Образование диоксинов не останавливается на печи
Сторона горения этой темы — вторичная камера на 850 °C, двухсекундное время пребывания и то, что они разрушают, — разобрана в статье о том, почему инсинераторы работают при 850 °C две секунды. Эта статья берёт вторую половину, которая начинается на выходе из камеры и заканчивается у дымовой трубы.
Причина в том, что диоксины не только разрушаются и выбрасываются; они ещё и образуются. Углерод, хлор, кислород и поверхность, несущая металлы, присутствуют и в газе, и в летучей золе, которую он несёт, и в интервале примерно от 200 °C до примерно 400 °C из этих составляющих могут собраться полихлорированные дибензо-п-диоксины и фураны быстрее, чем успевают конкурировать реакции разрушения в горячей зоне. Образование диоксинов в этой полосе — причина того, что установка с безупречной камерой сгорания всё равно может не уложиться в норматив по дымовой трубе.
Его дают два пути, и хотя в литературе их описывают раздельно, они делят одну температурную полосу и одну поверхность, поэтому инженерный ответ для обоих один и тот же.
Синтез диоксинов de novo на летучей золе
De novo означает «заново»: углеродный скелет строится из углерода, который уже присутствует в летучей золе, а не из диоксиноподобного предшественника. Реакция гетерогенная — она идёт на поверхности частиц, а не в газе, — и ей нужны одновременно три вещи, которые поток газа даёт ниже по потоку от камеры бесплатно: несгоревший углерод и сажа в золе, источник хлора и поверхность, катализирующая реакцию.
Катализатор — вот что делает этот путь столь чувствительным к отходам. Поверхность золы несёт металлы, и особенно хлориды меди и железа, как сообщается, сильно ускоряют реакцию. Поэтому два вида отходов, сожжённых при одинаковых температурных профилях и одинаковых нагрузках по хлору, могут дать очень разные результаты, и поток отходов с высоким содержанием меди или железа заслуживает того, чтобы рассматривать его как загрузку с повышенным риском повторного образования, а не только с точки зрения коррозии.
Синтез de novo — это окислительное хлорирование, поэтому ему нужно ещё немного кислорода. Это исключает соблазнительное, но неверное упрощение: газ, который лишь охладили, всё ещё находится в активной полосе, имея все ингредиенты, нужные реакции.
Обычно приводимые значения помещают самую быструю часть этой реакции в область около 300 °C, а полоса, вызывающая опасения, простирается примерно от 200 до 400 °C. Читать их следует как отправную методику, а не как спецификацию: они описывают, где на типичной летучей золе реакция идёт быстрее всего, а не границу, на которой она включается и выключается.
Путь предшественников: диоксины, собранные из молекул, уже находящихся в газе
Второй путь не строит углеродный скелет из углерода золы. Он исходит из меньших хлорированных ароматических молекул — хлорбензолов и хлорфенолов, — уже присутствующих в газе, которые конденсируются на поверхности летучей золы и там соединяются в диоксины и фураны. Продукт — то же семейство соединений; сырьё — другое.
Поскольку оба пути делят свою температурную полосу, на них отвечают одними и теми же мерами, но указывают они на разные проблемы выше по потоку. Путь предшественников нуждается в притоке хлорированных ароматических соединений, а это проблема горения: камера, которая как следует разрушает свои органические соединения, перестаёт их поставлять. Синтезу de novo нужны зола, катализатор и кислород, а это проблема газоходного тракта.
Окно 200–400 °C и скорость охлаждения
Реакциям нужно время. Диоксины производит не прохождение температуры, а время, проведённое в ней, поэтому величина, которой управляет проектировщик, — это время, которое газ проводит внутри окна, а не температура в какой-либо отдельной точке. Газ, пересекающий полосу за доли секунды, образует гораздо меньше, чем газ, который проходит её за минуты, и это и есть обоснование быстрого охлаждения после камеры.
Именно поэтому одно измерение температуры — слабая спецификация. Закалочное охлаждение, сообщающее низкую температуру на выходе, говорит, что газ находится вне окна сейчас; оно ничего не говорит о том, сколько газ добирался туда или не прошла ли часть потока медленно через аппарат вдоль стенки. Режим описывается температурой на каждом конце ступени охлаждения и временем пребывания между ними.
Диапазон нагрузок значит не меньше, чем расчётная точка. Скорость газа падает с нагрузкой, поэтому установка, работающая на части номинальной производительности, пересекает окно дольше, чем та же установка на полной, и ступень охлаждения, достаточная в расчётной точке, на малой нагрузке может оказаться на пределе. Именно на малой нагрузке время пребывания в окне наибольшее.
Закалочное охлаждение в инсинераторах
Самый распространённый ответ на окно — испарительное закалочное охлаждение. В поток газа распыляют воду, и скрытая теплота испарения сбивает температуру без поверхностей теплообмена, которые могла бы загрязнить пыль; поскольку охлаждение происходит в самом газе, сброс быстрый. Ступени, которые за ним следуют, описаны в статье об очистке дымовых газов в инсинераторе.
Альтернатива — рекуперация теплоты, и здесь компромисс реален. Котёл-утилизатор возвращает физическую теплоту, которую закалочное охлаждение просто испаряет, но он предъявляет большую площадь поверхности и длинный путь газа, и газ проводит в окне соответственно дольше, проходя через него. Установки, делающие и то и другое, компонуют котёл так, чтобы полоса пересекалась в его самой горячей и самой компактной секции, или принимают известную долю повторного образования внутри котла и удаляют продукты ниже по потоку.
Одно следствие любого из выборов — температура на входе в фильтр твёрдых частиц. Эта величина задаётся материалом рукавов, и здесь у неё есть полезный побочный эффект: фильтр, работающий ниже окна, оставляет собранную золу вне диапазона, который способствует дальнейшему синтезу de novo.
После закалочного охлаждения: адсорбция и эффект памяти
Охлаждение снижает образование; оно не удаляет то, что уже образовалось. Эта задача ложится на адсорбцию, и обычная схема — порошковый активированный уголь, впрыскиваемый в газоход перед рукавным фильтром, так что уголь наращивает слой на фильтре, и газ проходит через его слой, а не просто мимо него.
Есть одно поведение, которое стоит знать до того, как установку зададут в спецификации. Диоксины, адсорбированные ранее, могут высвободиться вновь при изменении условий — колебание температуры, изменение нагрузки, останов и повторный пуск, — поэтому установка после нарушения режима может выбрасывать больше, чем предсказывает её стационарный проект. Ограничивает это поддержание собранной золы холодной и стабильной и непрерывная работа впрыска угля.
Как считается величина по дымовой трубе
Диоксины — это не одно соединение. Семейство насчитывает 210 конгенеров полихлорированных дибензо-п-диоксинов и фуранов, из которых токсичность несут семнадцать с хлором в положениях 2,3,7,8. Поэтому результат по дымовой трубе — это взвешенная сумма: каждый конгенер умножают на коэффициент эквивалентности токсичности, а произведения складывают, получая одно значение в нанограммах токсического эквивалента на кубический метр, что записывают как нг ТЭК/м³.
Нормативы, применимые к здешним инсинераторам, заданы в этой единице. В таблице выбросов инсинератора сжигание медицинских и опасных отходов несёт норматив 0.5 нг ТЭК/м³ как среднее измерений, а сжигание твёрдых бытовых отходов — норматив 0.1 нг ТЭК/м³ по диоксинам и фуранам. Поэтому контроль диоксинов в инсинераторах медицинских отходов — это вопрос обо всей цепочке, от камеры до угля, а не об одной из её ступеней.
Одно свойство этой величины определяет то, как её следует использовать. Это среднее за определённый период отбора проб, а не мгновенное измерение, поэтому она описывает установку при нормальной работе, а не в её худшую минуту. Соответствующее нормативу значение само по себе не доказывает, что проект охлаждения выполнен с запасом, поэтому ступень охлаждения проектируют по температурному профилю и времени пребывания, а величину по дымовой трубе используют, чтобы подтвердить результат, а не чтобы задать проект.
Типичные ошибки
- Задавать температуру закалочного охлаждения на выходе и ничего — о времени, которое газ проводит в окне. Температура говорит, где газ находится, а не сколько он туда добирался.
- Замедлять закалочное охлаждение в инсинераторах ради большей рекуперации теплоты, не спрашивая, через что газ проходит по пути вниз. Рекуперация теплоты и контроль диоксинов тянут в противоположные стороны в одной и той же полосе.
- Считать 850 °C и две секунды всем ответом по диоксинам. Они управляют разрушением в камере и ничего не говорят о том, что образуется после.
- Давать температуре на входе в фильтр ползти вверх, так что собранная зола возвращается к тому окну, из которого её вывели.
- Игнорировать химию золы. Загрузка с высоким содержанием меди или железа даёт летучей золе более активную поверхность, и тот же температурный профиль тогда производит больше.
- Отобрать пробу один раз и считать результат свойством установки. Величина — это среднее за период, и она осмысленна только вместе с периодом, нагрузкой и условиями работы.
Самопроверка перед заданием ступени охлаждения
- Известна ли температура газа в каждой точке между выходом из камеры и входом в фильтр, а не только на двух концах?
- Заявлено ли время пребывания между верхом и низом окна как проектная величина?
- Проверено ли охлаждение на самой низкой нагрузке, при которой будет работать установка, где газ самый медленный?
- Согласована ли температура на входе в фильтр с материалом рукавов и удерживается ли она ниже окна?
- Рассчитан ли расход впрыска адсорбента на нагрузку повторного образования и является ли он непрерывным?
- Охвачены ли пуск, останов и изменения нагрузки, учитывая, что адсорбированный материал может высвободиться вновь?
- Выражена ли целевая величина по дымовой трубе в нг ТЭК/м³ за указанный период отбора проб?
От температурного профиля к величине по дымовой трубе
Повторное образование диоксинов в дымовых газах контролируется цепочкой, а не аппаратом: разрушение в камере, ступень охлаждения, быстро выводящая газ из активного окна, и ступень адсорбции, улавливающая то, что всё равно образовалось. Таблица выбросов инсинератора задаёт норматив, которому цепочка должна соответствовать, а статья об очистке дымовых газов охватывает ступени, следующие за ступенью охлаждения. Пришлите нам состав отходов и применимый стандарт, и схему охлаждения, расход впрыска адсорбента и нагрузку фильтра для вашей установки подтвердят с заводом по вашим отходам и вашему нормативу.