Ocena udziału Huty Katowice w poziomie opadu pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu wokół zakładu

Transkrypt

1 From the SelectedWorks of Robert Oleniacz September 1, 2001 Ocena udziału Huty Katowice w poziomie opadu pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu wokół zakładu Marian Mazur Robert Oleniacz Marek Bogacki Available at:

2 OCENA UDZIAŁU HUTY KATOWICE W POZIOMIE OPADU PYŁU, OŁOWIU I KADMU NA POWIERZCHNIĘ TERENU WOKÓŁ ZAKŁADU Marian MAZUR, Robert OLENIACZ, Marek BOGACKI mmazur@uci.agh.edu.pl; oleniacz@uci.agh.edu.pl; bogacki@uci.agh.edu.pl Zakład Kształtowania i Ochrony Środowiska, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Akademia Górniczo Hutnicza KRAKÓW, Al. Mickiewicza 30 Streszczenie: W referacie przedstawiono wyniki obliczeń opadu na powierzchnię terenu pyłu, ołowiu i kadmu, przeprowadzone dla emitorów Huty Katowice w rejonie lokalizacji punktów pomiarowych rozmieszczonych wokół zakładu. Zostały one porównane z wynikami bezpośrednich pomiarów otrzymanymi dla tego samego roku kalendarzowego, z którego emisja została uwzględniona w obliczeniach, przez co określono, w jakim stopniu omawiany zakład jest odpowiedzialny za kształtowanie poziomu opadu rozpatrywanych substancji w rejonie swojej strefy ochronnej. 1. Wstęp Procesy hutnicze stanowią jedno z największych źródeł emisji pyłu do atmosfery, zachodzącej zarówno w sposób zorganizowany, jak i niezorganizowany. W dużych ilościach emitowane są także metale ciężkie zawarte w pyle, w tym m.in. ołów i kadm. Zarejestrowany na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat znaczny spadek poziomu opadu pyłu i metali ciężkich na powierzchnię terenu w rejonie strefy ochronnej Huty Katowice, należałoby zatem w znacznym stopniu przypisać redukcji emisji zanieczyszczeń pyłowych z tego zakładu. Coraz bardziej uzasadnione wydaje się być także stwierdzenie, że udział Huty Katowice w kształtowaniu wartości tego opadu jest coraz mniejszy. Określenie poziomu opadu zanieczyszczeń pyłowych możliwe jest zarówno na drodze obliczeniowej, jak i pomiarowej. Z uwagi jednak na fakt, że stan zanieczyszczenia powietrza oraz depozycję substancji pyłowych kształtuje z reguły niezliczona liczba źródeł emisji położonych zarówno w bliskiej, jak i dalszej odległości od danego punktu, uwzględnienie ich wszystkich w obliczeniach rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń jest pod wieloma względami bardzo trudne. Z drugiej strony wykonanie samych pomiarów opadu pyłu i metali ciężkich w rejonie narażonym na oddziaływanie dużej liczby emitorów nie pozwala na wydzielenie wpływu tylko określonej grupy źródeł (należących np. tylko do jednego zakładu). A zatem w celu oceny, w jakim stopniu Huta Katowice jest odpowiedzialna za poziom opad pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu poza jej granicami, przeprowadzono obliczenia rocznego opadu tych substancji, uwzględniające ich emisję jedynie z emitorów należących do rozpatrywanego zakładu, a następnie wyniki obliczeń w poszczególnych punktach porównano z 199

3 całkowitym opadem określonym przy pomocy bezpośrednich pomiarów, obejmujących ten sam rok, z którego emisja została przyjęta do obliczeń (r. 1999). 2. Charakterystyka źródeł emisji pyłowej Huty Katowice Huta Katowice należy do tzw. hut surowcowych i jako jeden z największych tego typu zakładów w Polsce produkuje rocznie ok. 4-5 mln ton stali ciekłej [1]. Na jej terenie funkcjonuje obecnie 46 emitorów punktowych, z których w sposób zorganizowany zachodzi emisja zanieczyszczeń pyłowych oraz liczne niezorganizowane źródła emisji, takie jak: hale lejnicze wielkich pieców, gardziele wielkich pieców (straty gazu wielkopiecowego), hala stalowni, kafar żużla konwertorowego, hale ciągłego odlewania stali (COS), zwałowisko odpadów hutniczych oraz wszystkie składowiska paliw i surowców: składowisko buforowe Zakładu Wielkopiecowego, składowisko uśredniające rud, składowiska buforowe koksu i koksiku, składowisko buforowe topników, składowisk buforowe grudek i dodatków. Do największych jednostkowych źródeł emisji pyłu i metali ciężkich zaliczyć należy głównie: taśmy spiekalnicze, węzły rozładowcze (i chłodnie) spieku, hale lejnicze wielkich pieców, halę stalowni, oczyszczalnie gazu konwertorowego, stanowisko odsiarczania stali i hale COS. Stosunkowo wysoka emisja pyłu zachodzi także z pieców szybowych Maerza do wypalania wapna i dolomitu. W roku 1999, przyjętym za bazowy przy określaniu emisji zanieczyszczeń oraz w obliczeniach i pomiarach opadu pyłu, pracowały: wszystkie trzy taśmy spiekalnicze, dwa spośród trzech wielkich pieców, wszystkie trzy konwertory i trzy piece Maerza. Emisja zanieczyszczeń z większości źródeł zorganizowanych zachodzi poprzez emitory o wysokości co najmniej 60 m. Emitor wspólny dla trzech taśm spiekalniczych ma wysokość 250 m, a spaliny z zakładowej elektrociepłowni odprowadzane są dwoma kominami czteroprzewodowymi o wysokości 150 m. 3. Metodyka badań Do obliczeń rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pyłowych w powietrzu atmosferycznym przyjęto rzeczywiste dane pomiarowe dotyczące wielkości emisji i czasów pracy emitorów w roku Uwzględniono przy tym najnowsze wyniki badań niezorganizowanej emisji zanieczyszczeń z hal ciągłego odlewania stali [2, 3]. Emisja rozpatrywanych substancji z innych źródeł niezorganizowanych została obliczona z wykorzystaniem wskaźników unosu określonych dla tych źródeł w odniesieniu do ilości zużytych surowców lub wielkości produkcji [4]. Dla składowisk paliw i surowców hutniczych przyjęto wskaźniki unosu pyłu z procesu ich przeładunku, wynikające z badań EPA [5]. Określona w ten sposób całkowita emisja pyłu, ołowiu i kadmu ze wszystkich emitorów Huty Katowice w roku 1999 wynosiła odpowiednio: pył 4789 Mg, ołów 131,4 Mg, kadm 2,15 Mg. 200

4 W obliczeniach opadu zanieczyszczeń pyłowych na powierzchnię terenu bardzo istotną rolę odgrywa wiarygodne określenie emisji pyłu w poszczególnych przedziałach frakcyjnych i średniej prędkości opadania dla tych frakcji. Z uwagi na brak aktualnych danych pomiarowych składów frakcyjnych pyłów emitowanych z większości źródeł należących do Huty Katowice, dane te zostały przyjęte z uwzględnieniem rodzajów zastosowanych urządzeń odpylających lub poprzez analogię do innych źródeł emisji. Średnie prędkości opadania danych frakcji pyłów obliczono z uwzględnieniem ich rzeczywistej gęstości. Szczególną uwagę zwrócono na emitor taśm spiekalniczych, stanowiących największe źródło emisji zanieczyszczeń pyłowych z Huty Katowice. Emisję poszczególnych fakcji pyłu określono na podstawie analiz frakcyjnych przeprowadzonych metodą dyfrakcji laserowej. W oparciu o wykonane wstępne analizy chemiczne dla kilku przedziałów frakcyjnych rozdzielonych mechanicznie, stwierdzono zróżnicowanie zawartości ołowiu i kadmu w różnych frakcjach, co jest sytuacją typową dla bardziej lotnych metali ciężkich lub ich związków unoszonych z procesów wysokotemperaturowych w fazie gazowej, które po ochłodzeniu spalin kondensują na cząstkach stałych lub tworzą submikronowe pyły homogeniczne [6-9]. Udziały masowe ołowiu i kadmu w przyjętych przedziałach frakcyjnych pyłu (w tym w pyłach najdrobniejszych, niemożliwych do rozdzielenia mechanicznie) obliczono z uwzględnieniem faktu, że ułamek masowy metalu skondensowanego na cząstce popiołu lotnego jest odwrotnie proporcjonalny do średnicy cząstki lub jej kwadratu (w zależności od wymiaru cząstki) [10]. Obliczenia opadu na powierzchnię terenu dla pyłu, ołowiu i kadmu przeprowadzono zgodnie z podstawową metodyką obowiązującą w naszym kraju (wzór Krieba wyprowadzony w oparciu o formułę Pasquilla) [11, 12]. W obliczeniach wykorzystano reprezentatywne dla omawianego obszaru statystyki danych meteorologicznych z roku 1999, określone przez IMiGW, Oddział w Katowicach. Sporządzoną na ich podstawie 12-sektorową różę wiatrów przedstawiono na rys. 1. Jak z niej wynika, w rozpatrywanym okresie zdecydowanie dominowały wiatry południowo-zachodnie, które występowały przez prawie 38 % czasu roku. Obliczenia wykonano w 60 punktach zlokalizowanych w obrębie strefy ochronnej wspólnej dla Huty Katowice i Zakładów Koksowniczych Przyjaźń oraz w bezpośrednim jej sąsiedztwie, w których rutynowo lub okresowo prowadzi się pomiary opadu pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu. W obszarze badań sieć stałych stanowisk pomiarowych tworzy 21 punktów obsługiwanych przez Śląską Wojewódzką Stację Sanitarno-Epidemiologiczną (ŚWSSE) oraz 28 punktów obsługiwanych przez Hutę Katowice. W 11 punktach dodatkowe pomiary w roku 1999 prowadzone były przez Ośrodek Badań i Kontroli Środowiska w Katowicach (OBiKŚ). Większość, bo aż 51 punktów zlokalizowana była w granicach administracyjnych Dąbrowy Górniczej, 7 punktów w granicach Sławkowa, a pozostałe 2 w ościennych gminach. Najbliższe Hucie Katowice punkty położone były tuż przy jej granicy, ale licząc od centralnej części Huty minimalna odległość wynosi ok. 1 km, a maksymalna prawie 9 km. 201

5 N W E S 4. Wyniki badań Rys. 1. Róża wiatrów z roku 1999 dla rejonu Huty Katowice (IMiGW, Oddział w Katowicach) W wyniku przeprowadzonych obliczeń rocznego opadu pyłu, ołowiu i kadmu w rejonie lokalizacji punktów pomiarowych możliwe było określenie udziałów wartości obliczeniowych wynikających z oddziaływania tylko emitorów należących do Huty Katowice w całkowitym poziomie opadu rejestrowanym w roku 1999 w poszczególnych punktach [13]. Udziały te, wyrażone w procentach wartości pomiarowej (w.p.), zostały przedstawione na rys. 2. Punkty uszeregowano od najbliżej do najdalej położonego względem centralnej części Huty. Jak wynika z rys. 2, udział Huty Katowice w całkowitym opadzie pyłu w roku 1999 w poszczególnych punktach otrzymano na poziomie od ok. 0,6 do 27,7 %, w opadzie ołowiu od ok. 5,5 do 100,8 %, a w opadzie kadmu od ok. 4,7 do 83,8 %. Z reguły w punktach położonych dalej od zakładu udział ten był coraz mniejszy. Trend ten jest najbardziej wyraźnie widoczny, gdy porównuje się wyniki obliczeń uzyskane w punktach nr 1-20 (położonych w odległości od 0,9 do 3,3 km od centrum Huty) oraz w punktach nr (położonych w odległości od 4,8 do 8,8 km od centrum Huty). W celu jego lepszego zobrazowania w tabeli 1 przedstawiono wartości minimalne, maksymalne i średnie procentowych udziałów obliczonego poziomu opadu w stosunku do wartości pomiarowych otrzymanych w punktach pogrupowanych w kilku przedziałach ich odległości od centrum Huty. 202

6 Poziom opadu [% w.p.] Poziom opadu [% w.p.] Poziom opadu [% w.p.] Nr punktu Nr punktu Nr punktu Pył Ołów Kadm Rys. 2. Wyniki obliczeń opadu pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu powodowanego przez emitory Huty Katowice w poszczególnych punktach odniesione do wyników pomiarów (w.p.) w roku

7 Tabela 1. Kształtowanie się udziałów procentowych wartości obliczeniowych opadu pyłu, ołowiu i kadmu na powierzchnię terenu w stosunku do wartości pomiarowych (w.p.) w funkcji odległości punktów od Huty Katowice 204 Odległość od centrum Huty Katowice * < 2 km 2-3 km 3-4 km 4-5 km 5-6 km 6-7 km > 7 km Wartość Wyniki obliczeń [% w.p.] Opad pyłu Opad ołowiu Opad kadmu min 12,4 27,7 19,9 max 27,7 100,8 56,4 śr. 17,6 55,0 40,4 min 3,1 29,5 12,5 max 19,0 86,5 70,5 śr. 11,4 50,3 31,8 min 3,0 13,9 8,7 max 17,2 79,1 67,3 śr. 8,2 36,3 22,2 min 3,5 15,1 9,1 max 12,1 81,3 83,8 śr. 8,4 46,4 31,0 min 1,9 9,6 6,3 max 11,9 61,2 34,2 śr. 4,6 29,7 16,6 min 1,5 12,1 4,7 max 9,0 58,0 33,0 śr. 4,5 25,1 14,8 min 0,6 5,5 5,4 max 4,8 34,3 15,5 śr. 2,6 18,0 11,0 * - od przyjętego punktu centralnego Huty Katowice o współrzędnych (PUW 65): X = , Y = Uwagę zwracają wyniki otrzymane w punktach oddalonych od centralnej części zakładu o ok. 4-5 km, w których występuje pewien wzrost udziału Huty Katowice w poziomie opadu pyłu, ołowiu i kadmu w stosunku od obszaru oddalonego np. o ok. 3-4 km. W rejonie tym najbardziej uwidacznia się bowiem wpływ emitora taśm spiekalniczych, będącego największym źródłem emisji tych substancji należącym do omawianego zakładu. Udział Huty Katowice w poziomie opadu substancji pyłowych na powierzchnię terenu zależy zresztą nie tylko od oddalenia danego punktu od zakładu, ale także od wielu innych czynników (m.in. róży wiatrów, lokalnych warunków topograficznych i wielkości wpływu pozostałych źródeł emisji). Biorąc pod uwagę fakt, że w rozpatrywanym roku w omawianym rejonie zdecydowanie dominowały wiatry południowo-zachodnie, kolejnej analizie postanowiono poddać tylko wyniki uzyskane w punktach położonych na północny wschód od zakładu. Warunek ten spełnia 15 punktów, przy czym jeden z nich został w tej analizie pominięty z uwagi na wyraźnie złą lokalizację, powodującą znacznie zawyżone wyniki pomiarów w okresie letnim (prawdopodobnie pyle-

8 nie wtórne z podłoża). Wyniki obliczeń średnich udziałów Huty Katowice w kształtowaniu poziomu opadu pyłu, ołowiu i kadmu w rozpatrywanym sektorze róży wiatrów przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Średnie wyniki pomiarów (w.p.) i obliczeń (w.o.) opadu pyłu, ołowiu i kadmu w punktach położonych w sektorach dominujących kierunków rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń emitowanych z Huty Katowice Odległość punktów od centrum HK Opad pyłu [g/m 2 /rok] w.o. w.p. w.o. [% w.p.] Opad ołowiu [mg/m 2 /rok] w.o. w.p. w.o. [% w.p.] Opad kadmu [mg/m 2 /rok] w.o. w.p. w.o. [% w.p.] 0,9-1,7 km 83,9 15,6 18,6 80,6 51,5 63,9 3,13 1,43 45,7 2,4-3,4 km 50,5 7,3 14,5 43,9 26,5 60,4 1,68 0,77 45,8 4,4-4,8 km 40,9 4,3 10,5 29,3 15,5 52,9 1,13 0,46 40,7 5,2-6,9 km 26,9 2,6 9,7 22,1 10,7 48,4 0,96 0,31 32,3 8,4 km 56,1 1,7 3,1 51,5 7,9 15,4 1,50 0,23 15,5 5. Podsumowanie Zakładając poprawność przyjętych założeń i wykonanych obliczeń można stwierdzić, że w obszarze, nad którym zanieczyszczenia wyemitowane z terenu Huty Katowice najczęściej się rozprzestrzeniają, udział tego zakładu w poziomie opadu pyłu już w odległości ok. 5 km od centrum Huty nie przekracza 10 %, a w odległości powyżej 8 km 2 %. Zdecydowanie większy udział ma ona jednak w poziomie opadu ołowiu i kadmu, co wynika z mniejszego tła opadu tych metali i faktu, że Huta Katowice jest zdecydowanie największym źródłem ich emisji w badanym rejonie. Udział ten w zmierzonym opadzie ołowiu w pobliżu zakładu (do 2-2,5 km od jego granic) przekracza 60 %, a kadmu 45 %. Powodowany przez Hutę Katowice opad obydwu tych metali w punkcie położonym już poza strefą ochronną zakładu (w odległości ok. 8 km od jego granic) spada do poziomu ok. 15 % ich całkowitego zmierzonego opadu. 6. Literatura 1. Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M.: Inżynieria Środowiska 2000, tom 5, z. 1, Wyd. AGH, Kraków Mazur M., Bogacki M., Oleniacz R.: Bezpośrednie i pośrednie efekty wprowadzenia ciągłego odlewania stali w bilansie emisji zanieczyszczeń z huty żelaza. Materiały z VIII Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo- Technicznej Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych. Poraj k. Częstochowy, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa

9 3. Mazur M., Bogacki M., Oleniacz R., Łopata A.: Niezorganizowana emisja zanieczyszczeń powietrza z hal ciągłego odlewania stali. Inżynieria Środowiska 2001, tom 6, z. 1 (przyjęte do druku). Wyd. AGH, Kraków Mazur M. i inni: Weryfikacja zasięgu oddziaływania emisji zanieczyszczeń z Huty Katowice S.A. Etap IV. Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie. Kraków, czerwiec 2000, praca niepublikowana. 5. AP-42, Fifth Edition, Volume I, CHAPTER 12: Metallurgical Industry, 6. Barton R.G., Clark W.D., Seeker W.R.: Combust. Sci. and Tech. 1990, Vol. 74, Nos. 1-6, Abbas T., Godoy S., Hassan S., Lockwood F.C.: Combust. Sci. and Tech. 1996, Vol. 121, No. 1-6, Biswas P., Wu C.Y.: J. Air & Waste Manage. Assoc. 1998, Vol. 48, No. 2, Mastral A.M., Callén M., García T.: Environ. Sci. Technol. 1999, Vol. 33, No. 18, Linak W.P., Wendt J.O.L.: Fuel Proc. Technol. 1994, Vol. 39, No. 1-3, Chróściel S.: Ochrona Atmosfery, Zeszyt Problemowy nr XIII/85. Wyd. PZITS nr 470/XIII, Warszawa Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 3 września 1998 r. w sprawie metod obliczania stanu zanieczyszczenia powietrza dla źródeł istniejących i projektowanych. Dz. U. z 1998 r., nr 122, poz Wyniki pomiarów opadu pyłu, ołowiu i kadmu w rejonie Huty Katowice i ZK Przyjaźń prowadzonych w roku 1999 przez OBiKŚ w Katowicach, ŚWSSE i Hutę Katowice. Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr