Prachové ástice v ozduší

ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA 

Prachové ástice v ozduší Michaela ZÁRYBNICKÁ1,*, Marian BRÁZDIL1, Jií POSPÍŠIL1 1

Vysoké uení technické v Brn, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2, Brno 616 69

*Korespondenní autor: [email protected]

Abstrakt Píspvek obsahuje základní informace o vzniku a rozdlení aerosolových ástic. Uvedeny jsou i negativní úinky na zdraví lovka a pírodu. lánek se zabývá i tuhými zneišujícími ásticemi, které jsou pítomny v plynných produktech po spalování. Pro zajímavost jsou uvedeny konkrétní výsledky prašného aerosolu z mících stanic v Brn. Klíová slova: polétavý prach, emise, tuhé zneišující látky, re-emise, bioaerosol

1

Úvod

Ovzduší zejména v obydlených oblastech je kontaminováno zneišujícími látkami, které se do ní dostávají mimo jiné i díky lidské innosti. V eské republice jde o problém s každoroním pekraováním povolených imisních limit. Tyto látky mají nepíznivé úinky na lidské zdraví i na životní prostedí jako celek. Z hlediska zdravotních rizik jsou nejproblematitjší zvlášt jemné ástice. První zmínky o zneištní ovzduší se zaaly objevovat již ve starovku. Jedná se o antické záznamy o nepíjemném zápachu pi spalování uhlí. Ve stedovku zaalo docházet ke zhoršování kvality ovzduší ve velkých mstech (Londýn, Milano, atd.), další negativní rst nastal s nástupem prmyslové revoluce v 19. a 20. století. Bhem 20. století se situace zaíná mnit.

Obr. 1. Koncentrace suspendovaných ástic v Evrop 2010 [3]



Ke spalování uhlí se pidává spalování ropy a ropných produkt a postupující urbanizace. Zneištní ovzduší je problémem velkých mst, prmyslových center a okolí dopravních (silniních) tepen. Na území eské republiky je za sledování zneištní ovzduší zodpovdný eský hydrometeorologický ústav, který provozuje Automatický imisní monitoring (AIM).

2

Prašný aerosol

Existuje velké množství pojm, které se v této problematice objevuje, proto je nutné si nkteré pojmy vysvtlit hned na zaátku. Aerosolové ástice, suspendované ástice, tuhé zneišující látky, prašný aerosol, to vše jsou názvy pro rznorodou sms organických a anorganických ástic rzného skupenství, velikosti, složení a pvodu. Tyto pojmy se pekrývají, nkteré se vztahují ke zpsobu vzorkování, jiné k místu depozice v dýchacím ústrojí. Aerosol definuje sms kapalných a tuhých ástic suspendovaných v plynném prostedí, tak dlouho, aby bylo možné jejich pozorování a mení. Velikost aerosolových ástic se obecn pohybuje v rozmezí 0,001 až 100 μm. Pojem aerosolové ástice je využívám podle eské normy SN EN12341. Pro jednotlivé druhy aerosolu používáme rzné názvy: mlha, dým, kou, prach, smog atd. Suspendované ástice jsou tvoený malými ástekami prachu. Tyto ástice nepsobí na organismus nijak toxicky, ale mechanicky, což znamená, že dráždí dýchací cesty a omezují obrany schopnost organismu. ím jsou tyto ásteky menší, tím lépe mohou proniknout do dýchacího

ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA  ústrojí a tím pádem jsou pro lidský organismus nebezpenjší. Z tohoto dvodu rozlišujeme proto tzv. frakce suspendovaných ástic oznaované zkratkou PMx (particulate matter), které slouží pro oznaení ástic podle aerodynamického prmru, kdy X je oznaení horní meze velikosti ástic v μm, nejastji se objevují PM10, PM2,5, PM1,PM0,1. Tuhými zneišujícími látkami jsou nazývány ástice rzných velikostí tvaru, pvodu, složení, struktury. Tyto ástice jsou za urit teploty a tlaku pítomny v komín, výduchu, výpusti nebo pi mení emisí pítomny v odpadním plynu v pevném skupenství a jsou jim unášeny. Obr. 3. Velikost ástic PM10 a PM2,5 [3]

Obr. 2. Velikost aerosolových ástic. [4]

2. 1 Rozdlení ástic ástice lze dlit podle pvodu na primární a sekundární. Primární ástice se do ovzduší dostávají jako emise ze zdroj zneišujících ovzduší nebo re-emisí již usazených ástic. Primární ástice lze rozdlit podle pvodu na antropogenní zdroj a pírodní zdroj. Mezi antropogenní zdroje emisí patí spalovací procesy v elektrárnách a motorech automobil nebo prmyslová innost. ástice pírodního pvodu vznikají vulkanickou inností, lesními požáry, jde i o prach unášený vtrem nebo bioaerosol, což jsou ástice biologického pvodu (houby, viry, pyl atd.). Sekundární ástice vznikají pímo v ovzduší na základ probíhajících chemických a fyzikálních proces, a také v dsledku zmny skupenství. K velikostnímu popisu ástic se používá již zmínný aerodynamický (ekvivalentní) prmr, který pedstavuje prmr koule s hustotou 1000 kg/m3 se stejnou rychlostí usazování, jakou má píslušná ástice za obvyklých podmínek teploty, tlaku a relativní vlhkosti.

Bžn se rozlišuje tzv. hrubá frakce (coarse particles) o aerodynamickém prmru 2,8-10 μm. Tyto ástice klesají na zemský povrch v ádu hodin, maximáln dn. Jejich penosová vzdálenost od zdroje je velmi krátká. Jemná frakce (fine particles) o prmru 0,1 – 2,5 μm zstávají v atmosfée i nkolik týdn, takže jejich penos je možný až na vzdálenosti tisíc kilometr od zdroje. Ultrajemné ástice (ultrafine particles) jsou o velikosti menší jak 0,1μm. Rzné velikostní frakce obvykle vznikají rozdílnými zpsoby, jinak jsou transformovány, rozdílnými mechanismy jsou odstraovány, liší se i jejich chemické složení a liší se také jejich úinky na zdraví. Chemické složení ástic nalézajících se v atmosfée je dležité pro urení jejich zdroj. Pro jednotlivé velikostní frakce ástic je typické urit složení ástic, závislé na mechanismu jejich vzniku. Pro ástice jemné frakce jsou typické sírany, amoniak, elementární uhlík. Vápník, hliník, kemík, hoík tedy prvky zemské kry jsou obsaženy pedevším v ásticích hrubé frakce. Nkteré látky jako draslík nebo dusinany jsou obsaženy v obou frakcích.

2.2 Dopady na lidské zdraví Hlavní a nejastjší vstup prachu do lidského organismu jsou dýchací cesty. Zdravotní úinky vdechnutých ástic jsou dány jejich velikostí, tvarem a chemickým složením. Vezmeme-li velikost ástic jako jedinou promnou, ve vztahu k možným negativním úinkm na lovka, tak je známou skuteností, že jemné frakce v porovnání s vtšími ásticemi, se dostávají hloubji do dýchací soustavy a setrvávají zde delší dobu. Hrubé prachové ástice jsou zadržovány v horních cestách dýchacích. Pohybem asinkového epitelu, kterým je vystlána nosní dutina, se dostávají se s hlenem do nosohltanu a jsou spolknuty, vykašlány nebo vykýchány. ástice PM10 se mohou usazovat

85

ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA  v prduškách a zpsobovat zdravotní problémy. Jedná se pedevším o kardiovaskulární a plicní systém. Dlouhodobá expozice snižuje délku dožití a zvyšuje kojeneckou úmrtnost. V práci (Horálek et.al., 2007) jsou uvedeny výsledky odhad potu pedasných úmrtí z dvodu dlouhodobých zvýšených koncentrací ástic PM10 nad úrove požadované koncentrace. Pro eskou republiku se odhadnutý poet rovnal hodnot 7443-9366 osob za rok. ástice mohou zpsobovat chronickou bronchitidu a chronické plicní choroby. V dsledku adsorpce organických látek s mutagenními a karcinogenními úinky mže expozice PM10 zpsobovat rakovinu plic.

automobilu s vysokými emisemi. Filtry prachových ástic by bylo dobré prosadit nejen u osobních automobil, ale i autobus mstské hromadné dopravy i nákladních aut bagr, jeáb, dieselových agregát atd.

2.3 Úinky na vegetaci Usazování ástic na povrchu vegetace závisí na velikosti ástic a v menší míe také na jejich chemickém složení. Pokrytí vegetace ásticemi mže zpsobovat jednak mechanické poškození, ale významnjší je interakce na chemické úrovni.

3 Prašný aerosol v ovzduší Brna Koncentrace prašného aerosolu v ovzduší Brna jsou sledovány od roku 1983. Brno, se v 1. pol. msíce bezna v roce 2013 opt zaadilo mezi první msta v eské republice, kde byl pekroen denní limit pro polétavý prach (PM10). Brno bohužel pedstihlo prmyslová severoeská msta jako Most i Ústí nad Labem. eská republika proto pro Brno požádala Evropskou komisi o výjimky z povinnosti dodržování limit, které stanovuje evropská smrnice o ovzduší (2008/50/ES). V eské republice je základním právním pedpisem v oblasti ochrany ovzduší zákon . 201/2012 Sb. Zákon a tato evropská smrnice o ovzduší oficiáln povolují pekroit denní limit 50 μg/m3 pro zneištní prachem po 35 dn bhem kalendáního roku. Podle údaj eského hydrometeorologického ústavu byl tento limit pekroen již 8. bezna 2013. Podle modelového hodnocení kvality ovzduší msta Brna je doprava zodpovdná až za 90 % denních koncentrací prachu. I Praha (monitorovací stanice Praha 2) poátkem msíce dubna, pekroila zákonem povolený poet dní, pro denní limit prachu v ovzduší. ást obyvatel byla nucena dýchat vzduch zamoený pachem více než je legální, a to v dsledku silné automobilové dopravy. V roce 2012 tato monitorovací stanice tento limit pekroila a koncem msíce listopad. Mezi opatení, která by mohla pispt ke zlepšení situace, patí zpoplatnní vjezdu, zavádní dieselových prachových filtr nebo vyhlašování tzv. nízko-emisních zón omezujících vjezd



Obr. 4 Denní prmr suspendovaných ástic PM10 na území R 7. 9. 2013[5]

3.1 Mící stanice Mení mže probíhat nejen standardn prostednictvím sít mících stanic, ale využívají se letadla a automobily. Mení je tedy možné provádt prakticky kdekoliv s velkým územním rozsahem v krátké asové dob. V Brn existuje hned nkolik automatizovaných stanic, jedná se o lokality: Brno-Arboretum, Lány, Svatoplukova, Výstavišt, Zvonaka, Brno-sted, Úvoz. Všechny tyto stanice udávají aktuální hodnoty o koncentraci PM10, SO2, NO2, O3 atd. Každá tato stanice je ovlivována svým okolím, ve kterém je situována a meteorologickými faktory, které mají velký vliv na šíení zneišujících látek. Jedná se pedevším o vertikální teplotní gradient, rychlost vtru, atmosférické srážky, teplota vzduchu a vliv zemského povrchu.

4 Detekce prachových ástic ve spalinách kotle na biomasu Podle nového zákona . 201/2012 o ochran ovzduší budou muset do roku 2022 kotle na pevná paliva o jmenovitém tepelném píkonu do 300 kW splovat urité emisní tídy. Zákon vyžaduje provozovat kotle, které plní stanovené emisní parametry, je to z dvodu již zmínných problému s kvalitou ovzduší v eské republice. Pibližn 40% celkových emisí zpsobených prachem v eské Republice se do vnjšího ovzduší dostává práv spalováním zejména deva a uhlí v starých kotlech o tepelném píkonu do 300 kW.

ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA  V souasné dob probíhají pípravy na experimentální mení na našem ústavu zabývající se konkrétn detekcí prachových ástic ve spalinách kotle na biomasu. Spalování biomasy je moderní zpsob získávání tepelné energie. Jako palivo lze využít devní štpku, slámu, konopí, kukuiné klasy a další pevážn odpadní pírodní materiály. Spaliny vznikající pi spalování biomasy jsou specifické pedevším obsahem vodní páry, lehkého polétavého popílku a plyn jako oxid uhliitý, oxid uhelnatý, oxid siiitý, oxid dusíku. Prach ve spalinách mže mít rzný tvar a velikost, a mže se vyskytovat v rzných koncentracích. Charakterizace tvaru a velikosti je u nanometrických a submikronových ástic velmi složitá, protože tyto ástice nelze mit klasickými metodami. Osamocené ástice se v pírod ani v technické praxi nevyskytují, je tedy poteba charakterizovat ásticový systém, který obsahuje ohromné množství ástic. Ze zkoumaného média se odebírá vzorek, který je následn charakterizován po stránce koncentrace a velikostní distribuce pítomných ástic. Mezi nejastji využívané metody, používané k charakterizaci ásticových systém patí laserová difrakce, která využívá teorii rozptylu laserového paprsku pi prchodu prostedím obsahujícím pítomné ástice. Našim cílem bude experimentální studium koncentrace a velikostní distribuce submikronových ástic aerosolu, v rozsahu 10 - 1000 nm, ve spalinách kotle spalujícího biomasu. Snahou bude zjistit závislost tvorby a velikosti ástic na mnících se podmínkách spalovacího procesu a rychlosti ochlazování spalin. Konkrétn bude sledován vliv základních vlastností paliv (vlhkost, složení, velikost), pebytek spalovacího vzduchu, teplota spalování, vychlazení spalin, doba setrvání spalin v kouovodu.

úsporné a ekologické vytápní rodinných domk. Tento typ kotle je užíván na pracovišti VUT v Brn, EÚ OEI jako experimentální spalovací zaízení. Jedná se o kotel se šnekovým dopravníkem. Spaliny proudí plamencem a výmníkem, kde dochází k pedání tepla do topné vody. Ochlazené spaliny odchází výstupním hrdlem do komína. Jmenovitý výkon kotle je 25 kW. Na kouovodu kotle budou vytvoena odbrová místa pro analýzu submikronových ástic. Odbrová místa budou tvoena odbrovými trubkami a termolánky pro mení lokální teploty spalin. Pro cílené ochlazování spalin bude využito stávajícího experimentálního zaízení, umístného vn kotle, které je vybaveno žebrovanými chladii zapuštnými do spalinovodu a vodním okruhem. Úpravou chladicí smyky bude možné ízené ochlazování spalin. Vzorek spalin bude odebírán v odbrových místech v ose kouovodu izokinetickou sondou. Vzorek bude možné v pípad velké koncentrace ástic edit. Naedný roztok spalin bude dále proudit do micího systému SMPS. Získané datové výsledky budou vyhodnoceny a porovnány v závislosti na mnících se paramentech experimentálního mení.

Obr. 6 Condensation particle Counter 3775[6]

4.1

Mící technika

Celé mení velikostní distribuce a poetní koncentrace ástic bude probíhat na pístrojích od spolenosti TSI, která navrhuje a vyrábí pístroje pro mení aerosol, proudní vzduchu, dynamiky tekutin atd. Mezi vybavení, které se nachází na Energetickém ústavu, patí Electrostatic Classifier 3080L (Obr. 6). Tento klasifikátor detekuje ástice od velikosti 10-1000 nm, princip funkce je založen na identifikaci mobility ástic v elektrostatickém poli. Poskytuje monodisperzní aerosol pro následné poetní hodnocení, k tomuto je využito skenování se zmnou elektrostatického naptí v DMI. Obr. 5 Electrostatic Classifier 3080L [6] Koncentrace a velikost ástic bude experimentáln zjišována na automatickém teplovodním kotli typu Verner A251.1, který je uren pro komfortní,

íta ástic Condensation Particle Counter 3775 (Obr. 6) je azen za klasifikátor. íta využívá principu laserové difrakce a identifikuje stice od 4 nm. Dležitý údaj je koncentraní rozsah detekce 0-

87

ENERGIE Z BIOMASY XIV, 10. - 12. 9. 2013 LEDNICE, ESKÁ REPUBLIKA  107 ástic/cm3. ástice jsou ped identifikací zvtšeny ízenou kondenzací butanolu na primárních ásticích. Pro ední a temperování aerosol o velké koncentraci ástic slouží Rotating Disk Thermodiluter 379020A (Obr. 7). edící pomr je 1:1 - 1:30. Umožuje úpravu vzorku odebraných z výfukových potrubí a spalinových kanál, je umístn ješt ped klasifikátor. Posledním pístrojem je Aerosol Generator 3079(Obr. 8), který umožuje generovat aerosol v množství 1-4,2 l/min, o koncentraci ástic v aerosolu 108 ástic /cm3.

slovník aerosolových termín. 2007. [3] Stop prach. [cit.2013-05-09].http://www.stopprach.cz/text-problem-prach [4] Alergie a její pvodci. Avair.cz. 2012 [cit.2013-05-09]. http://www.avair.cz/alergie-ajeji-puvodci.php [5] eský hydrometeorologický ústav. [cit.2013-0509].http://vvv.chmi.cz/cistota_ovzdusi.html [6] TSI Understanding, Accelerated. [cit.2013-0509].http://www.tsi.com/Products/ [7] SN EN 12341. Kvalita ovzduší – Stanovení frakce PM10 aerosolových ástic – Referenní metoda a postup pi terénní zkoušce ovení požadované tsnosti shody mezi výsledky hodnocené a referenní metody. Praha: NI, 2000. [8] Zákon . 201/2012 Sb. O ochran ovzduší, In: Sbírka zákon. 2012. [9] SN ISO 7708. Kvalita ovzduší – Definice velikostních frakcí ástic pro odbr vzork k hodnocení zdravotních rizik. Praha: NI, 1998.

Obr. 7 Rotating Disk Thermodiluter 379020A[6]

Obr. 8 Aerosol Generator 3079[6]

Podkování Tento lánek vznikl za podpory Projektu specifického výzkumu FSI VUT v Brn BD13302018.

Použitá literatura [1] BARON, P. A. a K. WILLEKE. Aerosol Measurement: Principles, Techniques and Applications. Second edition. USA, 2001. ISBN 0-471-35636-0. [2] DOHÁNYOSOVÁ, P., L. KUBINCOVÁ, J. SMOLÍK, J. SCHWARZ a V. ŽDÍMAL. LABORATO CHEMIE A FYZIKY AEROSOL , Ústav chemických proces AV R, eská aerosolová spolenost. Výkladový

88