Zanieczyszczenie powietrza ze źródeł energetycznych

Transkrypt

1 Zanieczyszczenie powietrza ze źródeł energetycznych Wiktoria SOBCZYK, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Maciej CIEPIELA, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Jednym z podstawowych źródeł antropogenicznych mających wpływ na zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego jest dział zajmujący się produkcją energii cieplnej i elektrycznej oraz paleniska przemysłowe i domowe. Główne paliwa energetyczne wykorzystywane w Polsce można podzielić na stałe: węgiel kamienny i brunatny; gazowe: gaz ziemny; ciekłe: ropa naftowa. W wyniku procesu spalania paliw energetycznych elektrociepłownie i elektrownie, a także osiedlowe i domowe kotłownie wytwarzają energię elektryczną, gorącą wodę lub parę technologiczną. Są one przeznaczane na potrzeby przemysłowe dla masowego odbiorcy lub indywidualne paleniska domowe na potrzeby ogrzania pomieszczeń, podgrzania wody i przygotowania posiłków. Wiąże się to z emisją dużej ilości zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. W dużej mierze zależy to od rodzaju i jakości używanego paliwa. W Polsce najbardziej popularnym nośnikiem energii jest węgiel kamienny (tabela 1). Jego spalanie powoduje jednak emisję zanieczyszczeń pyłowych i gazowych, takich jak tlenki węgla, tlenki azotu, tlenki siarki. Wielkość emisji dwutlenku węgla zależy również od zastosowanej technologii spalania węgla. Tab. 1. Bilans energetyczny Polski wraz z prognozami [7] Typ paliwa 1990 r r r r r. Węgiel brunatny 14,00% 12,00% 12,50% 10,00% 8,50% Węgiel kamienny 62,00% 41,00% 37,00% 34,00% 31,00% Ropa naftowa 14,00% 27,00% 28,00% 27,00% 26,50% Gaz ziemny 9,00% 13,00% 13,50% 14,00% 14,50% Paliwo jądrowe 0,00% 0,00% 0,00% 3,00% 7,00% Energia i inne paliwa odnawialna 1,00% 7,00% 9,00% 12,00% 12,50% Koncentrujący się w atmosferze dwutlenek węgla jest jednym z głównych gazów zaliczanych do gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego. Gazy te charakteryzują się fizykochemicznymi właściwościami zatrzymywania energii cieplnej w atmosferze ziemskiej, co przyczynia się do nasilenia efektu cieplarnianego [4]. Duży wpływ na emisję ma szczególnie spalanie paliw kopalnych oraz produkcja cementu. Od 1751 r. do 2003 r. stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wzrosło z 280 ppm do 379 ppm [2]. Kolejnym związkiem emitowanym do powietrza naturalnego w wyniku spalania paliw

2 energetycznych jest tlenek węgla. Powstaje w wyniku niezupełnego spalenia paliwa. Jest on gazem bezbarwnym i bezwonnym. Ze względu na swoją właściwość łączenia się z hemoglobiną prowadzi do powstania niezwykle trwałego i odpornego na hydrolizę związku hemoglobiny tlenkowej (COHb). Wraz ze wzrostem stężenia tego związku w organizmie dochodzi do niedotlenienia, a następnie do śmierci. Małe koncentracje tlenku węgla powodują uszkodzenia układu nerwowego, a po osiągnięciu ponadpięcioprocentowego stężenia dochodzi do nieprawidłowego funkcjonowania płuc i serca [5]. Dokładną zależność oddziaływania tlenku węgla od czasu wchłaniania w organizmie ludzkim przedstawia rys. 1. Rys. 1. Zależność skutków działania tlenku węgla na organizm ludzki od jego stężenia [5] W skład paliwa stałego wchodzą węgiel, siarka i wodór, a ponadto ogniotrwałe produkty mineralne, które w wyniku spalania tworzą pyły i żużle. Na skutek mechanicznego rozdrobnienia tworzą się pyły dyspersyjne o koloidalnym rozdrobnieniu i ze względu na ich kondensacyjną cechę po obniżeniu swojej temperatury tworzą pyły koloidalne. Spalanie paliw zarówno stałych, jak i ciekłych prowadzi również do powstania sadzy, czyli cząstek węgla mających kondensacyjny charakter. Wytwarzają się one w wyniku rozpadu cząstek węglowodorów zawartych w paliwach stałych i ciekłych. W pyle i w sadzy znajdują się rakotwórcze substancje (np. węglowodory aromatyczne) [1]. Zanieczyszczenia w stanie stałym i ciekłym prowadzą również do powstania aerozoli [4], czyli układów dwu- lub trójfazowych, składających się z gazowej fazy rozpraszającej oraz ciekłej lub stałej fazy rozproszonej występującej w czasie. Pyły, które przedostały się do powietrza, utrzymują się w nim przez pewien czas i są to głównie cząstki w rozmiarze mniejszym od 300 µm. Mieszanina cząstek stałych utrzymująca się w powietrzu nazywana jest fazą rozproszoną. Cząstki o rozmiarze mniejszym niż 50 µm, które utrzymują się w powietrzu przez pewien okres, są określane mianem cząstek aerozolowych. Warto zaznaczyć, że skupisko cząstek stałych, mających średnicę mniejszą od 1 µm, określane jest dymem. Pyły emitowane do otoczenia mogą mieć różne źródło pochodzenia. Wyróżnia się: pyły naturalne, powstałe na skutek naturalnych zjawisk przyrodniczych; pyły wtórne, powstałe na skutek chemicznych przemian w atmosferze (przykładem są pyły PM 2,5);

3 pyły pierwotne, wyemitowane wprost z antropogenicznych źródeł. Pyły mają negatywny wpływ na zdrowie człowieka ze względu na swoje toksyczne, drażniące i pylicotwórcze właściwości. Mowa jest o tym w Uchwale Nr XVIII/243/16 Sejmiku Województwa Małopolskiego z dnia 15 stycznia 2016 r. w sprawie wprowadzenia na obszarze Gminy Miejskiej Kraków ograniczeń w zakresie eksploatacji instalacji, w których następuje spalanie paliw [10]. Dla pyłu zawieszonego Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) podaje następujące wartości stężeń bezpiecznych dla zdrowia i życia: a) PM2,5: średnie stężenie roczne poniżej 10 μg/m³, zaś średnie stężenie 24-godzinne poniżej 25 μg/m³. b) PM10: średnie stężenie roczne poniżej 20 μg/m³, zaś średnie stężenie 24-godzinne poniżej 50 μg/m³. ( ) Skutki długotrwałego narażenia na pyły zawieszone obejmują: przedwczesne zgony, w szczególności związane z chorobami układu krążenia, powikłania sercowo-naczyniowe, w tym zawał serca i udar mózgu, gorszy rozwój płuc oraz rozwój przewlekłych chorób układu oddechowego jak np. astma u dzieci, nowotwory, negatywny wpływ okołoporodowy, np. w postaci zwiększonej umieralności noworodków i niskiej masy urodzeniowej. Efekty zdrowotne związane z krótkoterminowym narażeniem to: przedwczesne zgony, zwłaszcza związane z chorobami układu oddechowego i sercowo-naczyniowego, zwiększona liczba przyjęć szpitalnych i wizyt w Szpitalnych Oddziałach Ratunkowych, związanych z ostrymi schorzeniami układu sercowo-naczyniowego, takimi jak zawały serca i udary mózgu, zwiększona liczba hospitalizacji i wizyt w SOR, w związku z powikłaniami oddechowymi, takimi jak napady astmy, zwiększenie częstości takich objawów, jak kaszel, świsty oskrzelowe i uczucie duszności, negatywny wpływ na parametry funkcji płuc, zwłaszcza u dzieci i osób z chorobami układu oddechowego takimi jak astma. Osobami najbardziej narażonymi na zwiększone ryzyko zdrowotne związane z ekspozycją na cząstki drobne i cząstki o większej średnicy są osoby chorujące na schorzenia układu sercowo-naczyniowego i oddechowego (w tym astmę), osoby w podeszłym wieku, dzieci oraz osoby uboższe. Wyniki badań wskazują, że kobiety w ciąży, noworodki oraz pacjenci z pewnymi obciążeniami zdrowotnymi jak cukrzyca, mogą również podlegać złemu wpływowi zdrowotnemu PM 2,5 [10]. Kolejnym przykładem zanieczyszczeń są tlenki siarki (SOx), trujące gazy pochodzące w szczególności ze spalania paliw energetycznych i z procesów przetwarzania siarki [2, 5]. W procesie spalania powstaje między innymi szczególnie niebezpieczny, bezbarwny związek, dwutlenek siarki, oraz trójtlenek siarki tworzący z parą wodną kwas siarkowy (VI). Dwutlenek węgla w wyniku reakcji utleniania katalitycznego tworzy kwas siarkowy (VI). Jest to reakcja zachodząca w kroplach wody z cząstkami pyłu zawierającego katalizatory, takie jak mangan, chrom, glin lub dwutlenek azotu. Powstały kwas siarkowy (VI) łącząc się z węglanem wapnia, tworzy gips, który po pewnym czasie pęcznieje, a jego warstwa odpada od zasadniczego elementu. Ma to bezpośredni wpływ na niszczenie budowli i materiałów. W powietrzu w wyniku reakcji dwutlenku siarki z wodą tworzy się aerozol kwasu siarkowego, który może być szczególnie niebezpieczny dla zdrowia człowieka. W wyniku rozpuszczenia w wodzie powstają jony wodorosiarczanowe HSO3, których negatywną cechą jest powodowanie zmian w materiale genetycznym człowieka [2]. SOx jest szkodliwym gazem dla organizmów żywych i roślinności. Nawet w niskim stężeniu wynoszącym 1 ppm działa drażniąco na błonę śluzową nosa, a w skrajnych przypadkach wynoszących ponad 400 ppm prowadzi nawet do śmierci. Negatywnie wpływa na funkcjonowanie płuc i krążenia. Działa

4 drażniąco na oczy i gardło [9]. Dwutlenek siarki jest składnikiem kwaśnego deszczu, a wraz z tlenkiem węgla i pyłami są główną przyczyną powstania smogu typu londyńskiego. Ważnym nośnikiem energii jest olej opałowy. Ze względu na typ paliwa wyróżnia się olej opałowy lekki oraz olej opałowy ciężki, który emituje znacznie więcej zanieczyszczeń niż olej opałowy lekki. W procesie spalania w zależności od typu paliwa ciekłego wydzielane są tlenki azotu, dwutlenek siarki i węglowodory aromatyczne [3, 4]. Węglowodory są przyczyną poważnych zatruć i chorób nowotworowych. Szczególnie niebezpiecznym związkiem jest 3,4-benzopiren. Należy zaznaczyć, że silnie rakotwórczymi polimerami są również dioksyny i furany. Zaburzają funkcjonowanie układu odpornościowego i powodują bezpłodność [6]. Podobnie jak paliwa stałe, paliwa ciekłe, w wyniku spalania tworzą sadze, przyczyniające się do rozwoju chorób nowotworowych. Charakterystyka i ilość zanieczyszczeń zależą od rodzaju oleju opałowego i warunków, w jakich jest spalany [1]. Gaz ziemny uznawany jest jako czyste paliwo, jednak w procesie spalania przedostają się do atmosfery tlenki azotu i dwutlenek węgla [3]. Gaz ziemny tworzy mieszanina gazów, której głównym składnikiem jest metan. Na ilość wytwarzanych zanieczyszczeń w wyniku spalania gazu istotny wpływ ma jego jakość, która świadczy o minimalnej dopuszczalnej wartości spalania, intensywności zapachu, dopuszczalnych stężeniach siarkowodoru i siarki. Zaletą stosowania gazu ziemnego jest również obniżenie emisji dwutlenku węgla. Lista zanieczyszczeń pochodzących ze spalania paliw energetycznych jest znacznie dłuższa. Szczegółowe zestawienie zanieczyszczeń w zależności od rodzaju i typu spalanego paliwa przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Zestawienie zanieczyszczeń powstających przy spalaniu paliw w zależności od rodzaju spalanego paliwa [4] Rodzaj paliwa spalanego Typ paliwa Powstające zanieczyszczenia Paliwa stałe węgiel kamienny i brunatny Metan (CH4), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), podtlenek azotu (N2O), amoniak (HN3), niemetanowe lotne związki organiczne (NMVOC), tlenki azotu (NOx/NO2), tlenki siarki (SOx/SO2), arsen i jego związki (jako As), kadm i jego związki (jako Cd), chrom i jego związki (jako Cr), miedź i jej związki (jako Cu), rtęć i jej związki (jako Hg), nikiel i jego związki (jako Ni), ołów i jego związki (jako Pb), cynk i jego związki (jako Zn), związki hologenoorganiczne (jako AOX), PCFF + PCDF (dioksyny + furany) (jako Teq), benzen, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), benzo(a)piren, benzo(b)fluoroaften, benzo(k)fluoroaften, indenol(1,2,3-cd)piren, chlor i jego związki nieorganiczne (jako HCl), pył zawieszony Paliwa ciekłe olej lekki opałowy Metan (CH4), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), tlenki azotu (NOx/NO2), tlenki siarki (SOx/SO2) niemetanowe olej opałowy lotne związki organiczne (NMVOC), arsen i jego związki (jako As),

5 ciężki kadm i jego związki (jako Cd), chrom i jego związki (jako Cr), miedź i jej związki (jako Cu), rtęć i jej związki (jako Hg), nikiel i jego związki (jako Ni), ołów i jego związki (jako Pb), cynk i jego związki (jako Zn), PCFF + PCDF (dioksyny + furany) (jako Teq), benzen, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), benzo(a)piren, benzo(b)fluoroaften, benzo(k)fluoroaften, indenol(1,2,3-cd)piren, chlor i jego związki nieorganiczne (jako HCl), pył zawieszony (PM 10) Paliwa gazowe gaz ziemny Metan (CH4), tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NOx/NO2), pył zawieszony (PM 10) Reasumując zanieczyszczenia różnego typu pochodzące z różnych gałęzi energetyki wyrządzają ogromne szkody w środowisku naturalnym, zagrażają pracownikom zakładów i lokalnym mieszkańcom. W związku z tym konieczne są akcje edukacyjne oraz informowanie społeczeństwa o działaniach redukujących emisje zanieczyszczeń. Wymaga to od władz lokalnych podjęcia wielu działań zarówno prewencyjnych, jak i zaradczych. Literatura: 1. Anigacz W., Zakowicz E.: Ochrona środowiska - podręcznik dla studentów kierunków technicznych, Politechnika Opolska Wydział Budownictwa, Opole Dobrzańska B., Dobrzański G., Kiełczewski D.: Ochrona środowiska przyrodniczego, Wyd. PWN, Warszawa Jagusiewicz A.: Powietrze człowiek środowisko, Ludowa Spółka Wydawnicza, Warszawa Janka M.J.: Zanieczyszczenia pyłowe i gazowe. Podstawy obliczania i sterowania poziomem emisji, Wyd. PWN, Warszawa Mysłowski J.: Zanieczyszczenie powietrza przez pojazdy samochodowe, Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa Pyłka-Gutowska E.: Ekologia z ochroną środowiska, Wyd. Oświata, Warszawa Sidorczuk M.: Gaz ziemny - surowiec strategiczny, gaz-ziemny-surowiec-strategiczny (data wejścia: ). 8. Sobczyk W.(red. nauk.): Wybrane zagadnienia ochrony i inżynierii środowiska, Wyd. Naukowe AGH, Kraków 2014, ss Sobczyk W., Lepa D.: Co nas truje w mieście? Antropogeniczne źródła zanieczyszczeń atmosfery, Refleksje 2015, nr 4, s

6 10. Uchwała nr XVIII/243/16 Sejmiku Województwa Małopolskiego z dnia 15 I 2016 r. w sprawie wprowadzenia na obszarze Gminy Miejskiej Kraków ograniczeń w zakresie eksploatacji instalacji, w których następuje spalanie paliw, (data wejścia: ).