炉后的二噁英生成:从头合成与急冷窗口

烟囱测到的不只是从火焰中幸存下来的东西。二噁英生成在下游继续,发生在随烟气一起走的飞灰表面上,而装置的冷却段正是为阻止它而设计的部分。

带旋风除尘器与湿式洗涤塔的焚烧炉处理线
Incineration & flue gas

二噁英生成并不在焚烧炉处停止

这个题目的燃烧那一半——850 °C 的二燃室、两秒的停留时间以及它们破坏了什么——见《焚烧炉为什么要在 850 °C 下运行两秒》一文。本文讲后一半,它从炉膛出口开始,到烟囱结束。

原因是二噁英不只是被破坏和排放,它们也会被生成。碳、氯、氧以及带金属的表面都存在于烟气及其携带的飞灰中,而在约 200 °C 到约 400 °C 之间,这些原料被组装成多氯二苯并二噁英与多氯二苯并呋喃的速度,可以快过高温区的破坏反应。这个区间里的二噁英生成,就是燃烧室再完美、装置仍可能超标的原因。

有两条路线生成它;文献中虽然分开描述,但它们共用同一个温度区间和同一个表面,所以针对两者的工程答案是同一个。

飞灰上二噁英的从头合成

从头合成就是重新生成的意思:碳骨架由飞灰中已有的碳搭起来,而不是由类二噁英的前驱物。这个反应是非均相的——它发生在颗粒表面而不是气相中——并且需要三样东西同时具备,而烟气流在炉膛下游免费提供了它们:灰中未燃尽的碳与碳黑、一个氯源,以及一个能催化反应的表面。

催化剂是这条路线对废物如此敏感的原因。飞灰表面带金属,而据报道铜和铁的氯化物对反应的促进作用尤其强。因此两种在完全相同的温度曲线与相同的氯负荷下燃烧的废物,可能给出很不一样的结果;铜或铁含量高的废物流,值得不仅按腐蚀风险、也按再生成风险更高的进料来对待。

从头合成是一种氧化氯化,所以它还需要少量氧。这就排除了一种诱人但错误的简化:仅仅被冷却下来的烟气,仍然处在活性区间内,并且反应所需的每一种原料都还在。

通常引用的数值把这个反应最快的部分放在 300 °C 左右,需要关注的区间大约延伸到 200 至 400 °C。它们应当作为起步方法而不是规格来读:它们描述的是在典型飞灰上反应最快的位置,而不是一个开关式的边界。

前驱物路线:由烟气中已有的分子组装出二噁英

第二条路线不用灰中的碳搭碳骨架。它从烟气中已有的较小氯代芳烃——氯苯与氯酚——出发,这些分子凝结到飞灰表面上,在那里偶联成二噁英与呋喃。产物是同一族化合物;原料不同。

由于两条路线共用温度区间,它们由同样的措施来应对,但指向的上游问题不同。前驱物路线需要氯代芳烃的供给,这是一个燃烧问题:把有机化合物妥善破坏掉的炉膛,也就不再供给它们。从头合成需要灰、催化剂和氧,这是一个烟气处理线的问题。

200 至 400 °C 窗口与冷却速率

反应需要时间。生成二噁英的不是经过某个温度,而是在其中停留。所以设计者控制的量是烟气在窗口内停留的时间,而不是任何一个点上的温度。用零点几秒穿过这个区间的烟气,生成的量远少于花几分钟缓缓通过它的烟气,这就是炉膛之后要快速冷却的理由。

这就是单个温度读数是一条很弱的规格的原因。一个报出低出口温度的急冷段,说明烟气现在出了窗口;它没有说明烟气花了多久才到那里,也没有说明是否有部分气流沿壁面缓慢通过该设备。任务应当由冷却段两端的温度、以及两者之间所花的停留时间来描述。

负荷范围与设计点一样要紧。烟气速度随负荷下降,所以一台以额定处理量的一小部分空转的装置,穿过这个窗口所花的时间比同一台装置满负荷时更长;在设计点够用的冷却段,在低负荷时可能就很勉强。低负荷工况正是窗口内停留时间最长的地方。

废物焚烧炉中的急冷

对这个窗口最常见的答案是蒸发式急冷。水被喷入烟气流中,蒸发的潜热把温度降下来,而且没有任何可供积灰的换热表面;因为冷却是发生在烟气本身之内,降温很快。它后面的各段见《焚烧炉的烟气处理》一文。

另一种选择是热回收,而在这里取舍是真实的。余热锅炉回收了急冷只是白白蒸发掉的显热,但它提供了很大的表面积和很长的烟气路径,烟气在通过时相应地在这个窗口里待得更久。两者都做的装置,会把锅炉布置成让这个区间在其最热、最紧凑的段落被穿过,或者接受锅炉内部有一定程度的再生成,再在下游把产物去除。

两种选择都有一个共同的结果,就是颗粒物过滤器进口的温度。这个数值由滤袋材质决定,而它在这里有一个有用的副作用:在窗口之下运行的过滤器,让捕集到的灰处在促进进一步从头合成的温度范围之外。

急冷之后:吸附与记忆效应

冷却减少生成,但不去除已经生成的东西。这个任务落在吸附上,通常的做法是把粉状活性炭喷入袋式除尘器之前的烟道,让活性炭在滤饼中堆积起来,使烟气穿过一层炭床,而不只是从旁边经过。

在给装置定规格之前,有一种行为值得了解。先前被吸附的二噁英在工况变化时会再次释放——温度波动、负荷变化、停炉与再启动——所以装置在一次波动之后排放的量可能超过其稳态设计所预测的。让捕集到的灰保持低温和稳定、并让活性炭喷射持续运行,就是限制它的办法。

烟囱的数值是怎么计出来的

二噁英不是一种化合物。这一族多氯二苯并二噁英与多氯二苯并呋喃多达 210 种同系物,其中氯在 2,3,7,8 位上的十七种才带有毒性。因此烟囱的结果是一个加权和:每种同系物乘以一个毒性当量因子,再把乘积相加,得到一个以每立方米纳克毒性当量表示的数字,写作 ng TEQ/m³。

本文涉及的焚烧炉适用的限值就是以这个单位设定的。在焚烧炉排放图表中,医疗废物与危险废物焚烧的限值为测定均值 0.5 ng TEQ/m³,生活垃圾焚烧对二噁英与呋喃的限值为 0.1 ng TEQ/m³。因此医疗废物焚烧炉的二噁英控制是一个关于整条链的问题——从炉膛到活性炭——而不是关于其中任何一段。

这个数字有一个性质决定了它应当怎么用。它是规定取样期内的均值,而不是一次瞬时读数,所以它描述的是正常运行下的装置,而不是它最糟糕的那一分钟。一个达标的数字本身并不能证明冷却设计留有余量,这就是冷却段要按温度曲线和停留时间来设计、而烟囱数值只用来确认结果而不是用来定设计的原因。

常见错误

  • 只规定急冷出口温度,对烟气在窗口里停留多久一字不提。温度说的是烟气在哪里,不是它花了多久到那里。
  • 在废物焚烧炉里放慢急冷以回收更多热量,却不问烟气在降温途中经过什么。热回收与二噁英控制在同一个区间上朝相反方向拉扯。
  • 把 850 °C 与两秒当作二噁英问题的全部答案。它们管的是炉膛内的破坏,对之后生成了什么一字未说。
  • 放任过滤器进口温度上漂,使捕集到的灰又回到它本已被移出的那个窗口。
  • 忽视灰的化学性质。铜或铁含量高的进料让飞灰表面更活泼,于是同样的温度曲线会生成更多。
  • 只取样一次,并把结果当作装置的一项属性。这个数字是一段时期的均值,只有连同时期、负荷与运行工况才有意义。

给冷却段定规格之前的自查

  • 从炉膛出口到过滤器进口之间每个点的烟气温度都已知吗,而不只是两端?
  • 从窗口上端到下端之间的停留时间是否作为设计值给出?
  • 冷却是否按装置将会运行的最低负荷——也就是烟气最慢时——核对过?
  • 过滤器进口温度是否与滤袋材质匹配、并保持在窗口之下?
  • 吸附剂喷射量是否按再生成负荷定规模,并且是连续运行的吗?
  • 鉴于被吸附的物质会再次释放,启动、停炉和负荷变化工况都覆盖到了吗?
  • 目标烟囱数值是否以 ng TEQ/m³ 表示,并写明取样期?

从一条温度曲线到一个烟囱数值

烟气中的二噁英再生成由一条链控制,而不是由一台设备控制:炉膛内的破坏、把烟气迅速带出活性窗口的冷却段,以及捕住无论如何还是生成了的那部分的吸附段。焚烧炉排放图表定下这条链必须满足的限值,《焚烧炉的烟气处理》一文覆盖冷却段之后的各段。把废物组成和适用标准发给我们,你这套装置的冷却方式、吸附剂喷射量与过滤器任务将按你的废物和限值与工厂确认。

请告诉我们现场要处理什么。