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

OCHRANA OVZDUŠÍ

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

Sylabus přednášky 1)

Základní pojmy

2)

Základní znečisťující látky v ovzduší

3)

Technologické procesy v ochraně ovzduší

2

Sylabus přednášky

1)

Základní pojmy

3

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 20-40 km.



Mezosféra - stratosféra - 80 až 85 km.

Termosféra - mezosféra - 640 km.  Exosféra 

- termosféra - 20 000–70 000 km.

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.

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

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.

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)

Základní pojmy Kategorizace zdrojů znečistění 

Stacionární zdroje



Mobilní zdroje

Sylabus přednášky

2)

Základní znečisťující látky v ovzduší

10

Znečisťující látky v ovzduší A. Látky znečišťující ovzduší 1. 2. 3. 4.

Sloučeniny síry Sloučeniny dusíku Sloučeniny uhlíku Tuhé emise (TZL)

B. Globální jevy poškozující ovzduší 5. Smogy 6. Skleníkový efekt 7. Narušování ozonové vrstvy

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 NO2, O3, formaldehydu, rce CO2, CH4 atd…

pomalu odbouratelné látky rozptyl v celém objemu troposféry

Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny síry – SO2, CS2, (CH3)2S SO2 

Fytotoxický



Hlavní podíl na vzniku kyselých dešťů



Zdroj - fosilní paliva

Znečisťující látky v ovzduší SO2

Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny dusíku – NOx N2O, NO, NO2 

Kyselé deště

N2O – skleníkový plyn  fotochemický smog - jsou součástí chemických reakcí vedoucích ke vzniku přízemního ozonu  Zdroje NOX - Stacionární zdroje - Mobilní zdroje - doprava 

Znečisťující látky v ovzduší Sloučeniny uhlíku – CO2, CO, CH4, těkavé látky, PAU, CFC CO2

- Přispívá ke vzniku tzv. skleníkového efektu - Zdroj – spalování

PAU

- Polyaromatické uhlovodíky, benzo(a)pyren, spalování

CFC - Chlor-fluorované uhlovodíky (freony) - Poškození Ozonové vrstvy

Znečisťující látky v ovzduší

Znečisťující látky v ovzduší

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

Znečisťující látky v ovzduší Emise vybraných znečišťujících látek historické porovnání

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

Znečisťující látky v ovzduší SMOG

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%) - CO2, CH4, N2O, CFC, O3

Znečisťující látky v ovzduší Ozonová vrstva Ozonosféra 20- 40 km vychytává škodlivé UV B a UV C záření ( 320 - 180 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

Sylabus přednášky

3)

Technologické procesy v ochraně ovzduší

25

Technologické procesy 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

Technologické procesy Metody

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

27

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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

Technologické procesy Katalytická oxidace

30

Technologické procesy 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

Technologické procesy Metody 3. Biologické Biologické filtry

32

Technologické procesy Čistění ovzduší 1. Odprašovače a odlučovače

2. Odsiřování 3. Denitrifikace

33

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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

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

36

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

37

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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

Technologické procesy 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 (SO2, SO3, Cl-, F-) - obrovské hmotnostní toky těchto látek 42

Technologické procesy 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

Technologické procesy 2. Snižování emisí oxidů síry A. z hlediska regenerace činidla: 

metody (průtočné) neregenerativní - činidlo váže SO2 a vystupuje s ním z procesu, např.: CaCO3 + 2 SO2 + O2 + 4 H2O



2CaSO4.2H2O + 2CO2

metody regenerační

použité činidlo, je regenerováno zpět např. natrium sulfitový proces: Reakce v absorbéru Na2SO3 + SO2 + H2O 2 NaHSO3 Regenerace ohřevem v odparce: 2 NaHSO3 Na2SO3 + SO2 + H2O 44

Technologické procesy 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 + SO2 + 3(6) H2O MgSO3 . 3(6) H2O

- regenerace MgSO3 MgSO4 + C

MgO + SO2 2 MgO + 2 SO2 + CO2 45

Technologické procesy 2. Snižování emisí oxidů síry A. Dle prostředí

Mokré - vypírání SO2 vodnými roztoky alkalicky reagujících látek, např. mokrá vápencová metoda: 2 CaCO3 + 2 SO2 + O2 + 4 H2O

2 CaSO4.2H2O + 2CO2

Suché - sorpční a katalytické procesy probíhající na pevných

sorbentech nebo katalyzátorech při T nad 100°C… 46

Technologické procesy 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda: 2 CaCO3 + 2 SO2 + O2 + 4 H2O

2 CaSO4.2H2O + 2CO2

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

Technologické procesy 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda:

48

Technologické procesy 2. Snižování emisí oxidů síry mokrá vápencová metoda:

49

Technologické procesy 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

Technologické procesy 

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 (600 – 1100 °C) - CaO + SO2 + 0,5 O2 → CaSO4. Fluidní kotle - vyšší účinnost suché aditivní metody - dostatečná doba setrvání aditiva

51

Technologické procesy Snižování emisí oxidů síry

52

Technologické procesy 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

Technologické procesy 3. Snižování emisí oxidů dusíku 

Primární opatření

- potlačení vzniku Nox při spalovacím procesu - levnější



Sekundární opatření

- destrukce již vzniklých NOx

54

Technologické procesy 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

Technologické procesy 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření

1)

selektivní katalytická redukce (SKR) - 80 – 420°C

2) selektivní nekatalytická redukce (SNKR) - 800 – 1100°C Reakce mezi amoniakem a NOx při zvýšených teplotách

56

Technologické procesy 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření Reakce mezi amoniakem (čpavkem) a NOx při zvýšených teplotách 4 NO + 4 NH3 + O2 → 6 NO + 4 NH3 → 6 NO2 + 8 NH3 → 2 NO2 + 4 NH3 + O2

→

4 NO + CO(NH2)2 + O2 → 2 NO + CO(NH2)2 →

4 N2 + 6 H2O 5 N2 + 6 H2O 7 N2 + 12 H2O 3 N2 + 12 H2O

4 N2 + 6 H2O 2 N2 + 2 H2O + CO2

57

Technologické procesy 3. Snižování emisí oxidů dusíku Sekundární opatření

1)

selektivní katalytická redukce (SKR) - 80 – 420°C - katalyzátory na bázi drahých kovů, zeolitů, V2O5, TiO2 - konverze 80% až 90% - Klíčový parametr – objemová rychlost

2) selektivní nekatalytická redukce (SNKR) - 800 – 1100°C - účinnost 50-65 %, investiční náklady 20% SKR - redukce bez katalyzátoru 58

Technologické procesy 3. Snižování emisí oxidů dusíku

59