9. ATMOSFERA 9.01. Klasyfikacja źródeł emisji zanieczyszczeń do atmosfery wg róŝnych kryteriów 9.02. Jakość powietrza atmosferycznego 9.03. Standardy jakości powietrza przykłady 1 9.04. Standardy jakości powietrza przykłady 2 9.05. Czynniki determinujące rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu 9.06. Czynniki meteorologiczne prędkość i zmienność kierunku wiatru 9.07. Prędkość i zmienność kierunku wiatru a smuga i stęŝenie zanieczyszczeń na wylocie z komina 9.08. Czynniki meteorologiczne pionowy gradient temperatury 9.09. Pionowy gradient temperatury a smuga zanieczyszczeń na wylocie z komina 9.10. Czynniki topograficzne 9.11. Emitory 9.12. Transgraniczne przemieszczanie zanieczyszczeń 9.13. Emisja głównych zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego z terenu Polski 9.14. Emisja zanieczyszczeń z procesów spalania paliw dla celów produkcji energii elektrycznej i cieplnej w Polsce 9.15. Główne kierunki ochrony atmosfery 9.16. Oszczędzanie energii zmniejszenie energochłonności 9.17. Oszczędzanie energii recykling 9.18. Zmiana struktury nośników energii pierwotnej 9.19. Uszlachetnianie węgla 9.20. Sprawności produkcji energii elektrycznej i cieplnej 9.21. Odpylanie gazów proces rozdziału fazy stałej i gazowej w polu sił zewnętrznych 9.22. Odsiarczanie gazów proces wiązania tlenków siarki w solach (zanieczyszczenie gazowe odpad stały) 9.23. Denitryfikacja ograniczenie ilości NOx powstających w procesie spalania i/lub ich konwersja do NO 2 1
9.01. Klasyfikacja źródeł emisji zanieczyszczeń do atmosfery wg róŝnych kryteriów pochodzenie sposób wprowadzenia do atmosfery moŝliwość przemieszczania się lokalizacja zmienność w czasie naturalne: kosmiczne, nieorganiczne (wulkaniczne pyły (Tunbors-1825-150 mln ton, Krakatau-1883-18 mln ton, Katmai-1912-20 mln ton) i gazy: SO 2 (Pinatubo-1997-20 mln ton), CO, CO 2, H 2 S, HF), organiczne (mikroby, pyłki i zarodniki roślin) antropogeniczne emisja zorganizowana (kominy = emitory) emisja niezorganizowana (hałdy, wysypiska) stacjonarne mobilne źródła punktowe źródła liniowe źródła powierzchniowe emisja stała emisja zmienna 2
9.02. Jakość powietrza atmosferycznego cel nadrzędny zachowanie standardów jakości powietrza atmosferycznego standardy imisji to dopuszczalne wartości stęŝenia substancji zanieczyszczających w powietrzu atmosferycznym najwyŝsze ze stęŝeń maksymalnych nie moŝe przekraczać wartości dopuszczalnej S max S dop 3
9.03. Standardy jakości powietrza przykłady 1 Dziennik Ustaw Nr 47 poz. 281 z dnia 3 marca 2008 r. - rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu Dopuszczalny poziom substancji zanieczyszczającej w powietrzu rodzaj substancji dwutlenek azotu dwutlenek siarki tlenek węgla pył zawieszony PM10 benzen ołów okres uśredniania 1 godz. rok 1 godz. 24 godz. 8 godz. 24 godz. rok rok rok teren kraju ogólnie stęŝenie µg/m 3 200 40 350 125 10 000 50 40 5 0,5 częstość przekroczeń w roku 18 x 24 x 3 x 35 x 1 godz. rok 1 godz. uzdrowiska okres uśredniania 24 godz. 8 godz. 24 godz. rok rok rok stęŝenie µg/m 3 200 35 350 125 5 000 50 40 4 0,5 4
9.04. Standardy jakości powietrza przykłady 2 Dziennik Ustaw Nr 47 poz. 281 z dnia 3 marca 2008 r. - rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu Dopuszczalny poziom stęŝenia substancji zanieczyszczającej w powietrzu i terminy osiągnięcia rodzaj substancji okres uśredniania stęŝenie termin arsen rok 6 ng/m 3 2013 benzo-a-piren rok 1 ng/m 3 2013 kadm rok 5 ng/m 3 2013 nikiel rok 20 ng/m 3 2013 ozon 8 godz. 120 µg/m 3 2010 Alarmowe poziomy stęŝenia substancji zanieczyszczającej dwutlenek azotu dwutlenek siarki ozon pył zawieszony PM10 1 godz. 1 godz. 1 godz. 24 godz. 400 µg/m 3 500 µg/m 3 240 µg/m 3 200 µg/m 3 Obowiązek informowania mieszkańców o zagroŝeniu 5
9.05. Czynniki determinujące rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu CZYNNIKI METEOROLOGICZNE prędkość i zmienność kierunku wiatru pionowy gradient temperatury WARUNKI TOPOGRAFICZNE ukształtowanie terenu rodzaj pokrycia terenu PARAMETRY EMITORA rodzaj i ilość emitowanych zanieczyszczeń wysokość emitora 6
9.06. Czynniki meteorologiczne prędkość i zmienność kierunku wiatru typ I typ II - 30 0 0 0 30 0-30 0 0 0 30 0 typ III typ IV częstotliwość w % u h = u a h h a m - 30 0 0 0 30 0-30 0 0 0 30 0 odchylenie od zasadniczego kierunku h a =14 m m-stała meteorologiczna, m = 0,08 0,44 7
9.07. Prędkość i zmienność kierunku wiatru a smuga zanieczyszczeń i stęŝenie zanieczyszczeń na wylocie z komina średnioroczna średniodobowa chwilowa smuga zanieczyszczeń średnioroczne średniodobowe chwilowe stęŝenie zanieczyszczeń 8
9.08. Czynniki meteorologiczne pionowy gradient temperatury pionowy gradient temperatury Γ wyraŝa stosunek zmiany temperatury powietrza dt do wartości przemieszczenia dz cząstki w kierunku pionowym dt Γ = - = dz c p gdzie: g przyspieszenie ziemskie, c p ciepło właściwe powietrza suchego przy stałym ciśnieniu g Z 1 2 3 4 gradient temperatury T 1. superadiabatyczny 2. adiabatyczny 3. przeciętny 4. inwersja > 1 0 C/100 m = 1 0 C/100 m ~ 0,6 0 C/100 m < 0 9
9.09. Pionowy gradient temperatury a smuga zanieczyszczeń na wylocie z komina Stan chwiejnej równowagi atmosferycznej. Intensywne pionowe ruchy mas powietrza. Stan idealnej równowagi atmosferycznej. Nie występują pionowe ruchy mas powietrza. DąŜenie układu do osiągnięcia idealnej równowagi atmosferycznej gradient superadiabatyczny gradient adiabatyczny gradient przeciętny Z inwersja - wzrost temperatury z wysokością warstwa inwersyjna T 10
9.10. Czynniki topograficzne wpływ bezpośredni ukształtowania terenu wywoływanie lokalnych zmian kierunku i prędkości wiatru oraz zawirowań spowodowanych gwałtownymi zmianami ukształtowania terenu (głębokie wąwozy, góry) pojawienie się nieuporządkowanych ruchów wstępujących i zstępujących mas powietrza na skutek nierównomiernego nagrzewania się zboczy wpływ pośredni ukształtowania terenu na skutek utrudnionego swobodnego przepływu mas powietrza (np. w kotlinach) występuje utrudnione mieszanie gorących spalin z zimnym powietrzem, co zmienia warunki termiczne (ogrzewanie) i prowadzi do inwersji, której skutkiem bywa wzrost stęŝenia zanieczyszczeń w powietrzu wpływ rodzaju pokrycia terenu roślinność absorbuje zanieczyszczenia powietrza (nawet trawa, choć oczywiście bardziej korzystny jest gęsty, wysoki drzewostan) zmniejszając ich stęŝenie w przemieszczających się masach powietrza 11
9.11. Emitory wysokie kominy problem transgranicznego przemieszczania się zanieczyszczeń w atmosferze Protokół siarkowy I i II, Protokół azotowy (lata 80-te) zobowiązania krajów EWG do ograniczenia emisji E wysokość emitora zmiany w latach 1996-2006 ilość emitorów emisja pyłów emisja gazów (bez CO 2 ) S max E strumień masy emitowanego zanieczyszczenia H wysokość pozornego punktu emisji, H = h + h d + h t h wysokość geometryczna komina, h d wyniesienie dynamiczne, h t wyniesienie termiczne m stała meteorologiczna, m = 1,7 2,4 S max E f H m H i/lube 50 m - 22 % - 66 % + 27 % 51-99 m - 29 % - 78 % - 19 % 100 m ~ 0-75 % + 7 % 12
9.12. Transgraniczne przemieszczanie zanieczyszczeń kraj-eksport Polska 53 % Niemcy 46 % Szwecja 93 % Turcja 87 % import SO 2 (dane za rok 1996) 33 % z Niemiec 17 % z Czech 4 % ze Słowacji 4 % z Ukrainy 8 % z Węgier 18 % niewiadomego pochodzenia 15 % z Polski 28 % z Czech 7 % z Francji 25 % niewiadomego pochodzenia 15 % z Niemiec 11 % z Polski 35 % niewiadomego pochodzenia 25 % niewiadomego pochodzenia w połowie lat 90. XX w. sporządzono listę 100 zakładów w Europie emitujących najwięcej SO 2 93 % stanowiły elektrownie (m.in. Bełchatów, Turów, Adamów, Kozienice, Rybnik) 13
9.13. Emisja głównych zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego z terenu Polski 4 Struktura emisji (2007 r.) 3 mln t/rok inne procesy SO 2 2 pył SO 2 transport energetyka 66,8 % 1 NO x inne procesy NO 2 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 transport 39,4 % energetyka 39,5 % 14
9.14. Emisja zanieczyszczeń z procesów spalania paliw dla celów produkcji energii elektrycznej i cieplnej w Polsce emisja pyłu w kt/a emisja SO 2 w kt/a 250 całkowita 1500 całkowita 200 150 produkcja energii elektrycznej produkcja pary i gorącej wody 1250 1000 750 produkcja energii elektrycznej 100 50 500 250 produkcja pary i gorącej wody 0 0 1996 1998 2000 2002 2004 2006 1996 1998 2000 2002 2004 2006 15
9.15. Główne kierunki ochrony atmosfery 1. oszczędzanie energii najczystszą dla środowiska energią jest ta, której się nie zuŝywa 1.1. zmniejszenie energochłonności technologii produkcyjnych oraz urządzeń będących wytworem tych technologii 1.2. recykling surowce wtórne i regeneracja 2. zmiana struktury nośników energii pierwotnej 3. uszlachetnianie węgla 4. wzrost sprawności produkcji energii elektrycznej i cieplnej 5. redukcja zanieczyszczeń w gazach odlotowych wprowadzanych do atmosfery 5.1. odpylanie 5.2. desulfuryzacja (odsiarczanie) 5.3. denitryfikacja (odazotowanie) 16
9.16. Oszczędzanie energii zmniejszenie energochłonności Energochłonność gospodarki w kg ropy naftowej na 1000 EUR PKB 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 Bułgaria Polska UE 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 17 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 jednostki zuŝycia energii elektrycznej w 1973 r. = 100 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 klimatyzacja TV-kolor chłodziarki
9.17. Oszczędzanie energii recykling 6 5 4 3 koszty produkcji naprawy odtwarzania począwszy od połowy lat 70. koszty napraw zaczęły przewyŝszać koszt nowego wyrobu 2 1 zmiana kosztów wskutek projektowania nastawionego na recykling i stosowanie technologii regeneracji wyrobów 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 18
9.18. Zmiana struktury nośników energii pierwotnej 2006 r. POLSKA 2030 r. UE 2006 r. 13% 5% 6% 13% 31% 15% 6% 18% 24% 45% 15% 8% 13% 27% 24% 37% WĘGIEL KAMIENNY, WĘGIEL BRUNATNY(dla Polski kolor szary) ROPA NAFTOWA GAZ ENERGIA JĄDROWA ENERGIA ODNAWIALNA 19
9.19. Uszlachetnianie węgla metody fizyczne usuwanie 30-50 % siarki pirytowej oraz do 60 % substancji mineralnej (popiołu) Wykorzystuje się: róŝnicę gęstości separacja grawitacyjna własności powierzchniowe (np. zwilŝalność) węgla flotacja metody chemiczne usuwanie do 90 % siarki pirytowej i organicznej oraz 90-99 % substancji mineralnej (popiołu) Konwersja siarki organicznej zawartej w węglu do siarki elementarnej lub związków siarki, które mogą być następnie usunięte ze struktury węgla. Wadą tych metod jest ich wysoki koszt oraz emisja H 2 S lub SO 2 do atmosfery. metody biologiczne usuwanie siarki całkowitej (pirytowej, organicznej i siarczanowej). Wykorzystuje się bakterie beztlenowe i tlenowe, grzyby lub enzymy, które trawią siarkę. 20
9.20. Sprawności produkcji energii elektrycznej i cieplnej sprawność netto produkcji energii elektrycznej, % 65 60 55 50 45 40 35 1 2 4 5 6 3 1. bloki klasyczne 2. bloki kondensacyjne (ciśnienia nadkrytyczne) 3. układy parowo-gazowe ze zgazowaniem węgla 4. układy parowo-gazowe (gaz ziemny) 5. obieg WET-NET 6. ogniwa paliwowe 1970 1980 1990 2000 2010 sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej w Polsce 1990 1995 2000 2003 rok 32,3 % 34,9 % 35,6 % 36,4 % 21
9.21. Odpylanie gazów proces rozdziału fazy stałej i gazowej w polu sił zewnętrznych a) komory osadcze odpylacze grawitacyjne gaz Najprostszą, ale najmniej skuteczną metodą rozdziału faz jest wykorzystanie siły cięŝkości F g przy poziomym przepływie gazu. Ziarna pyłu mają oczywiście większą masę niŝ molekuły gazu i odpadają od strugi gazu. a) F g pył b) cyklony (1864) odpylacze odśrodkowe Zakrzywienie trajektorii ruchu gazu, powoduje pojawienie się siły odśrodkowej F o, która równieŝ ze względu na róŝnicę mas cząstek fazy stałej i fazy gazowej będzie oddziaływać głównie na ziarna pyłu. b) gaz F o pył c) filtry tkaninowe (XIX w.) odpylacze filtracyjne MoŜna równieŝ na drodze przepływu zapylonego gazu ustawić porowatą, przepuszczalną dla gazu, przeszkodę strukturę filtracyjną, w której osadzają się ziarna pyłu d) elektrofiltry (1904) odpylacze elektrostatyczne pył c) gaz Obdarzenie ziarna pyłu ładunkiem elektrycznym sprawi, Ŝe pod wpływem siły elektrycznej F E będzie ono wędrować w kierunku elektrody o przeciwnej biegunowości. d) F E gaz pył 22
9.22. Odsiarczanie gazów proces wiązania tlenków siarki w solach (zanieczyszczenie gazowe odpad stały) metody mokre SO 2 +H 2 O+CaCO 3 +½ O 2 CaSO 4 +H 2 O+CO 2 zawiesina alkalicznego sorbentu wapniowego reaktor podgrzew spalin przed kominem z ok. 60 0 C do 85-100 0 C skuteczność odsiarczania > 90 % przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 1,0-1,3 metody półsuche Ca(OH) 2 +SO 2 + ½ O 2 CaSO 4 +2 H 2 O sorbent w postaci wodnej zawiesiny np. Ca(OH) 2 lub wodnego roztworu NH 3 reaktor urządzenie odpylające gazy poreakcyjne skuteczność odsiarczania 60 90 % przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 1,5 2,0 metody suche 2 CaO+2 SO 2 + O 2 2 CaSO 4 sorbent w postaci wodnej zawiesiny np. Ca(OH) 2 lub wodnego roztworu NH 3 reaktor urządzenie odpylające gazy poreakcyjne skuteczność odsiarczania 30 60 % przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 2-4 23
9.23. Denitryfikacja ograniczenie ilości NO x powstających w procesie spalania i/lub ich konwersja do NO 2 metody pierwotne (ograniczenie moŝliwości powstawania NO x ) polegające na odpowiedniej organizacji procesu spalania: konstrukcje palników pyłowych zapewniających dobry kontakt paliwa z O 2, spalanie przy moŝliwie niskim nadmiarze powietrza, spalanie dwustopniowe (niedomiar a następnie nadmiar powietrza), reburning (w fazie drugiej wprowadzanie dodatkowego paliwa), oxy fuel (wzbogacanie powietrza wprowadzanego do spalania w O 2 ) metody wtórne (konwersja NO x do N 2 ) polegające na wprowadzania amoniaku lub jego związków (mocznika) do: komory paleniskowej w strefie odpowiednio wysokich temperatur (967 ± 50 0 C) (SNCR selektywna redukcja niekatalityczna), poza paleniskiem do reaktora katalitycznego (katalizatory: tlenek tytanu, wanad lub wolfram), proces zachodzi w temperaturze 280 400 0 C (SCR-selektywna redukcja katalityczna) 24