EMISE JEMNÝCH ČÁSTIC PRACHU PŘI SPALOVÁNÍ TUHÝCH PALIV V MALÝCH SPALOVACÍCH ZAŘÍZENÍCH

Transkript

1 EMISE JEMNÝCH ČÁSTIC PRACHU PŘI SPALOVÁNÍ TUHÝCH PALIV V MALÝCH SPALOVACÍCH ZAŘÍZENÍCH Ing. Jiří Horák, Ph.D. 1), Ing. Michal Branc 1), Ing. Helena Hnilicová 2) 1) VŠB Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum, 17. listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, jirka.horak@vsb.cz, michal.branc@vsb.cz 2) Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 17, Praha 4 Komořany, hnilicova@chmi.cz Zdroje tepla v domácnostech, které spalují tuhá paliva jsou považovány za výrazné producenty tuhých znečišťujících látek (TZL, TSP). V roce 2005 cca 35 % z celkových emisí prachu PM10 (v ČR) pocházelo z vytápění domácností [1]. Článek prezentuje výsledky experimentálního stanovení emisí tuhých znečišťujících látek včetně rozdělení celkových TZL na frakce PM10 a PM2,5 v pěti typech spalovacích zařízení při spalování dřeva a hnědého. Klíčová slova: Hnědé, dřevo jemné částice, malé zdroje, vytápění ÚVOD Pevné částice v ovzduší patří k významným, lidské zdraví negativně ovlivňujícím, znečišťujícím látkám. Závaţnost působení částic na lidské zdraví je dána jejich velikostním spektrem, které determinuje depozici v dýchacím traktu, a chemickým sloţením, od něhoţ se odvozuje míra toxického působení deponovaných částic v organizmu. Částice větší neţ 10 μm jsou zachyceny v horních cestách dýchacích (nos, nosohltan, ústa). Částice, které projdou horními dýchacími cestami (menší neţ 10 μm), jsou nazývány thorakální frakcí. Hrubší částice thorakální frakce jsou dále zachyceny v dolních cestách dýchacích (hrtanu, průduškách atd.), a do lidských plic tak proniká širší spektrum částic. Uvádí se, ţe se jedná především o částice menší neţ 2,5 μm [2]. Tyto částice působí svými toxickými vlastnostmi přímo na plicní tkáň. Menší částice, které plíce nezachytí (<1 μm), jsou po vdechnutí opět vydechovány popřípadě procházejí membránou alveol a pronikají do krve [3]0. Z uvedeného vyplývá, ţe rizika depozice a následná zdravotní rizika s sebou nesou především částice pod 10 μm 0. Primární částice mohou vznikat různými mechanismy. Zdravotní riziko těchto látek spočívá v jejich chemickém sloţení. Přestoţe hmotu tuhých částic mohou představovat inertní látky, na povrchu těchto částic se mohou adsorbovat další látky, které mohou představovat váţné zdravotní riziko. Mezi látky, které se dále na prachové částice váţí patří např. kondenzované páry kovů, kyseliny, dehty, polyaromatické uhlovodíky (PAU), polychlorované di-benzo dioxiny a furany (PCDD/F) a polychlorované bifenyly (PCB). Tyto látky představují pro lidský organismus značné zdravotní riziko. EMISNÍ INVENTURY Spalování tuhých paliv v malých zdrojích produkuje podstatnou část emisí TZL, a jejich frakcí PM 10 a PM 2,5 v České republice. V současné době je odhad emisí ze spalování v domácnostech prováděn na základě meteorologických podmínek v topném období (následné stanovení spotřeby paliva) a emisního faktoru. Meteorologické podmínky jsou charakterizovány počtem dennostupňů v topném období a emisní faktor je pouţíván dle vyhlášky [4]. Pro spalování hnědého je definován vztahem 1*A r v kg/t, kde A r je obsah popela v palivu (v %). Zastoupení PM 10 a PM 2,5 v celkovém mnoţství prachu je dosud stanoveno na základě výsledků měření uskutečněného v Polsku [5] (podíl PM 10 v TZL je 75 % a PM 2,5 25 %). Pro spalování dřeva je emisní faktor vyjádřen nezávisle na obsahu popela a činí 5,2 kg/t. Podíl frakce PM 10 je stanoven na 95 % a podíl frakce PM 2,5 pak na 90 % z TZL. Emisní faktor je aplikován bez ohledu na stáří a druhovou skladbu vytápěcích zařízení, coţ se projevuje značnou nepřesností při odhadu emisí v této kategorii zdrojů. V současnosti se pracuje na zpřesnění bilance tak, aby odhad emisí reflektoval kvalitativní vývoj ve skladbě topných zařízení. Tento úkol představuje min. dvě samostatné oblasti: jednak poznání v oblasti emisních faktorů (např. obsah tohoto článku), ale také informace o skladbě spalovacích systémů provozovaných v jednotlivých domácnostech. Pro stanovení emisí ze spalování tuhých paliv v domácnostech se v EU pouţívají další tři sady emisních faktorů, viz Tab. 5 a Tab. 6. Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. Michal Branc, VŠB Ostrava, VEC, 17. listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba Ing. Helena Hnilicová, Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 17, Praha 4 Komořany / 115 /

2 Tab. 5 Přehled emisních faktorů pro hnědé zdroj emisních faktorů GAINS[7] EIG[8] CEPMEIP[9] ČR[5]* zjednodušený podrobný kategorie spalovacích zařízení emisní faktor [g/gj] TSP PM 10 PM 2,5 kotle na s výkonem <50kW kotle na s výkonem <50kW, nové kamna na kamna na (upravená) kamna na nová zařízení pro vytápění domácností - černé i hnědé, <50 kw krb otevřený kamna kamna moderní kotle na s výkonem <50kW zařízení pro vytápění domácností - hnědé zařízení pro spalování hnědého, <50 kw *pro průměrné hodnoty hnědého používaného k vytápění domácností: obsah popela A r =7% výhřevnost Q i r =18,1 MJ/kg Tab. 6 Přehled emisních faktorů pro dřevo zdroj emisních faktorů kategorie spalovacích zařízení emisní faktor [g/gj] TSP PM 10 PM 2,5 GAINS[7] kotle na dřevo s výkonem <50kW kotle na dřevo s výkonem <50kW, nové kamna na dřevo kamna na dřevo vylepšená kamna na dřevo nová krb EIG[8] zjednodušený zařízení pro vytápění domácností - dřevo, <50 kw podrobný krb otevřený kamna kotle dřevo s výkonem <50kW kotle na pelety s výkonem <50kW CEPMEIP[9] zařízení pro vytápění domácností - dřevo, nízkoemisní zařízení pro vytápění domácností - dřevo, vysokoemisní ČR[5]* zařízení pro spalování dřeva, <50 kw * pro dřevo s uvažovanými parametry výhřevnost Q i r =14,62MJ/kg POUŽITÁ SPALOVACÍ ZAŘÍZENÍ A PALIVO Experimentální stanovení TZL bylo provedeno na 5 spalovacích zařízeních představujících základní koncepce spalování, které jsou v dnešní době u nás pouţívány pro potřeby vytápění. Jedná se o automatický kotel, kotel prohořívací, kotel odhořívací a zplyňovací kotel a krbová kamna, viz. Obr. 1. Prohořívací kotel je zařízení s ručním přikládáním paliva. Dávka paliva prohořívá najednou, přičemţ spaliny procházejí celou vrstvou paliva. Spalinový trakt je tvořen jedním tahem. Odhořívací kotel přestavuje zařízení s ručním přikládáním paliva. Zespoda odhořívající palivo je doplňováno palivem, které se postupně v zásobníku sesouvá do ohniště. Spaliny neprocházejí vrstvou přiloţeného paliva. Spalinový trakt je tvořen třemi tahy. Kotel zplyňovací představuje zařízení moderní konstrukce s ručním přikládáním paliva a dvoufázovým spalováním. V první fázi je palivo zplyněno a v druhé fázi plyn hoří v samostatné spalovací komoře. Spalinový trakt je tvořen jeden a půl tahem (horizontální výměník). Automatický kotel představuje zařízení moderní konstrukce. Palivo je přikládáno automaticky pomocí šnekového dopravníku do hořáku, následně hoří odhořívacím způsobem. Spalinový trakt je tvořen pouze jedním tahem, spaliny tak proudí pouze vzhůru, kotel je však opatřen deflektorem pro záchyt částic. Koncepce pouţitých krbových kamen vyuţívá prohořívacího systému spalování, a proto se koncepce shoduje s prohořívacím kotlem. Při zkouškách bylo pouţito hnědé a dřevo o parametrech, které shrnuje tabulka 3. / 116 /

3 Obr. 4 Schéma prohořívacího, odhořívacího, automatického a zplyňovacího kotle a krbových kamen Tab. 7 Parametry pouţitého paliva Popis vzorku r w t A r A d C r H r N r O r S r V daf r Q i % % % % % % % % % MJ/kg HU ořech 1 27,48 4,18 5,77 46,88 3,83 0,65 16,35 0,62 51,09 19,06 Dřevo (buk) 9,58 0,83 0,92 41,1 5,11 0,09 43,08 0,22 85,58 15,68 PRINCIP ODBĚRU Spalovací zařízení byla před měřením umístěna na váţící most a osazena měřicí technikou, pro stanovení základních provozních parametrů a sloţení spalin za kotlem a v ředicím tunelu (ŘT). Schéma zapojení spalovacích zařízení, napojení na ŘT a umístění odběrových míst znázorňuje obr. 2. Stanovení PM bylo provedeno gravimetrickou metodou. Princip měřicí metody je zaloţen na izokinetickém odsátí vzorku plynu z ŘT (odběrové místo č.2) a záchytu jednotlivých frakcí. K odběru tuhých látek a jejich rozdělení dle frakcí na PM 10 a PM 2,5 byl pouţit impaktor (obr. 3). Jedná se o sondu se zachycovačem, ve které se frakce separují odstředivými silami prostřednictvím soustavy trysek a následně se zachycují na filtrech. Odběr je proveden vţdy v ŘT o průměru 150 mm, ve kterém je díky naředění niţší koncentrace tuhých látek a stabilní rychlost spalin cca 5 m/s. Hubicí a sondou se prosávají spaliny pomocí odběrové trati, která umoţňuje nastavení poţadovaného průtoku a zároveň poskytuje údaj o odebraném mnoţství suchých spalin za normálních podmínek. Obr. 5 Schéma ředicího tunelu Obr. 6 Jednotlivé části impaktoru / 117 /

4 Emisní faktor frakce [kg/t paliva ] Energie z biomasy X. odborný seminář Brno 2009 VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ U všech zařízení byly provedeny odběry při stabilním reţimu, který nebyl narušován zásahem obsluhy, jako je otevírání dvířek, prohrábnutí paliva, přiloţení, zaroštování apod. Zařízení byla provozována na jmenovitém výkonu a za podmínek doporučených výrobcem. U zařízení s manuálním přikládáním byly dále provedeny odběry po zásahu obsluhy, které jsou při skutečném provozu nezbytné, a to přiloţení a zaroštování. Obr. 7 prezentuje výsledky stanovení emisních faktorů tuhých znečišťujících látek vztaţených na hmotnost paliva. V rámci stabilních reţimů bez zásahu obsluhy byly stanoveny u jednotlivých zařízení a paliv rozdílné emisní faktory, rozdíly však nebyly příliš výrazné. Nejvyšší hodnoty bylo dosaţeno při spalování hnědého v prohořívacím kotli 2,22 kg/t paliva. Při spalování dřeva v prohořívacím kotli byla stanovena hodnota 0,618 g/t paliva. Naopak nejniţší hodnota byla stanovena při spalování hnědého v odhořívacím kotli 0,201 kg/t paliva. U tohoto kotle se projevil vliv způsobu spalování a tří tahů spalinové cesty, ve kterých jsou příhodné podmínky pro záchyt emitovaných částic z odhořívající vrstvy hnědého. U dřeva spalovaného v odhořívacím kotli však byl stanoven emisní faktor poměrně vysoký (1,75 kg/t paliva). Tento fakt svědčí o rozdílných vlastnostech částic emitovaným při spalování dřeva a hnědého a také o jiných vlastnostech vrstvy odhořívajícího dřeva a. U ostatních zařízení a paliv provozovaných ve stabilních reţimech byly stanovené emisní faktory poměrně vyrovnané a pohybovaly se mezi 1,22 a 0,81 kg/t paliva. 25 roštování ,7 21,2 Úžívaný emisní faktor TSP pro daná paliva Hnědé TSP = 1*A r [kg/t] TSP = 4,18 kg/t Bukové dřevo TSP = 5,2 kg/t TZL PM 10 PM 2,5 10 9, ,2 4,18 2,22 hnědé 0,618 0,201 1,75 4,12 1,22 1,21 0,812 0,372 0,516 prohořívací kotel odhořívací kotel zplyňovací kotel automat. kotel 0,855 dřevo 2,03 dřevo krbová kamna Obr. 7 Emisní faktory frakcí tuhých částic při spalování hnědého a dřeva Výsledné emisní faktory u odběrů provedených po zásahu obsluhy do spalovacího procesu však vykazují výrazně odlišné hodnoty. Jak je z grafu patrné, nejvýraznější vliv na produkci TZL byl zaznamenán u kotle odhořívacího a kotle prohořívacího. U kotle prohořívacího se emisní faktor u hnědého zvýšil na 16,7 kg/t paliva, coţ představuje 7,5 násobné zvýšení, a u dřeva na 9,60 kg/t paliva, coţ představuje 15,5 násobné zvýšení oproti stabilnímu stavu. Nárůst emisních faktorů u prohořívacího kotle je dán tvorbou velkého mnoţství dehtových látek po přiloţení paliva. U kotle odhořívacího se emisní faktor u hnědého zvýšil na 21,2 kg/t paliva, coţ představuje cca 100 násobné zvýšení, a u dřeva na 4,12 kg/t paliva, coţ představuje 2,4 násobné zvýšení oproti stabilnímu stavu. Nárůst emisních faktorů u odhořívacího kotle po zásahu obsluhy je dán uvolněním tuhých částic zachycených ve vrstvě. U hnědého má vrstva dobrou schopnost zachytávat částice přes ni procházející, při zásahu do vrstvy se však velká část z nich uvolní. Naopak vrstva nad roštem při spalování dřeva nezachytává částice tak výrazně, a proto ani po zásahu do vrstvy se jich tolik neuvolní. U kotle zplyňovacího došlo po zásahu ke sníţení emisních faktorů. Při spalování hnědého se emisní faktor sníţil na / 118 /

5 Podíly z TZL [% hm. ] Energie z biomasy X. odborný seminář Brno ,373 kg/t paliva, coţ představuje sníţení na jednu třetinu hodnoty ve stabilním reţimu. U dřeva došlo ke sníţení na 0,516 kg/t paliva, coţ představuje sníţení na dvě třetiny hodnoty ve stabilním reţimu. Vizuálně bylo pozorováno sesunutí vrstvy po přiloţení, coţ mělo pravděpodobně za následek zvýšený záchyt částic ve vrstvě. Uvolněné částice z vrstvy byly dále zachyceny ve spalovací komoře a dalších tazích, jelikoţ se neopakovala situace pozorovaná po zaroštování u odhořívacího kotle. Po přiloţení bukového dřeva do krbových kamen došlo k nárůstu emisního faktoru na 2,03 kg/t paliva, coţ představuje 2,4 násobné zvýšení. Podobně jako u prohořívacího kotle je tento nárůst dán tvorbou dehtových látek, díky menší dávce paliva a kvalitnějšímu rozvodu spalovacího vzduchu není tento nárůst tak výrazný jako u prohořívacího kotle. 100 roštování TZL PM10 PM2, hnědé prohořívací kotel zplyňovací kotel automat. odhořívací kotel kotel dřevo krbová kamna dřevo užívaný emisní faktor Obr. 8 Podíly frakcí TZL při spalování hnědého a dřeva Z pohledu vlivu na zdraví ţivých organizmů je pozornost věnována malým (respirabilním) frakcím, viz. Obr. 8. Při srovnání stabilních reţimů lze vidět výrazně vyšší produkci jemných frakcí PM 10 i PM 2,5 při spalování dřeva. Úroveň podílu jemných částic je dále ovlivněna pouţitým spalovacím zařízením. Nejvyšší podíly jemných frakcí byly stanoveny u kotle prohořívacího, kde se podíl PM 10 u hnědého pohyboval okolo 88 % a u dřeva přes 98 %. U frakce PM 2,5 se jednalo o 80 % u a téměř 96 % u dřeva. Výrazně niţší podíly jemných frakcí byly pozorovány u ostatních kotlů, a to především při spalování hnědého. Niţší podíl byl stanoven u odhořívacího kotle, další sníţení je patrné u zplyňovacího kotle a nejniţších podílů jemných frakcí bylo dosaţeno u automatického kotle (jen hnědé ) - PM %, PM 2,5 53 %. Niţší produkce jemných frakcí byla zjištěna i při spalování dřeva, i kdyţ pokles oproti prohořívacímu kotli není tak výrazný jako u hnědého. Nejniţší podíly jemných frakcí byly stanoveny při spalování dřeva v krbových kamnech - PM %, PM 2,5 79 %. Zásahem obsluhy do spalovacího procesu došlo k výrazné změně ve velikostním spektru emitovaných částic. Při spalování hnědého došlo zásahem obsluhy vţdy k podstatnému nárůstu jemných frakcí, kdy podíly PM 10 překročily 90 % a podíly PM 2,5 se pohybovaly od 84 do 92 %. Opačný trend byl zjištěn při spalování dřeva, kdy byly po zásahu obsluhy stanoveny většinou menší podíly jemných frakcí. U všech kotlů došlo k poklesu podílů obou jemných frakcí řádově o 2 aţ 5 %. U krbových kamen došlo k mírnému nárůstu podílu jemných frakcí. POROVNÁNÍ VÝSLEDNÝCH EF S V SOUČASNOSTI V ČR UŽÍVANÝMI EF Při porovnání s emisními faktory uţívanými pro roční bilance produkce tuhých znečišťujících látek je patrná odlišnost (viz Obr. 7). Uţívané faktory (vodorovné čáry) jsou vyšší neţ zjištěné měrné emise u sledovaných / 119 /

6 spalovacích zařízení a spalovaných paliv ve stabilních reţimech. Naproti tomuto v případě hodnot EF stanovených při nestabilních reţimech jsou v některých případech jejich hodnoty vyšší neţ pouţívaný EF. U prohořívacího kotle a kamen lze očekávat, ţe pokles produkce TZL po přiloţení nebude prudký, a reprezentativní emisní faktor se tak bude pohybovat kolem průměrné hodnoty. Váţený průměr emisních faktorů respektující délku jednotlivých odběrů určený z hodnot pro stabilní a nestabilní reţim u prohořívacího kotle je 9,59 kg/t paliva u a 3,42 kg/t paliva u dřeva, u kamen pak je 1,38 kg/t paliva. U kotle odhořívacího lze očekávat rychlý pokles k hodnotám zjištěným při stabilním reţimu, navíc má odhořívací kotel delší přikládací periodu a delší spalinovou cestu neţ kotel prohořívací. Z uvedených důvodů se reprezentativní emisní faktory budou pohybovat blízko hodnoty zjištěné pro stabilní reţim. U velikostního spektra lze nalézt výrazný rozdíl mezi uţívanými podíly pro jemné frakce a skutečně zjištěnými podíly. Podíl částic PM 2,5 uţívaný pro kalkulace roční bilance emisí z malých zdrojů, který je v současné době pro 25 % z TZL, je dle zkoušek daleko vyšší, a to v průměru asi 3 krát. Obdobná situace je pozorovatelná i u podílu PM 10. Pouţívaná úroveň 75 % podílu PM 10 z TZL byla pozorována pouze u automatického kotle. Ostatní spalovací zařízení vykazují podíly větší cca o 15 %. Nutno podotknout, ţe za zvýšením podílů jemných částic lze vidět zásahy do spalovacích procesů, nicméně i stabilní reţimy dosud pouţívané podíly vysoce převyšují. U dřeva lze nalézt také rozdíly mezi uţívanými a stanovenými podíly, na rozdíl od hnědého však odchylky nejsou příliš velké a pohybují se v rozmezí -11 aţ +3 %, přičemţ jsou niţší podíly částic PM 2,5. ZÁVĚR Cílem tohoto článku bylo prezentovat stanovené měrné emise tuhých znečišťujících látek a podílů jemných frakcí při spalování hnědého a dřeva ve spalovacích zařízeních odlišné koncepce spalování a dále upozornit na rozdíl mezi zjištěnými hodnotami a emisními faktory uţívanými pro bilance emisí z malých spalovacích zařízení. Jak ukázala měření, jednotlivé malé zdroje, byť spalují stejné palivo, vykazují velké rozdíly v měrných emisích TZL. Aţ na kotel prohořívací byly u všech kotlů stanoveny niţší měrné emise neţ je uţívaný EF. Průměrná hodnota emisního faktoru u kotle prohořívacího převyšuje uţívaný emisní faktor pro hnědé více neţ dvojnásobně, u dřeva se stanovená hodnota téměř shoduje s uţívaným EF. Podobné rozpory lze nalézt i u velikostního rozdělení částic. V současné době v ČR pouţívaný podíl PM % a PM 2,5 25 % vycházel z výsledku experimentů provedených na polských kamnech s polským m [5] a je dnes pouţíván také pro kotle. U zkoušek bylo zjištěno, ţe na rozdíl od pouţívaného rozdělení je ve skutečnosti mnohem větší podíl jemných částic. Uţívané podíly částic PM % a PM 2,5 90 % pro dřevo jsou naopak mírně nadhodnoceny, i kdyţ jsou u prohořívacího kotle překračovány. Jak ukazují prezentované výsledky, skutečnou bilanci emisí výrazně ovlivňuje druhová skladba spalovacích zařízení, přesto se při kalkulaci emisí z důvodu nedostatku informací nezahrnuje. Tento článek vznikl za podpory MŢP v rámci řešení projektu SP/1a3/148/08 Stanovení chemických a toxikologických vlastností prachových částic a výzkum jejich vzniku a GAČR v rámci řešení projektu č. 101/06/P262 Zpřesnění metodiky stanovení emisních faktorů pro malé zdroje spalující tuhá paliva. LITERATURA [1] Národní program sniţování emisí České republiky, Dostupné z [2] BRANIŠ, M. Tříděný odběr vzorků emisí, disertační práce, ČVUT Praha 2009 [3] HÄBERLE, G. a kol. Technika ţivotního prostředí pro školu i praxi, Praha: EUROPA SOBOTÁLES cz, ISBN [4] Příloha č. 2, k vyhlášce č. 205/2009 Sb. [5] Hlawiczka S., Kubica K., Zielonka U., Wilkosz K., Wlasciwosci emisii pylu i metali ciezkich w procesie spalania wengla w paleniskach domowych, Archiwum ochrony srodowiska, 2001, PL ISSN [6] [7] [8] [9] Nařízení vlády č. 597/2006 Sb. / 120 /