脉冲宽度的这一条件，脉冲频率应该不超过100kHz(105Hz)。另一方面，脉冲频率应该不低于10Hz，这一下限由说明上述范围的优越性的实验结果来确定。
因此，根据本发明，发现具有脉冲频率为10Hz-100kHz，脉冲宽度为10-8-10-5秒，不辐照区域延续10-5-10-1秒的时间间隔的脉冲电子束比由常规的直流电子束发生器发射的连续电子束更加有效。用于本发明的脉冲优选具有矩形的时间—电流特性曲线。上限的脉冲宽度限定不超过10-5秒，这是产生中间产物HNO3的要求。但是，应该注意，甚至当脉冲宽度长达10-4秒时，也会发生“多级效应”。还应该提到，脉冲频率和脉冲宽度最好根据目标气体的特定组分而选择。
应在约10毫安至几安培的范围内选择脉冲电流(mA)，以使它适合于待从废气中除去的组分浓度。应该提到如果废气中不仅含NOx，还含有SOx，后者在电子束连续辐照时不会发生反方向的反应，因此，可以预计脱硫效果随着辐照电子束剂量的增加而增强。
图7示出了用于本发明的脉冲电流随时间的函数。通过用这种特性的脉冲电子束辐射，气流6中的大部分组分都转化为NH4NO3。
提供下面的实施例为了进一步说明本发明，而不是为了限制本发明。
实施例1废气在20℃下以1.0m/s速度流动、其体积流速为15NL/秒，超始NOx浓度为5ppm，向废气中补充与NOx等当量的氨气，NOx是待从废气中除去的组分。在250Kev能量下，用剂量在0-0.3KGy范围内的脉冲电子束(条件参见下文)或直流电子束辐照废气，并比较NOx量的减少。用脉冲电子束(I)的辐照产生NOx的降低在任何情况下都大于用直流电子束(II)辐照引起的NOx降低，表明脉冲电子束除去NOx能量更强。根据电子束的剂量，(I)与(II)的比例在约1.05至约1.50范围内变化，说明脉冲电子束比直流电子束更优越。比较的结果列于图6。
所用的脉冲电子束的条件如下频率10-400Hz；宽度5×10-5秒；不辐照的时间间隔；10-1秒。在实施例1中，脉冲电子束的辐照剂量根据脉冲频率变化而调节。
权利要求
1.一种用剂量为0.1-30KGy的电子束辐照至少含有氮的氧化物(NOx)、并且补加了氨的废气，以形成副产物的方法，副产物可以通过静电收尘器和/或袋收尘器分离，而处理过的废气排入大气中，使所说的废气以1.0-25m/s的速度流动，废气温度不低于其露点，但不高于100℃；其特征在于，电子束在电子束发生器中以这种方式来产生，使得它们具有脉冲的时间和空间形状，脉冲频率和脉冲宽度分别为10Hz-100kHz和10-8-10-5秒范围内，而不辐照的时间间隔持续10-5-10-1秒。
2.权利要求1的方法，其中从上述电子束发生器发射的电子束不跟踪，而是在电场或磁场中发散。
全文摘要
本发明公开了一种以更高的空间和能量效率进行废气的电子束辐照处理的方法。该方法为用电子束辐照含有氮的氧化物(NO
文档编号B01D53/52GK1118711SQ9510718
公开日1996年3月20日 申请日期1995年6月2日 优先权日1994年6月3日
发明者西藤睦, 吉冈毅, 西村达也 申请人:株式会社荏原制作所