Pembentukan ulang dioksin setelah tungku: sintesis de novo dan jendela pendinginan

Pembentukan dioksin tidak berhenti di tungku

Separuh pembakaran dari topik ini — ruang sekunder 850 °C, waktu tinggal dua detik, dan apa yang dimusnahkan keduanya — dibahas dalam artikel tentang mengapa insinerator beroperasi pada 850 °C selama dua detik. Artikel ini mengambil separuh kedua, yang dimulai di keluaran ruang bakar dan berakhir di cerobong.

Sebabnya adalah dioksin tidak hanya dimusnahkan dan diemisi; ia juga terbentuk. Karbon, klorin, oksigen, dan permukaan yang membawa logam semuanya ada di dalam gas dan di dalam fly ash yang dibawanya, dan antara sekitar 200 °C dan sekitar 400 °C bahan-bahan itu dapat dirakit menjadi polychlorinated dibenzo-p-dioxins dan dibenzofurans lebih cepat daripada reaksi pemusnahan di zona panas dapat bersaing. Pembentukan dioksin pada pita itu adalah sebab pabrik dengan ruang bakar yang sempurna tetap dapat gagal memenuhi batas cerobongnya.

Ada dua jalur yang menghasilkannya, dan meskipun keduanya diuraikan secara terpisah dalam literatur, keduanya berbagi satu pita suhu dan satu permukaan, sehingga jawaban rekayasanya untuk keduanya sama.

Sintesis de novo dioksin pada fly ash

De novo berarti dari yang baru: kerangka karbonnya dibangun dari karbon yang sudah ada di dalam fly ash, bukan dari prekursor yang menyerupai dioksin. Reaksinya heterogen — terjadi di permukaan partikel, bukan di dalam gas — dan membutuhkan tiga hal sekaligus yang disediakan aliran gas secara gratis di hilir ruang bakar: karbon yang tidak terbakar dan jelaga di dalam abu, sumber klorin, dan permukaan yang mengkatalisis reaksi itu.

Katalisnya adalah yang membuat jalur ini begitu peka terhadap jenis sampah. Permukaan abu membawa logam, dan klorida tembaga serta besi khususnya dilaporkan sangat mendorong reaksi itu. Dua sampah yang dibakar dengan profil suhu identik dan beban klorin identik karena itu dapat menghasilkan hasil yang sangat berbeda, dan aliran sampah berkadar tembaga atau besi tinggi pantas diperlakukan sebagai umpan berisiko lebih tinggi untuk pembentukan ulang, bukan hanya untuk korosi.

Sintesis de novo adalah klorinasi oksidatif, sehingga juga membutuhkan sedikit oksigen. Itu menyingkirkan satu penyederhanaan yang menggiurkan tetapi salah: gas yang baru saja didinginkan masih berada di pita aktif dengan semua bahan yang dibutuhkan reaksi itu.

Angka yang biasanya dikutip menempatkan bagian tercepat dari reaksi ini di sekitar 300 °C, dengan pita yang perlu diwaspadai membentang kira-kira 200 sampai 400 °C. Angka itu harus dibaca sebagai metode awal, bukan sebagai spesifikasi: angka itu menggambarkan di mana reaksinya paling cepat pada fly ash yang tipikal, bukan batas tempat reaksi menyala dan padam.

Jalur prekursor: dioksin yang dirakit dari molekul yang sudah ada di dalam gas

Jalur kedua tidak membangun kerangka karbon dari karbon abu. Ia bermula dari molekul aromatik terklorinasi yang lebih kecil — klorobenzena dan klorofenol — yang sudah ada di dalam gas, yang mengembun ke permukaan fly ash dan berpasangan di sana menjadi dioksin dan furan. Produknya keluarga senyawa yang sama; bahan mentahnya berbeda.

Karena kedua jalur berbagi pita suhunya, keduanya dijawab dengan tindakan yang sama, tetapi keduanya menunjuk masalah hulu yang berbeda. Jalur prekursor membutuhkan pasokan aromatik terklorinasi, yang merupakan masalah pembakaran: ruang bakar yang memusnahkan senyawa organiknya dengan benar juga berhenti memasoknya. Sintesis de novo membutuhkan abu, katalis, dan oksigen, yang merupakan masalah rangkaian gas.

Jendela 200 sampai 400 °C dan laju pendinginan

Reaksi itu membutuhkan waktu. Yang menghasilkan dioksin bukan melewati suatu suhu, melainkan menghabiskan waktu di dalamnya, sehingga besaran yang dikendalikan perancang adalah waktu yang dihabiskan gas di dalam jendela itu, bukan suhu pada satu titik mana pun. Gas yang melintasi pita itu dalam sepersekian detik membentuk jauh lebih sedikit daripada gas yang melayang melaluinya selama beberapa menit, dan itulah dasar pembenaran pendinginan cepat setelah ruang bakar.

Itulah sebabnya satu pembacaan suhu adalah spesifikasi yang lemah. Quench yang melaporkan suhu keluaran yang rendah menyatakan bahwa gas kini sudah keluar dari jendela itu; ia tidak menyatakan berapa lama gas membutuhkannya untuk sampai ke sana, atau apakah sebagian aliran melewati bejana itu dengan lambat di sepanjang dinding. Tugasnya dijelaskan oleh suhu di setiap ujung bagian pendinginan dan waktu tinggal yang dihabiskan di antara keduanya.

Rentang beban sama pentingnya dengan titik desain. Kecepatan gas turun seiring beban, sehingga pabrik yang berjalan menganggur pada sebagian kecil throughput terpasangnya membutuhkan waktu lebih lama untuk melintasi jendela itu daripada pabrik yang sama pada laju penuh, dan bagian pendinginan yang memadai pada titik desain bisa menjadi pas-pasan pada beban rendah. Kondisi beban rendah adalah tempat waktu tinggal di dalam jendela itu paling panjang.

Pendinginan quench pada insinerator sampah

Jawaban yang paling umum untuk jendela itu adalah quench evaporatif. Air disemprotkan ke dalam aliran gas, dan panas laten penguapan menurunkan suhunya tanpa permukaan penukar panas yang dapat dikotori debu; karena pendinginannya terjadi di dalam gas itu sendiri, penurunannya cepat. Tahap-tahap yang menyusulnya diuraikan dalam artikel tentang pengolahan gas buang pada insinerator.

Alternatifnya adalah pemulihan panas, dan di situ pertukarannya nyata. Boiler pemulihan panas memulihkan panas sensibel yang pada quench hanya menguap dan hilang, tetapi ia menghadirkan luas permukaan yang besar dan jalur gas yang panjang, dan gas menghabiskan waktu yang sepadan lebih lama di dalam jendela itu saat melewatinya. Pabrik yang melakukan keduanya menata boiler sehingga pita itu dilintasi pada bagiannya yang paling panas dan paling ringkas, atau menerima sejumlah pembentukan ulang di dalam boiler dan menyisihkan produknya di hilir.

Satu konsekuensi dari pilihan mana pun adalah suhu pada saluran masuk filter partikulat. Angka itu ditetapkan oleh bahan kantongnya, dan di sini ia memiliki efek samping yang berguna: filter yang beroperasi di bawah jendela itu meninggalkan abu yang terkumpul di luar rentang yang mendorong sintesis de novo lebih lanjut.

Setelah quench: adsorpsi dan efek memori

Pendinginan mengurangi pembentukan; ia tidak menyisihkan apa yang sudah terbentuk. Tugas itu jatuh pada adsorpsi, dan susunan yang lazim adalah karbon aktif bubuk yang diinjeksikan ke dalam saluran di hulu bag filter, sehingga karbon itu menumpuk menjadi cake filter dan gas melewati lapisan karbon tersebut, bukan sekadar melintas di sisinya.

Ada satu perilaku yang perlu diketahui sebelum pabriknya dispesifikasikan. Dioksin yang teradsorpsi lebih awal dapat terlepas kembali ketika kondisinya berubah — fluktuasi suhu, perubahan beban, penghentian dan penyalaan ulang — sehingga pabrik dapat mengemisikan lebih banyak setelah gangguan daripada yang diprediksi desain tunaknya. Menjaga abu yang terkumpul tetap dingin dan stabil, serta menjaga injeksi karbon tetap berjalan terus-menerus, adalah yang membatasinya.

Bagaimana angka di cerobong dihitung

Dioksin bukan satu senyawa. Keluarganya mencapai 210 kongener polychlorinated dibenzo-p-dioxins dan dibenzofurans, yang tujuh belas di antaranya dengan klorin pada posisi 2,3,7,8 adalah yang membawa toksisitasnya. Hasil di cerobong karena itu adalah jumlah berbobot: setiap kongener dikalikan dengan faktor ekuivalensi toksisitas dan hasil kalinya dijumlahkan, menghasilkan satu angka dalam nanogram ekuivalen toksik per meter kubik, yang ditulis ng TEQ/m³.

Batas yang berlaku untuk insinerator di sini ditetapkan dalam satuan itu. Pada bagan emisi insinerator, insinerasi limbah medis dan berbahaya membawa batas 0.5 ng TEQ/m³ sebagai rata-rata pengukuran, dan insinerasi limbah padat kota membawa batas 0.1 ng TEQ/m³ untuk dioksin dan furan. Pengendalian dioksin pada insinerator limbah medis karena itu merupakan pertanyaan tentang seluruh rantai, dari ruang bakar sampai karbon, bukan tentang salah satu tahapnya saja.

Satu sifat angka itu membentuk cara penggunaannya. Angka itu adalah rata-rata selama periode pengambilan sampel yang ditentukan, bukan pembacaan sesaat, sehingga ia menggambarkan pabrik pada operasi normal, bukan pada menit terburuknya. Angka yang memenuhi baku mutu tidak dengan sendirinya membuktikan bahwa desain pendinginannya longgar, itulah sebabnya bagian pendinginan dirancang dari profil suhu dan waktu tinggal, dan angka di cerobong dipakai untuk mengonfirmasi hasilnya, bukan untuk menetapkan desainnya.

Kesalahan umum

• Menentukan suhu keluaran quench dan tidak menyebut apa pun tentang waktu yang dihabiskan gas di dalam jendela itu. Suhu menyatakan di mana gas berada, bukan berapa lama ia membutuhkannya untuk sampai ke sana.
• Memperlambat pendinginan quench pada insinerator sampah untuk memulihkan lebih banyak panas tanpa menanyakan apa yang dilalui gas dalam perjalanan turunnya. Pemulihan panas dan pengendalian dioksin menarik ke arah yang berlawanan pada pita yang sama.
• Memperlakukan 850 °C dan dua detik sebagai seluruh jawaban dioksin. Keduanya mengatur pemusnahan di dalam ruang bakar dan tidak mengatakan apa pun tentang apa yang terbentuk setelahnya.
• Membiarkan suhu saluran masuk filter bergeser naik, sehingga abu yang terkumpul bergerak kembali ke arah jendela yang menjadi tempat penyisihannya.
• Mengabaikan kimia abunya. Umpan berkadar tembaga atau besi tinggi memberi fly ash permukaan yang lebih aktif, dan profil suhu yang sama kemudian menghasilkan lebih banyak.
• Mengambil sampel sekali dan memperlakukan hasilnya sebagai sifat pabrik. Angka itu adalah rata-rata selama suatu periode, dan hanya bermakna jika periode, beban, dan kondisi operasinya disertakan.

Pemeriksaan mandiri sebelum bagian pendinginan dispesifikasikan

• Apakah suhu gas diketahui pada setiap titik antara keluaran ruang bakar dan saluran masuk filter, bukan hanya pada kedua ujungnya?
• Apakah waktu tinggal antara batas atas dan batas bawah jendela itu dinyatakan sebagai angka desain?
• Apakah pendinginannya diperiksa pada beban terendah yang akan dijalankan pabrik, tempat gas paling lambat?
• Apakah suhu saluran masuk filter dicocokkan dengan bahan kantongnya dan dijaga di bawah jendela itu?
• Apakah laju injeksi adsorben ditetapkan untuk beban pembentukan ulang, dan apakah itu tugas kontinu?
• Apakah kondisi start-up, shutdown, dan perubahan beban tercakup, mengingat bahan yang teradsorpsi dapat terlepas kembali?
• Apakah angka cerobong yang menjadi target dinyatakan dalam ng TEQ/m³ selama periode pengambilan sampel yang ditetapkan?

Dari profil suhu ke angka di cerobong

Pembentukan ulang dioksin dalam gas buang dikendalikan oleh sebuah rantai, bukan oleh satu perangkat: pemusnahan di dalam ruang bakar, bagian pendinginan yang mengeluarkan gas dari jendela aktif dengan cepat, dan tahap adsorpsi yang menangkap apa yang tetap terbentuk. Bagan emisi insinerator menetapkan batas yang harus dipenuhi rantai itu, dan artikel tentang pengolahan gas buang mencakup tahap-tahap yang menyusul bagian pendinginan. Kirimkan komposisi sampah dan standar yang berlaku, dan tata letak pendinginan, laju injeksi adsorben, serta tugas filter untuk pabrik Anda dikonfirmasi dengan pabrik untuk sampah dan batas Anda.