OCHRANA OVZDUŠÍ. Ing. Petr Stloukal Ph.D. Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

Transkript

1 OCHRANA OVZDUŠÍ Ing. Petr Stloukal Ph.D. Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

2 Sylabus přednášky 1) Základní pojmy 2) Základní znečisťující látky v ovzduší 3) Technologické procesy v ochraně ovzduší 2

3 Sylabus přednášky 1) Základní pojmy 3

4 Základní pojmy Atmosféra vertikální členění Troposféra povrch země - 7 km až 17 km. Teplota klesá s nadmořskou výškou. Stratosféra - troposféra - 50 km. Teplota vzrůstá s nadmořskou výškou. Ozonová vrstva km. Mezosféra - stratosféra - 80 až 85 km. Termosféra - mezosféra km. Exosféra - termosféra km.

5 Základní pojmy Legislativa Zákon č. 201/2012 Sb - o ovzduší emisní limit - míra povoleného znečišťování ovzduší - nejvyšší přípustné množství znečišťující látky vypouštěné do ovzduší ze zdroje znečišťování, vyjádřené jako koncentrace znečišťující látky v odpadních plynech imisní nebo depoziční limit - míra povoleného znečištění - nejvýše přípustná hmotnostní koncentrace znečišťující látky obsažená v ovzduší.

6 Základní pojmy Legislativa Zákon č. 201/2012 Sb - o ovzduší Příloha č. 1. Imisní limity a povolený počet jejich překročení za kalendářní rok

7 Základní pojmy Atmosférické depozice proces samočištění atmosféry - přenos látek z atmosféry k zemskému povrchu, - hmotnost sledované látky na jednotku plochy za určitou časovou jednotku (g. m -2 za rok, kg. km -2 za rok) Pozitivní význam - odstraňování znečišťujících látek z atmosféry Negativní význam, - látky z ovzduší přecházejí do jiných složek prostředí, (hydrosféra, pedosféra, litosféra či biosféra) a tím způsobuje jejich znečištění.

8 Základní pojmy Atmosférické depozice Mokrá depozice - Samočistění spojené s atmosférickými srážkami Dělíme: - horizontální (usazené) mlha, námraza, jinovatka - vertikální (padající) déšť, sníh, kroupy - Významnější v oblastech bez vlastních zdrojů emisí. - Acidifikace Suchá depozice - v důsledku jiných procesů samočištění ovzduší, než procesů vymývání - převládá v blízkosti emisních zdrojů (města a průmyslové aglomerace)

9 Základní pojmy Kategorizace zdrojů znečistění Stacionární zdroje Mobilní zdroje

10 Sylabus přednášky 2) Základní znečisťující látky v ovzduší 10

11 Znečisťující látky v ovzduší A. Látky znečišťující ovzduší 1. Sloučeniny síry 2. Sloučeniny dusíku 3. Sloučeniny uhlíku 4. Tuhé emise (TZL) B. Globální jevy poškozující ovzduší 5. Smogy 6. Skleníkový efekt 7. Narušování ozonové vrstvy

12 Znečisťující látky v ovzduší Podmínky rozptylu škodlivin v ovzduší atmosférické proudění přítomnost a stav vlhkosti teplotní zvrstvení atmosféry chemické změny - vliv jak na dobu setrvání, škodlivost nebo způsob působení. - chemie atmosféry, reakce homogenní, heterogenní - např. Fotolýza NO 2, O 3, formaldehydu, rce CO 2, CH 4 atd pomalu odbouratelné látky rozptyl v celém objemu troposféry

13 Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny síry SO 2, CS 2, (CH 3 ) 2 S SO 2 Fytotoxický Hlavní podíl na vzniku kyselých dešťů Zdroj - fosilní paliva

14 Znečisťující látky v ovzduší SO2

15 Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny dusíku NOx N 2 O, NO, NO 2 Kyselé deště N 2 O skleníkový plyn fotochemický smog - jsou součástí chemických reakcí vedoucích ke vzniku přízemního ozonu Zdroje NO X - Stacionární zdroje - Mobilní zdroje - doprava

16 Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny uhlíku CO 2, CO, CH4, těkavé látky, PAU, CFC CO 2 - Přispívá ke vzniku tzv. skleníkového efektu - Zdroj spalování PAU - Polyaromatické uhlovodíky, benzo(a)pyren, spalování CFC - Chlor-fluorované uhlovodíky (freony) - Poškození Ozonové vrstvy

17 Znečisťující látky v ovzduší

18 Znečisťující látky v ovzduší

19 Znečisťující látky v ovzduší Tuhé znečisťující látky Přenos do ostatních složek ŽP pomocí depozice Čím menší průměr částice má, tím déle zůstane v ovzduší Limity pro jednotlivé frakce (PMx etc) Toxické působení látek obsažených v aerosolu Ovlivňují energetickou bilanci Země Ovlivňují počasí

20 Znečisťující látky v ovzduší Emise vybraných znečišťujících látek historické porovnání

21 Znečisťující látky v ovzduší SMOG - jev, kdy je atmosféra obohacena o složky, které v ní normálně nejsou a které jsou škodlivé pro zdraví. Londýnský (redukční, zimní) - směs kouře a mlhy, převážne oxidy síry a dalších plynných zplodin, - typicky v zimních podmínkách s přízemními inverzeními teplotami - vysoká škodlivost se zde stupňuje přítomností popílku. Los Angelský (oxidační, letní) - směs ozónu, peroxyacetylnitrátu, aldehydu a kyseliny sírové - vznikající působením UV záření z oxidu dusíku, uhlovodíku a oxidu siřičitého. -silné oxidační, agresivní, dráždivé a toxické účinky

22 Znečisťující látky v ovzduší SMOG

23 Znečisťující látky v ovzduší Skleníkový efekt atmosféra způsobuje ohřívání planety snadno propouští sluneční záření tepelné záření vyzařované z povrchu planety účinně absorbuje nezbytný předpoklad života na Zemi skleníkové plyny: - vodní pára (60%) - CO 2, CH 4, N 2 O, CFC, O 3

24 Znečisťující látky v ovzduší Ozonová vrstva Ozonosféra km vychytává škodlivé UV B a UV C záření ( nm) Škodlivé UV záření působí na živé organismy jako mutagen, výsledkem jsou nádorová onemocnění očí a kůže. Ohrožena freony - chlorované a fluorované uhlovodíky obsažené v chladících směsích a stlačných plynech sprejů

25 Sylabus přednášky 3) Technologické procesy v ochraně ovzduší 25

26 Charakteristika emisí z průmyslových zdrojů Emise se liší ve složení a v průtocích Pro správnou volbu čistícího zařízení nutno znát - Celkové složení - Koncentrace - Hmotnostní či objemový tok emisí - Teplota odpadních plynů - Tlak - Vlhkost, koncentrace tuhých příměsí, rosný bod.. aj 26

27 Metody 1. Mokré absorpce 2. Suché Adsorpce Termické zneškodnění (spalování) Katalytické zneškodnění 3. Biologické 27

28 Metody 1. Mokré absorpce Znečištěný plyn je propírán v prací kapalině Efektivnost ovlivňována hlavně: plochou styku kapalné a plynné fáze dobou zdržení Technické problémy: - snaha o co největší plochu při co největší době zdržení X - snaha o co největší intenzitu proudění při co nejmenší tlakové ztrátě 28

29 Metody 2. Suché Adsorpce - sorpce na povrchu tuhého sorbentu (fyzikální, chemická) - recyklace odloučené složky Spalování - v případě spalitelnosti nejlepší řešení - produkty nesmí být toxické Katalytická oxidace - nelze-li provést spalování (energ. náročnost aj.) - Oxidační katalyzátory - Snížení reakční teploty, Zvýšení reakční rychlosti a zvýšení výkonu - drahé kovy (Pt, Pd, Rh a jejich směsi) - vyšší cena, katalytické jedy 29

30 Katalytická oxidace 30

31 Metody 3. Biologické Využití přírodních dějů Ekonomicky výhodné postupy (investičně i provozně) Dělení dle nosiče mikroorganismů : Biologické filtry - pevná fáze - biofiltry (nosiče: kůra, rašelina, kompost) Biologické pračky - Kapalná fáze (MO ve vodě) - škodliviny převedeny do vodné fáze Principielně totožné procesy 31

32 Metody 3. Biologické Biologické filtry 32

33 Čistění ovzduší 1. Odprašovače a odlučovače 2. Odsiřování 3. Denitrifikace 33

34 1. Odprašovače a odlučovače Prašné emise - Spalování a další činnosti (drcení, mletí, důlní činnost) Tuhá paliva - popílek (odlučovače), škvára (z kotle) Kapalná paliva - saze (amorfní uhlík) Plynná paliva - netvoří TZL Typy odlučovačů Mechanické - Suché (usazovací komory, žaluziové, vírové) - Mokré (vírové mokré, hladinové, pěnové, proudové) Tkaninové (filtry) Elektrostatické 34

35 Suché mechanické odlučovače Základní vlastnosti - odlučivost, objemový průtok plynu (vzduchu), tlaková ztráta - gravitační a setrvačný princip - odlučivost 2 až 100 μm - nízká odlučivost pro jemné frakce Typy - usazovací komory - žaluziové odlučovače - vírové odlučovače 35

36 Suché mechanické odlučovače Usazovací komory - vliv gravitační síly po snížení rychlosti plynu - větší částice - dnes se již nepoužívají 36

37 Suché mechanické odlučovače Setrvačné odlučovače - slouží k předčištění - princip setrvačnosti přes různé přepážky (žaluzie) - málo účinné pro malé částice 37

38 Suché mechanické odlučovače Virové odlučovače (virníky, cyklóny) - předčištění - princip odstředivé síly (spirálový pohyb ve válcové komoře) - zpomalení u stěny zařízení - málo účinné pro malé částice, abraze 38

39 Mokré mechanické odlučovače Mokrý virový odlučovač - princip podobny jako suchý, ale prach na stěně oplachování - vysoká účinnost i pro částice o velikosti 1 µm - vznik kalu kalové hospodářství (usazování) 39

40 Tkaninové Odlučování probíhá ve filtrační vrstvě Nejčastější způsob odlučování částic Vysoká účinnost nad 99% Použití: - vláknitých vrstev - zrnité hmoty - porézní hmoty Regenerace - u průmyslových zařízení - zpětným tokem, otřepáváním, tlakové nárazy 40

41 Elektrostatické odlučovače Princip elektrostatické síly Sršící/nabíjecí elektroda - částice nabíjeny v elektrostatickém poli - malá plocha Sběrací/srážecí elektroda - opačný náboj, velká plocha, oklepávání Účinnost - čím vyšší napětí tím vyšší účinnost - vysoká účinnost až 99% - odlučují částice i 0.01 um Malá tlaková ztráta 41

42 2. Snižování emisí oxidů síry Metody: Preventivní, Koncové (end of pipe) Základní způsoby spalování nízkosirnatých paliv odsiřování uhlí odsiřování spalin Odsiřování spalin Charakteristika emisí - nízké koncentrace znečišťujících látek ve spalinách (SO 2, SO 3, Cl -, F - ) - obrovské hmotnostní toky těchto látek 42

43 2. Snižování emisí oxidů síry Dělení metod A. z hlediska regenerace činidla: - metody průtočné - metody regenerační B. z hlediska fáze: - mokré metody - suché metody - polosuché metody 43

44 2. Snižování emisí oxidů síry A. z hlediska regenerace činidla: metody (průtočné) neregenerativní - činidlo váže SO 2 a vystupuje s ním z procesu, např.: CaCO SO 2 + O H 2 O 2CaSO 4.2H 2 O + 2CO 2 metody regenerační použité činidlo, je regenerováno zpět např. natrium sulfitový proces: Reakce v absorbéru Na 2 SO 3 + SO 2 + H 2 O 2 NaHSO 3 Regenerace ohřevem v odparce: 2 NaHSO 3 Na 2 SO 3 + SO 2 + H 2 O 44

45 2. Snižování emisí oxidů síry A. z hlediska regenerace činidla: Magnezitová regenerační metoda - absorpce do suspenze oxidu hořečnatého - regenerace - krystaly siřičitanu hořečnatého se tepelně rozkládají na oxid hořečnatý (zpět do procesu), a na oxid siřičitý (dále na kyselinu sírovou nebo elementární síru) - při teplotách nad 800 C - hlavní reakce MgO + SO 2 + 3(6) H 2 O - regenerace MgSO 3 MgO + SO 2 MgSO 4 + C 2 MgO + 2 SO 2 + CO 2 MgSO 3. 3(6) H 2 O 45

46 2. Snižování emisí oxidů síry A. Dle prostředí Mokré - vypírání SO 2 vodnými roztoky alkalicky reagujících látek, např. mokrá vápencová metoda: 2 CaCO SO 2 + O H 2 O 2 CaSO 4.2H 2 O + 2CO 2 Suché - sorpční a katalytické procesy probíhající na pevných sorbentech nebo katalyzátorech při T nad 100 C 46

47 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda: 2 CaCO SO 2 + O H 2 O 2 CaSO 4.2H 2 O + 2CO 2 vypírání oxidu siřičitého vodní suspenzí vápna nebo vápence dosahuje běžně účinnosti 90 95%. neutralizace kyselých složek spalin zásaditými složkami sorbentu řídícím mechanismem procesu je odpor proti difuzi v kapalné fázi produkt odsíření energosádrovec - stabilizátor tuhnutí do cementu, omítky, sádrové deskové materiály 47

48 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda: 48

49 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda: 49

50 2. Snižování emisí oxidů síry Suché Metody spočívají v dávkování suchého sorbentu do uhlí nebo do spalin v libovolné fázi spalovacího procesu. Patří k nim například: - spalování uhlí s příměsí vápenatých sorbentů - dávkování suchého sorbentu do různých úrovní kotle - dávkování suchého sorbentu do spalin za kotel heterogenní reakce tuhá látka plyn vápenec musí být dostatečně rozemlet 50

51 2. Snižování emisí oxidů síry Suché spalování uhlí s příměsí vápenatých sorbentů 1. Kalcinace vápence (nad 900 C) - CaCO3 CaO + CO2 2. Rce CaO se SO2 ( C) - CaO + SO2 + 0,5 O2 CaSO4. Fluidní kotle - vyšší účinnost suché aditivní metody - dostatečná doba setrvání aditiva 51

52 Snižování emisí oxidů síry 52

53 3. Snižování emisí oxidů dusíku NOx NO + NO2 + minoritně N2O, N2O3 Vznik (větší podíl na mobilní zdroje) - při jakémkoli spalovacím procesu - při výrobě kyseliny dusičné - další chemické procesy Dělíme na Vysokoteplotní NOx - oxidací vzduchu ze spalovacího vzduchu za vysoké teploty Palivové NOx oxidací chemicky vázaného dusíku v palivu Promptní z chemicky vázaného dusíku radikálovými reakcemi 53

54 3. Snižování emisí oxidů dusíku Primární opatření - potlačení vzniku Nox při spalovacím procesu - levnější Sekundární opatření - destrukce již vzniklých NOx 54

55 3. Snižování emisí oxidů dusíku Primární opatření Nestechiometrické spalování paliva - Vzduch primární podstechiometrické množství O2 (nedokonalé spálení) - Vzduch sekundární dohoření paliva - Omezení tvorby palivového NOx, ale i vysokoteplotního nižší teploty plamene Redukce palivového NOx - hlavní podíl v nízkoemisním hořáku - do horkých spalin další podíl paliva (7-15%) - vznik redukční zóny z paliva radikály uhlovodíků reagují s NOx za vzniku N2. 55

56 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření 1) selektivní katalytická redukce (SKR) C 2) selektivní nekatalytická redukce (SNKR) C Reakce mezi amoniakem a NOx při zvýšených teplotách 56

57 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření Reakce mezi amoniakem (čpavkem) a NOx při zvýšených teplotách 4 NO + 4 NH3 + O2 4 N2 + 6 H2O 6 NO + 4 NH3 5 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 7 N H2O 2 NO2 + 4 NH3 + O2 3 N H2O 4 NO + CO(NH2)2 + O2 4 N2 + 6 H2O 2 NO + CO(NH2)2 2 N2 + 2 H2O + CO2 57

58 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření 1) selektivní katalytická redukce (SKR) C - katalyzátory na bázi drahých kovů, zeolitů, V2O5, TiO2 - konverze 80% až 90% - Klíčový parametr objemová rychlost 2) selektivní nekatalytická redukce (SNKR) C - účinnost %, investiční náklady 20% SKR - redukce bez katalyzátoru 58

59 3. Snižování emisí oxidů dusíku 59