Výrobní a environmentální technologie

Doc. Ing. Vladimír Lapčík, CSc.

___________________________________________________________________

Výrobní a environmentální technologie ___________________________________________________________________

Ostrava 2008 FRVŠ 2444/2008/F1/b

2

Vladimír Lapčík Výrobní a environmentální technologie ________________________________________________________________________________________________________________

Obsah Předmluva

s. 10

1. Výroba surového železa a litiny 1.1 Technické železo 1.1.1 Surová železa 1.1.1.1 Šedé a bílé surové železo 1.1.1.2 Speciální surová železa 1.1.2 Kujná železa 1.1.2.1 Ocel uhlíková a slitinová 1.1.2.2 Ocel ingotová 1.1.2.3 Ocelová litina, elektrolytické železo 1.2 Výroba surového železa 1.2.1 Suroviny pro výrobu surového železa 1.2.1.1 Železná ruda 1.2.1.2 Palivo pro vysokou pec 1.2.1.3 Struskotvorné přísady 1.2.1.4 Vzduch pro vysokou pec 1.2.2 Vysoká pec 1.2.2.1 Produkty vysoké pece 1.2.2.2 Výkonnost vysoké pece 1.3 Výroba litiny 1.3.1 Šedá litina 1.3.2 Ostatní druhy litiny 1.3.2.1 Očkovaná litina 1.3.2.2 Tvárná litina 1.3.2.3 Tvrzená litina 1.3.2.4 Temperovaná litina 1.4 Vliv výroby surového železa na životní prostředí 1.4.1 Aglomerace rud 1.4.1.1 Emise 1.4.1.2 Odpadní vody 1.4.1.3 Odpady 1.4.2 Vysoké pece 1.4.2.1 Emise 1.4.2.2 Odpadní vody 1.4.2.3 Odpady

s. 11

2. Výroba oceli 2.1 Výroba oceli v plamenných pecích (martinských) 2.1.1 Martinské pece 2.1.2 Talbotův pochod 2.1.3 Kombinované pochody 2.2 Výroba oceli v konvertorech 2.2.1 Bessemerův způsob 2.2.2 Thomasův způsob 2.2.3 Kyslíkové konvertory 2.3 Výroba oceli v elektrických pecích 2.3.1 Obloukové pece

s. 28

3


2.3.2 Indukční pece 2.4 Odlévání oceli 2.4.1 Odlévání do kokil a do slévárenských forem 2.4.2 Kontinuální odlévání oceli 2.5 Vliv výroby oceli na životní prostředí 2.5.1 Emise 2.5.1.1 Martinské pece 2.5.1.2 Tandemové pece 2.5.1.3 Konvertory 2.5.1.4 Elektrické pece 2.5.2 Odpadní vody 2.5.3 Odpady 3. Tváření kovů za tepla a za studena 3.1 Ohřívací pece 3.2 Válcování plochých a tvarových materiálů a plechů 3.2.1 Dvouválcová stolice (duo) 3.2.2 Dvouválcová stolice vratná (reverzní) 3.2.3 Trojválcová stolice 3.2.4 Univerzální stolice 3.2.5 Výrobky válcoven 3.3 Výroba trubek, tažení drátu 3.3.1 Výroba trubek 3.3.2 Výroba bezešvých trubek 3.3.2.1 Mannesmannův způsob výroby bezešvých trubek 3.3.2.2 Stiefelův způsob výroby bezešvých trubek 3.3.3 Tažení drátu 3.4 Kování, lisování, stříhání 3.4.1 Kovací stroje 3.4.1.1 Buchary 3.4.1.2 Lisy 3.4.2 Ruční kování 3.4.3 Strojní kování 3.4.3.1 Volné strojní kování 3.4.3.2 Kování zápustkové 3.4.3.3 Rotační kování 3.4.4 Tváření (lisování) kovů za studena 3.4.4.1 Lisovací nástroje a pomocné nářadí 3.4.4.2 Přestřihávání 3.4.4.3 Prostřihávání 3.4.4.4 Děrování 3.4.4.5 Ostřihávání 3.4.4.6 Ohýbání 3.4.4.7 Tažení 3.5 Vliv tváření kovů na životní prostředí 3.5.1 Válcovny 3.5.1.1 Emise 3.5.1.2 Odpadní vody 3.5.1.3 Odpady 3.5.2 Povrchové úpravy kovů

s. 40

4


3.5.2.1 Odpadní vody 3.5.2.2 Odpady 4. Slévárenství 4.1 Postup výroby odlitků 4.1.1 Modely 4.1.2 Jaderníky 4.1.3 Šablony 4.1.4 Formovací materiály a jejich úprava 4.1.4.1 Základní formovací materiály netrvalých forem 4.1.4.2 Zvláštní slévárenské písky 4.1.4.3 Pomocné formovací látky 4.1.4.4 Úprava formovacích materiálů 4.1.5 Výroba forem a jader 4.1.5.1 Formovací rámy 4.1.5.2 Formovací nářadí 4.1.5.3 Vtoková soustava 4.1.6 Formování ruční 4.1.6.1 Otevřená forma 4.1.6.2 Uzavřené formy 4.1.6.3 Formování do země 4.1.6.4 Formování šablonováním 4.1.7 Formování strojní 4.1.7.1 Lisovací stroje (lisy) 4.1.7.2 Střásací formovací stroje 4.1.7.3 Metací formovací stroje (pískomety) 4.1.7.4 Formovací stroje na jádra 4.1.8 Trvalé formy (kokily) 4.1.9 Tavení kovů a slitin, lití kovů a slitin 4.2 Zvláštní způsoby lití 4.2.1 Lití pod tlakem 4.2.2 Odstředivé lití 4.2.3 Sklopné lití 4.2.4 Lití metodou vytavitelných a spalitelných modelů 4.2.5 Lití do skořepinových forem 4.3 Čištění a úprava odlitků 4.4 Vliv slévárenských procesů na životní prostředí 4.4.1 Emise 4.4.2 Odpadní vody 4.4.3 Odpady 5. Strojírenství 5.1 Základy strojního obrábění 5.1.1 Mazání a chlazení 5.1.2 Materiál na nástroje 5.1.2.1 Oceli uhlíkové a legované 5.1.2.2 Slinuté karbidy 5.1.2.3 Keramické materiály 5.1.2.4 Diamant 5.2 Soustružení

s. 59

s. 78

5


5.2.1 Hrotový soustruh 5.2.1.1 Lože 5.2.1.2 Vřeteník 5.2.1.3 Koník 5.2.1.4 Suport 5.2.1.5 Posuvové mechanismy 5.2.1.6 Upínání obrobků na soustruhu 5.2.2 Lícní soustruh 5.2.3 Svislý soustruh 5.2.4 Revolverové soustruhy 5.2.5 Soustružnické automaty, poloautomaty, speciální soustruhy 5.3 Vrtání a vyvrtávání 5.3.1 Vrtačky 5.3.2 Horizontální vrtací a vyvrtávací stroje 5.4 Frézování 5.4.1 Frézy 5.4.2 Frézky 5.4.2.1 Vodorovná frézka 5.4.2.2 Univerzální frézka 5.4.2.3 Svislá frézka 5.4.2.4 Rovinné frézky 5.4.2.5 Frézky kopírovací a speciální 5.5 Broušení 5.5.1 Brusné látky 5.5.2 Brousicí stroje 5.5.2.1 Vodorovná rovinná bruska 5.5.2.2 Svislá rovinná bruska 5.5.2.3 Stroje k broušení rotačních ploch 5.5.2.4 Univerzální hrotová bruska 5.5.2.5 Speciální brousicí stroje 5.5.3 Jemné broušení 5.6 Hoblování a obrážení 5.6.1 Hoblovací stroje 5.6.2 Obrážecí stroje 5.7 Vliv strojírenských výrob na životní prostředí 5.7.1 Tuhé a kapalné odpady 5.7.2 Emise 6. Těžba nerostných surovin 6.1 Hlubinná těžba a její vliv na životní prostředí 6.1.1 Vliv hlubinného dobývání na povrch 6.1.2 Hlušinové hospodářství 6.1.3 Důlní a odpadní vody 6.1.3.1 Důlní vody 6.1.3.2 Odpadní vody z úpraven 6.1.4 Znečišťování ovzduší 6.1.5 Rekultivace 6.2 Povrchová těžba a její vliv na životní prostředí 6.2.1 Posuzování vlivů povrchové těžby na životní prostředí 6.2.1.1 Zábor půdy

s. 103

6


6.2.1.2 Vlivy na povrchové a podzemní vody a na půdu 6.2.1.3 Hluk 6.2.1.4 Vliv na krajinný ráz 6.2.1.5 Emisně – imisní situace 7. Koksárenství 7.1 Emise 7.2 Odpadní vody 7.3 Odpady

s. 115

8. Energetika 8.1 Tepelná energetika 8.1.1 Přeměna energie v tepelné elektrárně 8.1.2 Parní kotle 8.1.3 Typy parních kotlů 8.1.4 Působení tepelné energetiky na životní prostředí 8.1.4.1 Emise 8.1.4.2 Odpadní vody 8.1.4.3 Odpady 8.1.5 Technologie pro snižování plynných emisí z energetiky 8.1.5.1 Odsiřování 8.1.5.2 Denitrifikace 8.1.5.3 Redukce oxidu uhličitého 8.2 Jaderná energetika 8.2.1 Jaderná elektrárna 8.2.1.1 Jaderné reaktory 8.2.1.2 Jaderný palivový cyklus 8.2.1.3 Hospodaření s vyhořelým palivem 8.2.2 Působení jaderné energetiky na životní prostředí 8.2.2.1 Radioaktivní odpady z palivového cyklu jaderných elektráren 8.2.2.2 Radioaktivní odpady z anomálních stavů a z likvidace jaderných elektráren 8.3 Obnovitelné zdroje energie 8.3.1 Vodní elektrárny 8.3.1.1 Rozdělení vodních turbín 8.3.1.2 Vztahy mezi spádem, průtokem, výkonem a účinností vodních turbín 8.3.1.3 Vliv vodních elektráren na životní prostředí 8.3.2 Větrné elektrárny 8.3.2.1 Technické řešení větrných elektráren 8.3.2.2 Výpočet elektrického výkonu větrné elektrárny 8.3.2.3 Vliv větrných elektráren na životní prostředí

s. 120

9. Doprava 9.1 Exhalace spalovacích motorů 9.2 Možnosti snižování emisí ze silniční dopravy 9.2.1 Emisní limity pro spalovací motory 9.2.2 Exhalace zážehových spalovacích motorů 9.2.3 Exhalace vznětových spalovacích motorů 9.3 Alternativní paliva a pohony

s. 160

7


10. Chemický průmysl 10.1 Velkoobjemové anorganické výroby základních chemikálií 10.1.1 Výroba technických plynů 10.1.2 Výroba amoniaku 10.1.3 Výroba kyselin 10.1.4 Výroba hydroxidů (louhů) a karbidů 10.1.5 Výroba průmyslových hnojiv 10.1.6 Výroba pigmentů 10.1.7 Výroba cementu a vápna 10.1.8 Výroba skla 10.1.9 Výroba keramických hmot 10.1.10 Metalurgie neželezných kovů 10.1.11 Vliv anorganických výrob základních chemikálii na životní prostředí 10.1.11.1 Vliv vybraných anorganických výrob na životní prostředí 10.2 Organické výroby základních chemikálií 10.2.1 Nižší olefiny 10.2.2 Vyšší olefiny 10.2.3 Aromáty 10.2.4 Kyslíkaté sloučeniny 10.2.4.1 Výroba alkoholů 10.2.4.2 Aldehydy 10.2.4.3 Ketony 10.2.4.4 Karboxylové kyseliny 10.2.4.5 Estery 10.2.4.6 Acetáty 10.2.4.7 Anhydridy 10.2.5 Dusíkaté sloučeniny 10.2.5.1 Aminy 10.2.5.2 Aromatické aminy 10.2.5.3 Amidy 10.2.5.4 Dusíkaté (nitro)nitrátové sloučeniny 10.2.6 Halogenované sloučeniny 10.2.7 Sloučeniny síry 10.2.8 Působení chemických závodů organické výroby na životní prostředí 10.3 Průmysl zpracování ropy – rafinérie 10.3.1 Destilace ropy 10.3.1.1 Atmosférická destilace ropy 10.3.1.2 Vakuová destilace ropy 10.3.2 Výroba základového oleje 10.3.3 Rafinérské procesy a nejdůležitější problémy ochrany životního prostředí 10.3.3.1 Emise do ovzduší 10.3.3.2 Znečištění vod 10.3.3.3 Výskyt tuhých odpadů 10.3.3.4 Kontaminace zeminy a podzemních vod 10.3.3.5 Další environmentální aspekty

s. 181

11. Potravinářský průmysl 11.1 Výroba sladu

s. 226

8


11.2 Výroba piva 11.3 Výroba vína 11.4 Výroba ethanolu a droždí (kvasnic) 11.5 Výroba organických kyselin 11.6 Zemědělské chovy a zpracování jejich produkce 11.7 Výroba cukru 11.8 Výroba škrobu 11.9 Zpracování mléka 11.10 Vliv potravinářského průmyslu na životní prostředí Seznam obrázků, tabulek a grafů

s. 247

9


Předmluva Souborný studijní materiál seznamuje posluchače s dnes používanými průmyslovými technologiemi, s vlivy průmyslových technologií na životní prostředí a s technologiemi používanými k ochraně životního prostředí. Studijní materiál je primárně určen pro studium předmětu Výrobní a environmentální technologie, který je vyučován v rámci studijního oboru Environmentální management na Hornicko-geologické fakultě Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava. Odborný text také podpoří přípravu studentů v předmětu Výrobní technologie, jehož výuka je zajišťována Institutem environmentálního inženýrství a kde dosud chyběla literatura v komplexním pojetí.

10


1 Výroba surového železa a litiny 1.1 Technické železo Pro většinu průmyslových odvětví je nejdůležitějším kovem železo. Chemicky čisté železo (Fe) je měkké, snadno tvárné, dobře tepelné i elektricky vodivé a dokonale svařitelné. Taje při teplotě 1 539 °C. Pro malou pevnost má však velmi omezené praktické použití. Zato velmi rozsáhlé upotřebení v technické praxi má technické železo. Je to slitina železa s různými kovovými i nekovovými prvky a jejich sloučeninami, jež se do něho dostaly při jeho výrobě, a to buď cestou přirozenou, nebo umělou. Kromě železa (Fe) obsahuje tedy technické železo uhlík (C), mangan (Mn), křemík (Si), fosfor (P), síru (S) a měď (Cu). Může však obsahovat ještě i jiné prvky, jako např. nikl (Ni), chróm (Cr), wolfram (W), kobalt (Co), molybden (Mo), vanad (V), titan (Ti) aj. Podle toho, kolik procent uhlíku obsahuje technické železo, dělíme je na železa surová (nekujná) a železa kujná (oceli). Další rozdělení je patrné z tabulky 1.1 [2]. Tab. 1.1 Technické železo - rozdělení

1.1.1 Surová železa 1.1.1.1 Šedé a bílé surové železo Surová železa obsahují více než 1,8 % uhlíku (do cca 4,5 %) a jsou vyráběna ze železných rud ve vysokých pecích. Surová železa jsou výchozí surovinou pro výrobu dalších druhů technického železa. Vlivem velkého obsahu uhlíku jsou tvrdá a křehká a při zahřátí na teplotu 1 150 až 1 250 °C se taví, aniž předtím přecházejí do tvárného stavu. Nemůžeme je proto tvářet za studena ani za tepla. Uhlík v nich může být obsažen ve dvojí podobě. Při pomalém chladnutí roztaveného surového železa a vlivem většího množství křemíku (2 až 4 %) se uhlík vyloučí mezi krystaly železa v podobě plochých krystalů grafitu (tuhy). Grafit je příčinou toho, že surové železo je na lomu šedé. Nazýváme je proto šedým surovým železem. Obsah uhlíku v něm činí 3,5 až 4,2 %. Čím více je ho vyloučeno v podobě grafitu, tím je šedé surové železo tmavší, měkčí a tím lépe se obrábí. Dobře se také odlévá a při tuhnutí se málo smršťuje. Při rychlém chladnutí nemá uhlík dost času, aby vykrystalizoval. Vlivem většího množství manganu (až 6 %) tvoří uhlík v roztaveném železe se železem 11


karbid železa Fe3C, který se rozpouští v ostatním železe. Při tuhnutí se z taveniny vyloučí krystaly Fe3C, zvané primární cementit. Cementit je bílý a tvrdý. Je příčinou toho, že surové železo je tvrdé a na lomu bílé. Říkáme mu proto bílé surové železo. Velmi obtížně se obrábí a slévá se hůř než šedé surové železo. Uhlíku je v něm až 4,5 %. Surová železa vyrobená ve vysokých pecích se nehodí přímo k výrobě součástí. Po přetavení ve slévárnách z nich zhotovujeme odlitky nebo z nich v ocelárnách vyrábíme ocel. Dělíme je proto na slévárenské a ocelárenské. Šedé surové železo je především železem slévárenským, bílé surové železo je především železem ocelárenským.

1 . 1 . 1 . 2 S p e c i á l n í s u r ov á ž e l e z a Speciální surová železa obsahují kromě uhlíku ještě větší počet dalších prvků, jako Mn, Si, Cr, W, Mo, V aj. Říkáme jim feroslitiny a používáme jich jen jako přísad při výrobě sliti- nových litin a slitinových ocelí. Nejpoužívanější z nich jsou: ferosilicium (nad 6 % Si), zrcadlovina (6 až 30 % Mn), feromangan (nad 30 % Mn), ferochróm, ferowolfram, feromolybden, ferovanad aj. Vyrábíme je buď ve vysoké peci (vysokopecní feroslitiny), nebo v elektrických pecích ocelárenských.

1.1.2 Kujná železa Kujná železa obsahují méně než 1,8 % uhlíku a jejich charakteristickou vlastností je tvárnost. Lze je tedy válcováním, kováním, lisováním nebo tažením přetvářet na polotovary nebo i na hotové výrobky. Mají větší pevnost i větší houževnatost než surová železa a taví se při teplotě 1 150 až 1 539 °C. Mají tím vyšší teplotu tavení, čím méně obsahují uhlíku a ostatních přimíšenin. Dělíme je na ocel svářkovou, ocel plávkovou, temperovanou litinu a elektrolytické železo. Svářková ocel byla vyráběna v pudlovacích pecích při teplotě asi 1 300 °C. Ocel takto vyrobená byla pro svou dobrou kovatelnost a hlavně kovářskou svařitelnost vhodným materiálem pro umělecké výrobky kovářské a zámečnické. Dnes ji již nevyrábíme, protože výroba je drahá a ocel nemá dobré mechanické vlastnosti. Svářková ocel vzniká také kovářským svařením ocelových odpadů. Plávková ocel je vyráběna za tak vysokých teplot (1 600 až 1 800 °C), že zůstává po celou dobu výrobního procesu řídce tekutá. Struska a ostatní nečistoty z ní vyplavou na povrch a lze je snáze odstranit. Protože dnes vyrábíme jen oceli plávkové, není třeba je tímto názvem zvlášť označovat. Podle chemického složení jsou buď uhlíkové, nebo slitinové.

1.1.2.1 Ocel uhlíková a slitinová Ocel uhlíková je slitinou železa s uhlíkem, kterého může mít až 1,8 %. Kromě uhlíku obsahuje ještě obvyklé množství jiných prvků (Mn, Si, P, S, Cu aj.). Ty se do oceli dostaly ze železných rud a z paliva již při výrobě surového železa ve vysoké peci. Z uvedených prvků má uhlík největší vliv na vlastnosti uhlíkové oceli. Především zvětšuje pevnost, tvrdost a křehkost a zmenšuje houževnatost. Ocel slitinová (legovaná) obsahuje kromě menšího množství uhlíku větší množství jednoho nebo několika dalších prvků (Mn, Si, Ni, Cr, Co, Mo, W, V, Ti, Al aj.). Tyto prvky zvané legovací přísady přidáváme do oceli proto, abychom dosáhli žádaných vlastností. Přidáváme je při výrobě ocelí do tekuté lázně většinou v podobě feroslitin. Podle těchto prvků pak ocel nazýváme např. ocelí manganovou, křemíkovou, niklovou, chrómovou, 12


chrómniklovou atd. Podle způsobu dalšího zpracování dělíme tuto ocel dále na ocel ingotovou a ocelovou litinu (litou ocel).

1.1.2.2 Ocel ingotová Ocel ingotová vznikne odlitím tekuté oceli do kovové formy (kokila), ve které ztuhne v ingot (ztuhlý odlitek). Ingoty se pak dále zpracovávají ve válcovnách na tyče, plechy, dráty, kolejnice aj. V kovárnách a lisovnách se z nich zhotovují velké výkovky na hřídele, kliky, táhla a jiné strojní součásti, které se pak dokončují na obráběcích strojích. Podle použití dělíme ingotovou ocel na konstrukční a nástrojovou, popřípadě speciální. Konstrukční ocel slouží k výrobě strojních součástí a stavebních konstrukcí. Musí být proto velmi pevná a houževnatá. Nástrojové oceli používáme k výrobě nástrojů, měřidel a některých součástí měřících přístrojů. Vhodným tepelným zpracováním lze dosáhnout co největší tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Zvláštním druhem nástrojové oceli je slitinová ocel rychlořezná, jež obsahuje několik legujících prvků. Speciálními slitinovými ocelemi rozumíme žáruvzdorné, oceli k výrobě trvalých magnetů apod.

např. oceli nerezavějící, oceli

1 . 1 . 2 . 3 O c e l o v á l i t i n a , e l e k t r o l y t i c ké ž e l e z o Ocelovou litinu sléváme do forem, v nichž ztuhne na ocelové odlitky. Používáme ji pro velmi namáhané strojní součásti. Temperovanou litinu získáme zkujněním (temperováním) odlitků z bílého surového železa. Vliv fosforu a síry na vlastnosti technického železa je celkem nepříznivý. Fosfor se dostává do železa z rud. Malé množství fosforu však zvyšuje poněkud pevnost a tvrdost oceli. Je též vítáno v šedé litině na tenkostěnné odlitky, neboť ji činí v roztaveném stavu dobře tekutou. Větší množství fosforu způsobuje křehkost a lámavost oceli za studena. Síra přechází do železa jednak z rud, ale hlavně z paliva, při výrobě surového železa. Je naprosto nežádoucí součástí technického železa. U slévárenských druhů (litiny, ocelové litiny) snižuje značně tekutost a způsobuje špatné vyplňování forem. U oceli způsobuje při červeném žáru lámavost za tepla. Elektrolytické železo je téměř chemicky čisté železo a vyrábíme je elektrolýzou ze železnatých solí. Je velmi měkké, málo pevné a výrobně drahé. Má proto jen omezené praktické použití, např. v elektrotechnice k výrobě jader na cívky různých přístrojů, v práškové metalurgii k přípravě prášků apod.

1.2 Výroba surového železa Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích ze železných rud, které obsahují železo ve sloučeninách, a to v kysličnících, uhličitanech nebo křemičitanech. Redukci těchto chemických sloučenin kysličníkem uhelnatým, popřípadě uhlíkem se za vysokých teplot uvolňuje rud čisté železo, které se po zuhličení stane syrovým železem. Je tedy pro tento hutnický proces třeba též vhodné palivo, které dává potřebné teplo k tavení železa a uhlík 13


jednak k redukci rud, jednak k zuhličení uvolněného čistého železa. Mimo to je nutno přivádět do vysoké pece vzduch ke spalování paliva. Dále do vysoké pece zavážíme struskotvorné přísady, které usnadňují roztaveni hlušiny z rud a popela z paliva. Umožňují tak jejich snadné odstranění z vysoké pece v podobě strusky, kterou s nimi vytvoří.

1.2.1 Suroviny pro výrobu surového železa 1.2.1.1 Železná ruda V našich hutích zpracováváme zejména tyto železné rudy: Magnetovec (magnetit) je nejbohatší železnou rudou (obsahuje až 70 % Fe). Je černý a velmi tvrdý, obtížně se redukuje. Dovážíme jej hlavně z Ruska, Ukrajiny a částečně též ze Švédska. Krevel (hematit) obsahuje až 65 % Fe. Je červený a velmi snadno se redukuje. Dovážíme jej z Ruska. Krevel vyskytující se v Čechách v povodí Berounky má jen asi 40 % Fe. Hnědel (limonit) je nejrozšířenější železná ruda. Obsahuje až 50 % Fe a značné procento fosforu. Vzniká hlavně zvětráním ocelku. Má barvu žlutohnědou a redukuje se ze všech železných rud nejsnadněji. V Čechách se těží, resp. těžil u Zdic, Mníšku a u Plzně. Ocelek (siderit) obsahuje až 45 % Fe a značné množství manganu. Je světležlutý. Po vypražení se dá snadno redukovat. Ve Štýrsku tvoří horu Erzberg. Na Slovensku se vyskytuje ve spišsko-gemerském rudohoří. Ruda nučická (chamosit) je nejdůležitější českou železnou rudou. Je promíšena ocelkem a hnědelem a obsahuje až 35 % Fe a značné množství fosforu. Její redukce se usnadňuje pražením. Vyskytuje se u Rudné (dříve zvané Nučice) u Prahy. Dříve se zpracovávala v hutích na Kladně a v železárnách v Králově Dvoře u Berouna. Kromě uvedených rud je zpracováván i ocelový odpad. Jeho podstatnou část tvoří okuje, které vznikají při tváření oceli za tepla a obsahují až 55 % Fe, kyzové výpražky, které jsou odpadem při výrobě kyseliny sírové a obsahují až 60 % Fe, a vysokopecní prach získaný suchým čištěním vysokopecního plynu, odváděného z vysokých pecí.

Obr. 1.1 Čelisťový drtič

14


Před zavážením do vysoké pece upravujeme železné rudy na vhodnou velikost (25 až 80 mm). Dále je zbavujeme co nejvíce hlušin, popřípadě vody a síry, aby se staly snáze redukovatelnými. Velké kusy rudy drtíme v drtičích válcových, kuželových nebo čelisťových (obr. 1.1). Takto rozdrcenou a podle velikosti roztříděnou rudu dále třídíme na magnetických třídičích (obr. 1.2), kde od ní oddělujeme hlušinu.

Obr. 1.2 Magnetický třídič

Drobnou a prachovou rudu (též vysokopecní prach) spojujeme v kusy vhodné velikosti buď spékáním (aglomerací), nebo slisováním (briketováním), příp. peletizováním (sbalováním). Aglomerační směs, tj. prášková ruda, popřípadě vysokopecní prach a okuje smíšené s drobným koksem, koksovým prachem, příp. antracitovým uhlím prohořívá a zároveň se spéká na nekonečném dopravním pásu, složeném z malých roštů, který pracuje nepřetržitě a pohybuje se rychlostí asi 0,5 m/min. (obr. 1.3). Aby se aglomerační směs nepřipekla na rošty, posypáváme je drobným vápencem, dříve než na ně sypeme směs.

Obr. 1.3 Aglomerační zařízení

15


Některé druhy železných rud pražíme, aby se zbavily vody a částečně i síry, popřípadě aby byly snáze redukovatelné. Pražením se podstatně sníží váha rudy a dosáhne se značné úspory vysokopecního paliva. K dosažení stejnoměrného chodu vysoké pece a hospodárné výroby surového železa mísíme spolu rudy o nestejném chemickém složení a o nestejném obsahu železa. Zejména mísíme, resp. jsme mísili naše domácí chudé rudy s bohatými rudami dováženými. Tím dostaneme průměrné jejich složení i obsah Fe ve vsázce. Podle potřeby upravujeme tak i složení struskotvorných přísad. Tuto úpravu, k níž používáme rudných jeřábů, nazýváme homogenizací. Aby bylo možno využít ve větší míře i chudých železných rud (s obsahem Fe menším než 30 %), které se takto nevyplácí zpracovávat ve vysoké peci, jsou obohacovány tzv. hrudkováním. To se provádí v pomalu se otáčejících šikmých válcových hrudkovacích pecích 60 až 70 m dlouhých. Rozemletou rudu smíchanou s koksovým mourem přivádíme pásovými dopravníky do pece na její zvýšenou stranu. Směs postupuje zvolna k dolnímu konci. Proti směru pohybu směsi vháníme do pece na jejím spodním konci jemně rozemleté uhlí. Spalováním uhlí vznikne vysoká teplota, která z železné rudy uvolňuje hrudky houbovitého surového železa obalené struskou. Hrudky v podobě spečence surového železa se struskou vypadávají z pece na chladicí dopravník, který je dopravuje ke kulovým mlýnům, kde je rozdrtíme. Na magnetickém třídiči oddělíme hrudky od strusky a dále je zpracováváme ve vysoké peci na surové železo nebo v ocelárně přímo na ocel. Hrudky mají velikost 2 až 5 mm (i větší) a obsahují až 90 % Fe.

1 . 2 . 1 . 2 Palivo pro vysokou pec Palivo pro vysokou pec musí být dostatečně pevné, nespékavé, pórovité, s co nejmenším obsahem síry, nesmí tvořit mnoho popela a musí mít přiměřenou velikost (25 až 40 mm). Nejvhodnějším palivem pro naše vysoké pece je vysokopecní koks vyrobený z ostravského černého uhlí (viz dále kap. 7). V zemích s levnou elektrickou energií se vyrábí surové železo v elektrických pecích obloukových. K redukci rud a k nasycení surového železa uhlíkem je nutno do těchto pecí zavážet určité množství koksu nebo dřevného uhlí.

1 . 2. 1 . 3 Struskotvorné přísady Struskotvorné přísady volíme podle povahy rudných hlušin. Vhledem k tomu, že hlušiny u nás používaných rud jsou většinou kyselé, volíme struskotvorné přísady zásadité. Nejčastěji je to vápenec (uhličitan vápenatý CaCO 3).

1 . 2 . 1 . 4 Vzduch pro vysokou pec Vzduch vháněný do vysoké pece dodává kyslík potřebný Vzduch pro vysokou pec k hoření paliva. Na 1 tunu vyrobeného surového železa je potřeba asi 4 000 m3 vzduchu. Dnešní moderní vysoká pec ho spotřebuje za 24 hodin až 15 500 tun. Aby vzduch v tak velkém množství prošel pecí, je do ní vháněn o přetlaku 0,08 až 0,2 MPa buď pístovými dmychadly poháněnými motory na vysokopecní plyn, nebo parními turbokompresory. Protože vzduch proudí do pece velkou rychlostí, říkáme mu vítr. Pro dosažení vyššího žáru v peci a pro úsporu koksu ohříváme vítr před vstupem do vysoké pece až na 950 °C v Cowperových ohřívačích (obr. 1.4). Vysoká pec má zpravidla 3 až 4 ohřívače (baterie ohřívačů), které pracují tak, že zatímco jeden ohřívá vzduch pro vysokou pec, jsou ostatní vyhřívány tím, že se v nich spaluje vysokopecní plyn kyslíkem přiváděného vzduchu. 16


Obr. 1.4 Příčný řez vysokou pecí s příslušenstvím

1.2.2 Vysoká pec Vysoká pec (obr. 1.4) [2] má tyto hlavní části: sazebnu (kychtu), šachtu, rozpor, zarážku a nístěj. Svislý řez pecí (profil pece) se podobá dvěma komolým kuželům postaveným na sebe většími základnami. Horní táhlejší kužel je šachta, spodní kratší kužel je zarážka (u nejmodernějších vysokých pecí bývá zarážka méně kuželovitá). Mezi šachtou a zarážkou je krátká válcová část zvaná rozpor, který je nejširším místem pece. Zarážka přechází ve válcovou nístěj. Nejhořejší částí pece je sazebna, na níž se dopravuje zavážka (ruda, palivo a přísady) šikmým výtahem (skipem). Na sazebně je závěr, který slouží k plnění pece zavážkou a zároveň zabraňuje unikání vysokopecního plynu do ovzduší. Celá pec je vyzděna žáruvzdorným zdivem. Zejména dno a stěny nístěje musí být dobře udusány, neboť nejvíce trpí tlakem a žárem roztaveného kovu. Nístěj a zarážka jsou vně opatřeny ocelovým pláštěm vydatně chlazeným vodou. Vyzdívka šachty byla u starších pecí stažena ocelovými obručemi, u novějších je opatřena ocelovým pláštěm. Tenkostěnné šachty jsou chlazeny zvenku, tlustostěnné dutými chladnicemi vloženými do vyzdívky. Šachta je vyzděna samostatně na ocelovém prstenu neseném několika sloupy, takže nesouvisí s ostatním zdivem pece. Může se tedy teplem volně roztahovat a zůstane stát i při větších opravách spodních částí pece, které více trpí a musí se častěji opravovat než horní část pece. Ve spodní části zarážky ústí do pece 8 až 16 výfučen (forem), jimiž proudí do pece ohřátý vzduch z kruhového větrovodu. Asi 300 až 400 mm pod výfučnami je ve stěně nístěje otvor, kterým z pece volně vytéká tekutá struska. Až u dna nístěje se nachází odpichový otvor, kterým se vypouští surové železo. 17


Obr. 1.5 Teplotní pásma ve vysoké peci

Velikost pece je dána jejím objemem. Dnešní vysoké pece mají objem až 2 000 m3 . Výkon pece i spotřeba paliva závisí především na bohatosti rudy. Čím je ruda bohatší, tím je výkon pece větší a spotřeba paliva na 1 tunu vytaveného surového železa menší. Např. v a.s. Třinecké železárny jsou provozovány dvě vysoké pece, každá o objemu 1 390 m3 s výrobní kapacitou cca 3 000 tun surového železa za 24 hodin. Surové železo vzniká redukcí železných rud, tj. odnímáním kyslíku železným rudám kysličníkem uhelnatým (CO), popřípadě uhlíkem (C) za vysokých teplot. Kyslík ze vzduchu vháněného do pece přichází do styku se žhavým koksem a spaluje jeho uhlík na oxid uhličitý (CO2). Ten stoupá žhavým koksem, od kterého přibírá uhlík a mění se tak na oxid uhelnatý (CO). V nejhořejší části pece asi při teplotách 200 až 500 °C se zavážka suší a předehřívá (obr. 1.5). Při klesání zavážky za teplot 500 až 900 °C odnímá oxid uhelnatý železným rudám kyslík. Z rud se uvolňuje čisté houbovité železo. To je redukce nepřímá. Při dalším klesání zavážky se při teplotách 900 až 1 100 °C sytí čisté železo uhlíkem a počne se tavit. Zároveň s uhlíkem přijímá z paliva částečně i síru a z rud další prvky jako Mn, Si, P aj. Tím vznikne slitina (surové železo), která v kapkách obalených tekutou struskou stéká a shromažďuje se v nístěji. U velkých kusů rudy, z nichž se neuvolnilo železo nepřímou redukci, dochází v dolní části pece při vysoké teplotě k přímému působení uhlíku ze žhavého koksu na rudu, tj. k přímé redukci. Nejvyšší teplota (cca 2 000 °C) je ve výši ústí výfučen, jimiž proudí do pece horký vzduch.

1 . 2 . 2 . 1 Produkty vysoké pece Produkty vysoké pece jsou: surové železo, vysokopecní plyn a vysokopecní struska. Surové železo, jako hlavní produkt, vypouštíme z vysoké pece v intervalu 3 až 6 hodin (podle bohatosti rud). Vypouštíme je buď do velkých pánví, v nichž je dopravujeme do 18


ocelárny k zpracování na ocel, nebo na slévací pole, kde tuhne v pískových formách v housky (šedé surové železo) nebo v kovových formách v desky (bílé surové železo). Ke zvýšení výkonu používáme u moderních vysokých pecí licích strojů. Vlastnosti a použití jednotlivých druhů surového železa byly popsány výše v kapitole 1.1. Vysokopecní plyn se skládá jednak z hořlavých plynů (30 % CO, 2 % H2), jednak z plynů nehořlavých (60 % N2, 8 % CO2). Má výhřevnost 3,2 až 4,0 MJ/m3 [3] a používáme ho k vyhřívání Cowperových ohřívačů, příp. k pohonu plynových motorů, k vytápění pecí, místností apod. Před upotřebením ho zbavujeme prachu a vodní páry v suchých, mokrých nebo elektrostatických čističích. Z pece ho odvádíme k čističům lomeným potrubím, v němž se zachytí nejhrubší nečistoty. Vysokopecní struska vzniká z hlušin obsažených v rudách, z popela a ze struskotvorných přísad. Zpracováváme ji na vysokopecní cement, struskovou vinu, které používáme pro tepelnou izolaci, dlažební kostky, struskový štěrk (velmi často se používá pod zámkovou dlažbu), struskový písek aj.

1 . 2 . 2 . 2 Výkonnost vysoké pece Na výrobu 1 tuny bílého nebo šedého surového železa se spotřebuje: 2 až 2,4 t železné rudy, 0,5 až 1 t koksu, 700 až 800 kg struskotvorných přísad (vápence) a 4.000 m3 vzduchu. Z uvedeného množství surovin se vyrobí: 1 t surového železa, 3 600 až 4 000 m3 vysokopecního plynu a 0,5 až 0,8 t vysokopecní strusky. Výkonnost pecí je především závislá na jakosti surovin. Nicméně intenzitu vysokopecního procesu je možno zvýšit dalšími opatřeními: Nahrazením vápence páleným vápnem je možno značně snížit spotřebu koksu. Úpravou a obohacením větru kyslíkem je možno zrychlit a zdokonalit redukci železné rudy a rovněž i zmenšit spotřebu vzduchu. Proces je možno intenzifikovat také umístěním spalovacích hořáků (spalují kapalná paliva) u výfučen. Zdokonalení redukce rudy dosáhneme též zvýšením tlaku pod sazebnou, neboť tím dosáhneme zpomalení pohybu plynů v peci (ty pak zůstávají déle ve styku se zavážkou).

1.3 Výroba litiny 1.3.1 Šedá litina Šedou litinu vyrábíme ze šedého surového železa, staré zlomkové litiny a ocelového šrotu. Suroviny smíchané s koksem a vápencem přetavujeme v šachtové peci zvané kuplovna (obr. 1.6) nebo v plamenných pecích nístějových nebo v pecích elektrických. Šedá litina je tedy slitinou železa a uhlíku, kterého v ní bývají asi 3 %, a dalších prvků, zejména Si (2 až 2,5 %), Mn (0,5 až 0,8 %), P a S. Taví se při 1 100 až 1 300 °C.

19


Obr. 1.6 Kuplovna

Pevnost šedé litiny je 150 až 350 MPa. Zhotovujeme z ní odlitky nepříliš namáhaných strojních i stavebních součásti. Šedou litinu, která obsahuje nejvýše 0,2 % P, nazýváme hematitovou, a to podle použitého surového železa zvaného hematit, které obsahuje velmi malé množství fosforu. Přidáním dalších prvků, např. Ni, Cr, W, V, Ti aj. k zlepšení mechanických vlastností získáme šedou litinu slitinovou.

1.3.2 Ostatní druhy litiny 1 . 3 . 2 . 1 O č k o v a n á li t i n a Očkovanou litinu vyrábíme ze šedé litiny tak, že do litiny vytékající z kuplovny vhodíme odměřené množství ferosilicia nebo feroslitiny s křemíkem a vápníkem, kterému říkáme očkovadlo. Jeho působením se ploché krystaly grafitu sbalí v drobné kuličky, takže se pevnost litiny zvětší na 370 až 420 MPa, v některých případech až na 500 či 600 MPa. Je však třeba, aby byla litina nejpozději do 30 minut po vhození očkovadla odlita do formy, protože jinak se očkovadlo rozpustí v tavenině a ztrácí svůj účinek. Očkovaná litina se dá dobře tepelné zpracovávat, zejména povrchové kalit.

1.3.2.2 Tvárná litina Tvárnou litinu vyrábíme rovněž ze šedé litiny, ale očkujeme ji hořčíkem. Tím vzniká velmi jemný kuličkový grafit, který podstatně zlepšuje mechanické vlastnosti litiny. Pevnost v tahu se zvyšuje až na 700 MPa při tažnosti až 3 %. Tepelným zpracováním (normalizačním žíháním) lze vlastnosti tvárné litiny ještě zlepšit. Zejména lze zvýšit tažnost o 4 až 15 %. 20


Odlitky z tvárné litiny jsou pevné, snadno obrobitelné, tvárné a odolávají korozi a vysokým teplotám. Hodí se proto k výrobě značně namáhaných součástí vystavených různým vlivům a vysokým teplotám.

1.3.2.3 Tvrzená litina Tvrzená (skořepová) litina se vyznačuje velkou povrchovou tvrdostí odlitků. Získáme je odléváním šedé litiny, obsahující 0,7 až 1 % Si a 0,5 až 1,25 % Mn, do kovových forem (kokil) nebo do pískových forem, do kterých jsou vložena chladítka. Kovová forma a chladítka způsobují rychlejší chladnutí litiny, takže se zjemní její sloh. Při rychlém ochlazení způsobeném kovovou formou nebo chladítkem vzniká vlivem manganu na povrchu odlitku dokonce tvrdý cementit. Ostatní kov uvnitř odlitku a na částech odlitku, které jsou odlity do pískové formy, chladne pomalu a uhlík vlivem křemíku vykrystalizuje v podobě grafitu. Tohoto způsobu lití používáme tam, kde je třeba, aby byl povrch odlitku tvrdý a odolný proti opotřebení a plochy odlitku, které je třeba po odlití opracovat, zůstaly měkké (kola železničních vagónů, čelisti drtičů apod.).

1.3.2.4 Temper ovaná litina Temperovanou (kujnou) litinu získáváme zkujněním odlitků z bílého surového železa. Po odlití jsou velmi tvrdé, křehké a nesnadno obrobitelné. Proto je vkládáme do kovových krabic, v nichž jsou obklopeny oxidační (krevel, okuje) nebo neutrální (písek) temperovací látkou a žíháme je za nepřístupu vzduchu při teplotě asi 900 °C. Tímto žíháním, tzv. temperováním se karbid železa Fe3C rozloží na 3Fe+C (změkčující temperový uhlík) a tvrdé a křehké odlitky se stanou měkkými a částečně i tvárnými. Podle druhu použité temperovací látky (více nebo méně oxidační nebo neutrální) se temperový uhlík bud okysličí a v podobě plynu unikne z odlitků, nebo v nich částečně, popřípadě úplně zůstane. Získáme tak temperovanou litinu s bílým lomem, s bílým okrajem a černým jádrem nebo s černým lomem. Pevnost temperované litiny v tahu je 350 až 400 MPa. Vyrábíme z ní součásti a předměty, na něž se šedá litina pro svou křehkost nehodí, např. klíče, háky, součásti hospodářských strojů apod. Rovněž jí používáme v elektrotechnice na odlévání součástí, u kterých požadujeme co největší magnetickou indukci a permeabilitu a co nejmenší koercitivní sílu. Těmito vlastnostmi vyniká zejména temperovaná litina s černým lomem. Pro svou odolnost proti korozi se temperovaná litina hodí dobře na součásti vystavené povětrnostním vlivům, jako součásti elektrických signálních zařízení, závěsy pro elektrická vedení apod.

1.4 Vliv výroby surového železa na životní prostředí Hutnictví, jako průmyslové odvětví, patří již od samého počátku mezi největší poškozovatele životního prostředí. V hierarchii působení na složky životního prostředí patří na první místa znečišťování ovzduší a vznik velkého množství odpadů [1]. Emise hutních podniků jsou tvořeny zejména tradičními znečišťujícími látkami: TZL (resp. PM), SO2, NOx a CO. Podíl hutních provozů a jejich pořadí na znečišťování ovzduší je patrné z tabulky 1.2. V současné době se pozornost obrací ke znečišťování těžkými a ostatními kovy (As, Hg, Cd, Cr, Pb), které kontaminuji okolní krajinu hutí, zejména však půdní fond. Hutě patří mezi největší spotřebitele energie (10 ÷ 13 % celostátní spotřeby). Vzhledem k tomu, že výroba energie je rovněž spojena s velkým množstvím emisí, často hodnotíme hutní průmysl (ale i ostatní) z pohledu komplexního celkového množství emisí. Komplexní palivoenergetická náročnost (PEN) výroby se vyjadřuje obvykle v tmp (tuny 21


měrného paliva) vztažených na jednotku výroby s následným vyčíslením vyvolaných emisí v energetice. Totéž platí o vyvolaných emisích při úpravě, přípravě a dopravě velkého množství použitých surovin (ročně mil. tun rud, koksu, struskotvorných přísad). Z tohoto pohledu jsou vyvolané emise (zejména plynné) větší než vykazované emise hutního podniku. Tab. 1.2 Podíl hutních provozů na znečišťování ovzduší

Velký význam z hlediska životního prostředí má výskyt značného množství odpadu různorodého chemického a má výskyt značného množství odpadu různorodého chemického a fyzikálního složení. V minulých dobách byla většina odpadů ukládána na odvaly v bezprostřední blízkosti hutí bez zřetele na jejich charakter a složení, bez možností jejich budoucího selektivního využití. V současné době je většina hutních odpadů recyklována nebo využita v jiném výrobním odvětví (stavební hmoty, cement, hnojivo atd.). Přesto zůstává celá řada odpadů problémových, těžko využitelných. Obecně dělíme hutní odpady na: -

velkoobjemové s využitelnou železnou substancí (ocelárenské strusky, svářková struska z hlubinných pecí, okuje, odprašky a kaly bez nebezpečných látek), velkoobjemové nemetalické odpady (vysokopecní struska, žáruvzdorné materiály, slévárenské písky, struska z kuploven), odpady z podnikové energetiky (popílek, škvára, kotelní struska).

Mezi nebezpečné odpady zařazujeme ty odpady, které obsahují toxické látky. Do této skupiny odpadů patří zejména: -

vysokopecní a ocelárenské odprašky a kaly, zaolejované okujové kaly, kaly z koncových čistíren odpadních vod, odpady z moření a povrchových úprav.

K vyššímu stupni využití odpadů v hutích vede ekonomická motivace (využití metalické části), nicméně v některých případech legislativa ztěžuje další rozšiřování úložných ploch. V minulých dobách byla hutnická výroba závislá na množství odebírané vody z 22


povrchových zdrojů, zejména z vodních toků. Velké požadavky na množství vody a nedostatečná kapacita vody v recipientech vedly hutní podniky k vyššímu stupni využívání vody v cirkulačních obězích. Dnešní hutní podniky mají prakticky uzavřený cirkulační oběhový systém vodního hospodářství. Z hlediska životního prostředí není však rozhodující množství odpadních vod hutního podniku, ale vypouštěné množství těchto vod do recipientu a profily hodnocení ukazatelů znečištění. Velkým problémem z hlediska využití, resp. jejich recyklace jsou kaly z koncových čistíren odpadních vod v hutích. Tyto kaly obsahují celou řadu cizorodých látek, zejména těžkých kovů. Často jsou využívány v zemědělství. Při jejich aplikaci jako hnojiva je nutná podrobná znalost obsahu CL a jejich dlouhodobé sledování z hlediska možného znečišťování vodních zdrojů a potravního řetězce. Hutní podniky jsou zdroji velké hlučnosti, zejména uvnitř hutních provozů. Na své okolí působí jen omezeně bez většího významu (kovárny, válcovny, odfuky vysokých pecí atd.).

1.4.1 Aglomerace rud Jemnozrnné prachové rudy je nezbytné před dalším zpracováním ve vysoké peci upravit na požadovanou zrnitost, mechanickou pevnost a chemické složení. Úprava je možná briketováním, peletizováním (sbalováním) nebo aglomerováním (spékáním). Aglomerace patří mezi nejrozšířenější způsoby, zatímco peletizace (výroba samohutných pelet) zůstává i nadále pouze doplňující technologií. Aglomerace (spékání) rud je pyrometalurgický proces (viz výše kap. 1.2.1.1). Za přítomnosti technologického paliva (koksový prach, antracitové uhlí) a redukovadel dochází k částečné metalizaci surovin. Vsázka vlivem natavování mění nejenom chemické složení, ale zároveň dochází k požadovanému slinutí jemnozrnných částic.

1 . 4. 1 . 1 E m i s e Aglomerační podniky patří k nejzávažnějším zdrojům znečišťování ovzduší. V celkovém množství tuhých a plynných emisí lze aglomeraci zařadit v hutnických technologiích na první místo (za hutní energetiku). Škodlivostí exhalací však předčí exhalace z energetiky a to zejména vyššími obsahy neželezných kovů emitovaných v aerosolech (Zn, Pb, Cd, Cr, As, Ni, Hg). Bilance těchto cizorodých látek hutních podniků poukazují na významný podíl aglomerací při ovlivňování okolí hutních podniků (územních celků, zdrojů pitné vody atd.). Emise v aglomeracích vznikají hlavně na třech místech: -

při přípravě aglomerační směsi, při spékacím procesu, při chlazení a úpravě aglomerátu.

Příprava aglomerační směsi. Při dopravě, skladování, úpravě a přípravě materiálů pro aglomerační směs vznikají malé zdroje místní prašnosti. Snižování emisí prachu je prováděno hermetizací a odsáváním prachu z dopravních cest a přesypů. Emise TZL (resp. PM2,5 či PM10) ovlivňují zásadně pracovní prostředí, vliv na vnější prostředí není významný. Spékací proces. Spaliny odsávané ze spékacích pásů dosahují pod roštem teploty 1000 ÷ 1200 °C. Přisáváním vzduchu se ochlazují a jejich teplota u paty komína se pohybuje 23


od 100 ÷ 200 °C. Množství spalin závisí na podílu přisávaného vzduchu a pohybuje se v rozmezí 2000 ÷ 4000 mn3 na 1 tunu vyrobeného aglomerátu. Tuhé emise. Koncentrace ve spalinách kolísá od 1,0 ÷ 2,5 g/mn3 a je především závislá na vlhkosti a průdušnosti skládky. Z hlediska ochrany ovzduší je žádoucí použití elektrických odlučovačů, které sníží koncentraci až na 50 mg/mn3. Mechanickými vírovými odlučovači (multicyklóny) lze dosáhnout účinnosti jen 80 %, což odpovídá 250 ÷ 600 mg/mn3 prachu ve vypouštěných spalinách. Účinnost a provozní spolehlivost odlučovačů je závislá na složení aglomerační vsázky a technologii procesu spékání. Elektrické odlučovače, které mají vysokou účinnost, jsou velmi citlivé na úsady organických látek. Jejich zdrojem je použití jako náhradního paliva antracitového uhlí, zaolejovaných okujových kalů, tedy surovin obsahujících prchavé organické látky. Úsady organických látek spolu s nalepeným prachem mění elektrické parametry odlučovače a vedou ke snížení účinnosti odlučování, někdy až ke samovznícení usazenin s následným poškozením a vyřazením odlučovače. Mechanické odlučovače, mající podstatně menší účinnost, nejsou tak citlivé na složení úletu (prachu). Tyto odlučovače však nedokážou zachycovat nejjemnější podíly prachu a právě v těchto podílech jsou nejvíce zastoupeny těžké kovy. Proto ve vyspělých průmyslových státech bylo přistoupeno k jejich vyřazování s náhradou za účinné elektrické odlučovače nových konstrukcí či za odlučovače s látkovými filtry. Plynné emise. Obsah plynných znečišťujících látek se ve spalinách aglomerací pohybuje v dosti širokém rozmezí a je závislý na celé řadě vlivů (složení vsázky, množství přisávaného vzduchu atd.). Obecně je toto rozmezí udáváno v následujících hodnotách: obsah CO2 O2 H2O N2

v rozmezí

4 ÷ 10 % obj., 10 ÷ 20 % obj., 8 ÷ 10 % obj., 60 ÷ 78 % obj.

Měrné emise SO2 jsou závislé na obsahu síry ve vsázkových materiálech. Měrné emise SO2 aglomerací v ČR se pohybují v rozmezí 2 ÷ 3 kg/t vyrobeného aglomerátu. Obsah NOx není systematicky sledován a pohybuje se v rozmezí 100 ÷ 400 mg/mn3 spalin. Často bývají aglomerační pochody velkým zdrojem emisí CO při nesprávně vedeném technologickém procesu. Chlazení aglomerátu probíhá v kruhovém chladiči nebo na chladicím pásu. Při následném drcení a třídění aglomerátu je uvolňováno značné množství prachu. Snižování emisí je prováděno odsáváním prachu a s jeho odlučováním (obvykle elektrickými odlučovači).

1 . 4. 1 . 2 Odpadní vody Aglomerační závod mívá obvykle dva samostatné uzavřené oběhové systémy vodního hospodářství. -

Chladicí vody pro chlazení spékacích pásů a ostatních zařízení. Čistota vody je udržována odluhem, odkalem a přídavnou vodou.

24


-

Odpadní vody z mokrých způsobů odprašování spalin a hydrosmyvů. Tyto odpadní vody obsahují velké množství NL (rudy, koksu apod.), koncentrace může dostoupit až 30 g/l. Množství vzniklých vod se pohybuje v rozmezí 0,5 ÷ 0,7 m3/t aglomerátu. Vody se obvykle čistí v horizontálních usazovacích nádržích. Obsah NL ve vyčištěné vodě by neměl překročit 100 mg/l.

1 . 4. 1 . 3 Odpady Výskyt tuhých odpadů (převážně zachycený prach) se pohybuje v rozmezí 20 ÷ 40 kg/t aglomerátu. Zachycený prach (kaly) jsou recyklovány zpět ve výrobě aglomerátu. Ve světovém hutnictví patří aglomerace rud rovněž k největším zdrojům tuhých i plynných emisí. Proto jsou hledány a zaváděny nové metody vedoucí ke zvýšení odlučivosti TZL (nové typy elektrických odlučovačů, látkové filtry). Pro snížení plynných emisí (SO2, NOx) jsou ve světě na aglomeracích u spalin aplikovány odsiřovací a denitrifikační způsoby.

1.4.2 Vysoké pece Cílem vysokopecní výroby je oddělení vyredukovaného železa od hlušiny, tedy výroba surového železa. Tento proces probíhá ve vysokých pecích, které jsou dominantním hutním agregátem (viz výše kap. 1.2.2).

1 . 4. 2 . 1 E m i s e Mezi větší zdroje tuhých a plynných emisí na vysokých pecích patří následující místa a technologické operace: -

manipulace se vsázkovým materiálem, sazebna vysokých pecí, odfuk vysokopecního plynu, odpich vysoké pece, ohřívače větru.

Manipulace s materiálem. Odprášení dopravních cest a uzlů je řešeno běžnými způsoby s použitím mechanických odlučovačů. Sazebna vysokých pecí. Při zavážení vysokých pecí a následkem netěsnosti sazebny dochází k exhalacím vysokopecního plynu, který obsahuje prachové částice (až 30 g/mn3). Přibližný výpočet emise se počítá z objemu mezizvonového prostoru a počtu zdvihů zvonu (cca 0,2 ÷ 0,3 % celkového vyrobeného plynu). Odfuk vysokopecního plynu. Při vlastním provozu, opravách a před spouštěním a odstavováním vysokých pecí z provozu dochází k odfoukávání velkého množství vysokopecního plynu atmosférickými ventily (cca 0,06 až 0,23 % vyrobeného množství plynu). Surový plyn obsahuje prachové částice, jak již bylo uvedeno až do obsahu 30 g/mn3. V některých případech (v důsledku přebytku) dochází k odfuku již vyčištěného plynu. Vzhledem k tomu, že vysokopecní plyn obsahuje asi 25 % obj. CO, musí být všechny hutní závody vybaveny spalovacím zařízením. Odpich vysoké pece. Při odpichu vysoké pece vznikají nad žlaby, pánvemi a pojízdnými mísiči tepelné vzestupné proudy, které s sebou unášejí vedle plynných i tuhé emise. V moderních hutních závodech je tento problém řešen zakrytím žlabového systému, odsáváním exhalací s následným odlučováním prachu. 25


Ohřívače větru. Ohřívače větru obsahují znečišťující látky běžné pro spalovací procesy (SO2, NOx, CO). Obsah SO2 ve spalinách závisí na množství použitého neodsířeného koksárenského plynu (2 ÷ 3 g H2S/mn3). Obsah NOx závisí na teplotě ohřívačů větru.

1.4.2.2 Odpadní vody Odpadní vody vznikají na vysokých pecích při: -

chlazení vysokých pecí, čištění vysokopecního plynu, při granulaci vysokopecní strusky.

Chlazeni vysoké pece se provádí nepřímo oběhovou vodou. Odpadní vody vznikají pouze odluhem a odkalem z tohoto cirkulačního oběhu. Pod pojmem odluh označujeme vypuštěnou vodu z cirkulačního vodního hospodářství za účelem snížení obsahu RL, a odkal za účelem snížení obsahu NL. Čištění vysokopecního plynu. Při čištění vysokopecního plynu (nejčastěji Venturiho pračkami) dochází k přímému znečištění oběhové vypírací vody značným množstvím NL a RL. K čištění těchto vod se nejčastěji používá kruhových usazovacích nádrží. Usazování kalu je obvykle urychlováno koagulátory (síran železnatý, síran hlinitý, polyakrylamid atd.). V důsledku vysokého obsahu CO2 ve vysokopecním plynu dochází ke vzniku nerozpustných uhličitanů (Ca, Mg i Zn) v celém oběhovém systému vypírací vody. Aby se odstranila nebo snížila tvorba těchto inkrustů, provádí se na některých vysokopecních provozech fosfátování nebo její rekarbonizace. Fosfátování spočívá v přidávání fosforečných solí (směs anorganických polyfosforečnanů). Tyto polyfosfáty převádí vzniklé uhličitany do komplexních solí a udržují je v roztoku. Rekarbonizace spočívá v umělém zvýšení obsahu CO2 v oběhové vodě před jejím vstupem do chladící věže a čistírny plynu. Zvýšení obsahu CO2 se dociluje přiváděním spalin do oběhové vody. Zvýšený obsah CO2 zabraňuje rozpadu aniontu (HCO3-) a způsobuje rozpouštění zárodečných krystalů anionty CO32-. Odpadní vody z granulace vysokopecní strusky jsou znečištěny NL a RL. Granulace vysokopecní strusky spočívá v jejím rychlém ochlazení, přičemž se struska rozdrobí na drobné částice. V podstatě struska může být granulována několika způsoby, a to mokrým způsobem, polosuchým způsobem, popř. sléváním s vodou ve žlabech, nebo speciálních nádržích. Ve světě jsou rozvíjeny rovněž suché postupy s využíváním tepla strusky. V současné době však převládá mokrý způsob granulace, kdy je žhavá struska vylévána do vody. Tento způsob granulace má obvykle samostatné vodní hospodářství. Při granulaci strusky dochází ke značným úbytkům vody následkem odparu, rozstřiku a vlhkosti granulátu (spotřeba asi 1 m3 na 1 tunu strusky).

1 . 4. 2 . 3 Odpady Výroba surového železa patři mezi největší zdroje odpadů v hutích. Největším zdrojem odpadu je vysokopecní struska a zachycený úlet při čištění vysokopecního plynu. Vysokopecní struska. Při výrobě 1 t surového železa vzniká cca 600 kg strusky. Ve světovém hutnictví podstatně méně, vzhledem k vyšším podílům železa ve vysokopecní vsázce. Vysokopecní struska se využívá zejména ve stavebnictví jako štěrk (50 % produkce), 26


suchý granulát (40 %) a pemza (2 %). Zachycený úlet. Úlet představuje prach a kaly zachycené při čištění vysokopecního plynu. Prach se zachytí v prašníku (cca 60 až 70 %), zbytek se zachytí v mokrých odlučovačích jako kal. Prach s obsahem 35 ÷ 45 % Fe, 10 ÷ 15 % C a cca 10 % CaO, s poměrně nízkým obsahem Zn, Pb dává dobré podmínky k recyklaci (aglomerace, zpět do vysoké pece jako vsázka). Vysokopecní kaly obsahují 30 ÷ 40 % Fe. Vzhledem k vyšším obsahům Zn, Pb a Cd je jejich recyklace omezena. Světový vývoj z hlediska minimalizace vlivu vysokých pecí na životní prostředí směřuje zejména ke snižování emisí při odpichu (zakrytí žlabových systémů a odsávání vzduchu znečištěného prachem) a k použití technologií suchého čištění vysokopecního plynu (bez vysokopecních kalů). Nepřímo vedou ke snížení jejich vlivu na životní prostředí i aplikované technologie foukání uhlí výfučnami vysokých pecí (náhrada koksu). Hlavním požadavkem a směrem vývoje je snižování energetické náročnosti při výrobě surového železa, zejména náhrada koksu. Proto se perspektivní vývoj soustřeďuje na bezkoksové redukční procesy jako např. přímé redukce (výroba železné houby) a tavné redukce ve vícedílných reaktorech. Budou-li v budoucnosti z ekologických důvodů vyvozovány neúměrně vysoké ekonomické tlaky na minimalizaci vlivu koksoven a aglomerací na ŽP, mají tyto nové procesy velkou perspektivu.

Literatura (kap. 1): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] HLUCHÝ, Miroslav et al. Strojírenská technologie. Praha: SNTL, 1975. 344 s. [3] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986. [4] UN–ECE Task Force Management on By-Products/Residues Containing Heavy Metals and/or Persistent Organic Pollutants. Status Report compiled by HACKL, A.E., SAMMER, G., WINTER, B. Wien: Umweltbundesamt, 2001. [5] http://vyrobazeleza.wz.cz/ [6] http://www.ikaros.cz/node/4449 [7] http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/vyroba_zeleza.html [8] http://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDelezo [9] http://mujweb.atlas.cz/www/ucikrus/ref-zelezo_a_jeho_vyroba.htm

27


2 Výroba oceli Surové železo vyrobené ve vysoké peci je vlivem značného obsahu uhlíku (až 4,5 %) i ostatních prvků (Si, Mn, P a S) málo pevné, křehké a nedá se tvářet. Snížením obsahu uhlíku pod 1,8 % se změní surové železo v železo kujné (ocel). Jeho mechanické vlastnosti dále podstatně zlepšíme snížením obsahu, popřípadě úplným odstraněním škodlivých prvků, zejména fosforu a síry. Toho dosáhneme zkujňováním, při němž se uhlík i ostatní prvky obsažené v surovém železe spalují působením oxidačních látek a kyslíku ze vzduchu. Děje-li se zkujňování při teplotě 1 200 až 1 300 °C, získáme svařením jednotlivých ocelových zrn ocel svářkovou. Dnešní způsoby výroby oceli však probíhají skoro výhradně při vyšších teplotách (nad 1 600 °C), takže vyráběná ocel zůstává až do konce zkujňovacího procesu tekutou. Dostáváme tak ocel plávkovou. Ocel běžné jakosti vyrábíme většinou v konvertorech nebo v plamenných pecích. Dřívější výroba kvalitních ocelí kelímkových již zanikla a je nahrazena výrobou oceli v elektrických pecích. Surové železo vypuštěné z vysoké pece a určené ke zkujňování je odváženo v pánvích do ocelárny, kde je vléváno nejprve do mísičů čili směšovačů (obr. 2.1). Jsou to válcové nebo hruškovité nádoby, žáruvzdorně vyzděné, o obsahu až na 2 000 t surového železa, z nichž se tekuté surové železo podle potřeby odebírá ke zkujňování. Zařazení mísiče do výrobního procesu má tyto výhody [2]: a) Pojme značné množství surového železa, takže nemůže nastat přerušení v jeho dodávce od vysokých pecí. b) Zabezpečuje stejnoměrnou teplotu a rovnoměrné chemické složení velkého množství surového železa v něm obsaženého. c) Přísadami lze v mísiči měnit složení surového železa tak, jak to vyžaduje zkujňovací způsob. d) Účinkem manganu, který má větší slučivost se sírou než se železem, se vyloučí v mísiči ze surového železa až 40 % síry v něm obsažené. Vzniklý sirník manganatý (MnS) vyplave k povrchu a přejde do strusky.

Obr. 2.1 Válcový mísič

28


2.1 Výroba oceli v plamenných pecích (martinských) V minulosti to byl u nás nejrozšířenější zkujňovací způsob. Jeho hlavní výhodou je možnost zpracovávat nejen tekutou, ale i pevnou vsázku a využít tím ocelového odpadu (šrotu).

2.1.1 Martinské pece Martinské pece jsou podle konstrukce buď pevné, nebo sklopné - Talbotovy (obr. 2.2) a podle vyzdívky buď zásadité (dolomit nebo magnezit), nebo kyselé (dinas). Stavějí se na obsah 20 až 500 tun oceli, a to do obsahu asi 150 t jako pevné a pro větší obsah jako sklopné kolem jejich podélné osy. Velké pece jsou hospodárnější než malé. Sklopné pece mají proti pevným tu výhodu, že jejich obsah je možno vypouštět po částech a každou jeho dávku v pánvi upravit vhodnými přísadami, takže z jedné tavby lze vyrobit několik různých druhů oceli. Střední sklopná část pece se natáčí elektricky nebo hydraulicky, přičemž se valí po válcích uložených na kruhových drahách dvou stojanů. Dnes používáme většinou pecí zásaditých, které jsou zpravidla větší než kyselé a dovolují zpracovávání surovin s téměř libovolným obsahem fosforu. Jako paliva používáme většinou plynu (generátorového nebo směsi plynu koksárenského s vysokopecním), méně paliva tekutého nebo pevného (práškového). Generátorový plyn vyrábíme v plynových generátorech působením vzdušného kyslíku a vodní páry na žhavé palivo (černé nebo hnědé uhlí). Jeho výhřevnost je 4,2 až 6,3 MJ/m3. Koksárenský plyn vzniká při výrobě koksu suchou destilací černého uhlí a má výhřevnost 15,3 až 16,8 MJ/m3 [3]. Vysokopecní plyn vzniká při výrobě surového železa ve vysoké peci (jeho výhřevnost je jen 3,2 až 4,0 MJ/m3 [3]).

Obr. 2.2 Sklopná pec Talbotova

Hlavními částmi pece jsou nístěj a regenerační komory s rozvodným ústrojím. Nístěj má tvar obdélníkové mísy, do níž jsou sázeny suroviny sázecími dvířky upravenými v přední stěně pece. Dno nístěje, na němž se shromažďuje tekutý kov pokrytý vrstvou strusky, se svažuje dozadu k odpichovému otvoru, kterým je vypouštěna hotová ocel. Vně pece pak 29


přechází v odpichový žlábek. Nahoře je nístěj uzavřena klenbou. Regenerační komory, které jsou vyplněné kanálkovým zdivem ze šamotových cihel, slouží k předehřívání plynu a vzduchu před vstupem do pece, a to až na teplotu 1 200 °C. Jsou umístěny buď přímo pod pecí, nebo pod pracovní plošinou. Ohřátý plyn a vzduch pak proudí např. z levého páru komor kanály (tahy) do nístěje, kde se smísí na hořlavou směs a shoří. Zplodiny hoření předávají největší část svého tepla vsázce, procházejí pak ještě horké pravým párem regeneračních komor, vyhřívají je a odcházejí do komína. Když se uvedený levý pár komor procházejícím plynem a vzduchem ochladil, změníme směr proudu plynu a vzduchu rozvodným ústrojím tak, že procházejí napřed pravým párem komor a zplodiny hoření vyhřívají levý pár komor. Na počátku zkujňovacího pochodu je směr proudění měněn asi po půl hodině, ke konci již po 10 až 3 minutách. Tím je možno dosáhnout v nístěji co nejvyšší teploty (až 1 750 °C). Suroviny jsou do pece dopravovány sázecími stroji nebo sázecími koši. Průběh tavby je sledován na vzorcích, jež jsou odebírány po 20 až 30 minutách. Je prováděn chemický rozbor složení oceli, dále zkoušení chování oceli při lití, zkoumán lom vykované zkušební tyče a vzhled ztuhlé strusky. Má-li tavba žádané složení, nezoxiduje se feromanganem nebo ferosiliciem (viz výše kap. 1.1.1.2). Potom následuje odpich, kdy je ocel vypouštěna z pece do licích pánví. Celý zkujňovací pochod trvá podle velikosti pece a podle složení vsázky 4 až 8 i více hodin. Martinské pochody je možno rozdělit podle druhu vyzdívky pece na zásadité a kyselé, podle složení zavážky na rudné a odpadkové. Rudný pochod je vhodný tam, kde je k dispozici kyslíková železná ruda a dostatek tekutého surového železa, tj. v ocelárnách, které jsou v blízkosti vysokých pecí. Podstatnou část vsázky tvoří tekuté surové železo a asi 25 % váhy vsázky je železná ruda. Hlavní výhodou rudného pochodu je využití tepla tekutého surového železa. Další výhodou je možnost zpracovávání surového železa, které má málo fosforu pro thomasování nebo zase mnoho pro odpadkový pochod. Pro rudný pochod používáme jen pecí se zásaditou vyzdívkou. Odpadkovým pochodem zpracováváme velké množství odpadního a starého ocelového materiálu. Největší část vsázky tvoří tedy ocelový šrot a asi 30 % váhy vsázky surové železo. Je-li vsázka téměř prosta fosforu i ostatních škodlivých přimíšenin, použijeme k tomuto pochodu pece s kyselou vyzdívkou. Ocel vyrobená v kyselé martinské peci je kvalitnější než ocel z pece zásadité, protože je lépe odkysličněna a obsahuje méně plynů.

2.1.2 Talbotův pochod Talbotův pochod je nepřetržitý zásaditý rudný pochod ve sklopné peci o velkém obsahu. Na rozdíl od normálního martinského pochodu nevypouštíme vyrobenou ocel všechnu, nýbrž jen asi dvě třetiny. Zbytek zůstává v peci jako základ pro další tavbu. Tím dosahujeme značného zrychlení pochodu a prodlužujeme životnost pece, která netrpí velkým rozdílem teplot mezi sázením a odpichem.

2.1.3 Kombinované pochody Při kombinovaných (duplexních) zkujňovacích pochodech používáme dvou ocelářských pecí. Jedné jako předběžné a druhé jako dokončovací, v níž se předběžně vyrobená ocel rafinuje. 30


U nás jsou využívány tzv. tandemové pece, které využívají tepla spalin z jedné nístěje k předehřevu vsázky ve druhé, vedlejší nístěji. Tento nístějový kyslíkový proces se technickými a ekonomickými parametry přibližuje ke konvertorům. Dále je možno použít i těchto kombinací: Thomasův konvertor - zásaditá martinská pec, zásaditá martinská pec - kyselá martinská pec, martinská pec - elektrická pec apod. Zvýšení produktivity práce při výrobě oceli martinskými pochody je dosahováno zkrácením doby tavby (tzv. rychlotavby). Pomáhá k tomu vhánění kyslíku do lázně.

2.2 Výroba oceli v konvertorech Konvertor (obr. 2.3) je velká sklopná ocelová nádoba, hruškovitého tvaru, vyzděná žáruvzdornou hmotou, která je buď kyselá (při bessemerování), nebo zásaditá (při thomasování). Konvertor je uložen v ocelovém kruhovém pásu s čepy, kolem nichž je sklopný. Sklápění se děje hydraulicky posuvným hřebenem, který zabírá do ozubeného kola naklínovaného na jednom z čepů. Druhým (dutým) čepem je vháněn studený vzduch do skříně ve dně konvertoru a z ní dírkovaným dnem do konvertoru. Dno konvertoru velmi trpí a musí se často vyměňovat, kdežto vyzdívka vydrží několik desítek taveb. Proto je dno od ostatního zdiva odděleno. Vzduch o tlaku 0,15 až 0,30 MPa dodávají dmychadla. Konvertory se stavějí na 15 až 60 tun surového železa.

Obr. 2.3 Konvertor

Výrobní pochody v konvertorech: Skloněný konvertor naplníme tekutým surovým železem, začneme foukat vzduch a konvertor postavíme do svislé polohy. Vzduch prochází lázní a kyslík v něm obsažený okysličuje (spaluje) prvky obsažené v surovém železe. Tímto spalováním se vyvíjí velké množství tepla a teplota, která byla na počátku asi 1 300 °C, stoupá na 1 600 °C i více, takže lázeň zůstává až do konce pochodu tekutá. Nejvíce tepla se vyvíjí spalováním Si, P a C. Správné množství uhlíku vyrovnáme po skončení pochodu přidáním vhodné feroslitiny (zrcadloviny), která obsahuje větší množství uhlíku. Vyrobená ocel obsahuje kyslík a musíme 31


ji proto odkysličit (feromanganem nebo zrcadlovinou - viz výše kap. 1.1.1.2). Po skončení pochodu konvertor sklopíme a vyrobenou ocel vylijeme do pánve. Celý pochod trvá 15 až 25 minut a jeho pracovní schéma je na obr. 2.4 (a – plnění surovým železem, b – foukání vzduchu /zkujňování/, c – vylévání oceli).

Obr. 2.4 Jednotlivé fáze činnosti konvertoru

2.2.1 Bessemerův způsob Bessemerovým způsobem lze zpracovat surové železo obsahující 1 až 2 % Si a co nejméně P (pod 0,1 %). Hlavním palivem je zde Si a C. Vyzdívka konvertoru je povahy kyselé (kysličník křemičitý). Bessemerova způsobu u nás nepoužíváme, protože naše surová železa obsahují více než 0,1 % P.

2.2.2 Thomasův způsob Pro nás je důležitý způsob Thomasův, kterým zpracováváme surové železo vyrobené z našich rud obsahujících hodně fosforu. Konvertor má vyzdívku zásaditou (dolomit) a železo v něm zpracované musí mít nejméně 2 % P a co nejméně Si (pod 0,7 %). K vázání fosforu přidáváme do lázně vápno, z něhož vzniká struska, která se dříve zpracovávala na Thomasovu moučku (hnojivo).

2.2.3 Kyslíkové konvertory Progresivním směrem vývoje ve výrobě oceli je použití kyslíkových konvertorů. Zkujňovací pochod v nich je v podstatě stejný jako v Thomasových konvertorech, avšak místo vzduchu se dmýchá čistý kyslík na hladinu kovu. Konvertor je zásaditě vyzděn a má plné dno. Kyslík do něho proudí chlazenou měděnou tryskou pod tlakem 0,40 až 1,18 MPa. Tryska se dá vysunout, aby bylo možno konvertor sklápět. Před nalitím surového železa je vloženo do konvertoru 2/3 potřebného vápna a ocelový odpad. Zbytek vápna je přidán během pochodu. Celkem se spotřebuje 50 až 75 kg vápna na 1 tunu vyrobené oceli a asi 55 m3 kyslíku. Dmýcháním prachových přísad (vápna a rudy) se reakce zrychlí a spotřeba přísad a kyslíku sníží. Má-li surové železo velký obsah fosforu, je lépe při zkujňování konvertor sklopit do vodorovné polohy a dát lázni určitý nucený pohyb, který zvyšuje styk strusky s kovem. Tak byl vyvinut pochod v rotačních nádobách - rotorech. 32


Kyslíkový konvertor lze též srovnávat s martinskou pecí pracující rudným pochodem, neboť v obou výrobních jednotkách se vyrábějí oceli běžné jakosti i ušlechtilé druhy oceli. Při stejných vsázkových podmínkách je ocel vyrobená v kyslíkovém konvertoru kvalitnější než ocel martinská. Výkony kyslíkových konvertorů jsou mnohem větší než výkony martinských pecí. Kyslíkový konvertor má stejný hodinový výkon jako martinská pec o obsahu desetkrát větším. Doba tavby v martinské peci trvá průměrně 6 až 8 hodin, v kyslíkovém konvertoru o stejném obsahu trvá jen 30 až 40 minut. Přitom investiční náklady ocelárny včetně kyslíkárny jsou nižší než u martinské ocelárny (cca na úrovni 70 %). První ocelárny s kyslíkovými konvertory byly dány do provozu v roce 1952 (Rakousko - Linec a Donauwitz). Od té doby se rychle rozvíjely. Velikost kyslíkových konvertorů se zvětšila ze 30 na 230 tun. V současnosti je přírůstek světové výroby oceli získáván převážně z kyslíkových konvertorů.

2.3 Výroba oceli v elektrických pecích Nejkvalitnější druhy uhlíkových a slitinových ocelí jsou vyráběny v elektrických pecích. Zdrojem tepla je zde elektrická energie. Ocel se tu neznečišťuje zplodinami hoření, jako je tomu při používáni paliva. Vysoké teploty dosahované v těchto pecích umožňují vznik dobře tekuté zásadité strusky, takže můžeme vyrobit ocel s velmi malým obsahem síry a fosforu. Vyráběná ocel je velmi tekutá, takže z ní snadno odstraňujeme nečistoty. Surovinou je zpravidla odpadová ocel a tekutá nebo ingotová ocel konvertorová nebo martinská. Elektrické pece se stavějí vesměs jako sklopné. Dělíme je podle způsobu přeměny elektrické energie v tepelnou na obloukové a indukční, podle povahy vyzdívky na zásadité a kyselé.

2.3.1 Obloukové pece V pecích obloukových se vsázka taví teplem elektrického oblouku vytvořeného mezi elektrodami a lázní, jakož i odporovým teplem proudu, který prochází lázní. Působením vysoké teploty oblouku (3 000 až 3 200 °C) lze ze vsázky téměř úplně vyloučit fosfor a síru.

Obr. 2.5 Elektrická oblouková pec

33


Vyrobená ocel se dobře hodí k odlévání tenkostěnných odlitků. Nejznámější a nejpoužívanější je oblouková pec Heroultova (obr. 2.5). Její klenbou procházejí tři stavitelné uhlíkové elektrody, do nichž se přivádí třífázový proud o napětí 100 až 200 V a vysoké intenzitě. Nevýhodou je možnost nauhličení tekuté oceli tím, že do ní spadne kus uhlíkové elektrody.

2.3.2 Indukční pece V pecích indukčních se vsázka taví odporovým teplem. Tyto pece jsou vlastně transformátory, jejichž sekundární vinutí tvoří kovová vsázka. Dělíme je na nízkofrekvenční (indukční pece s jádrem) a vysokofrekvenční (indukční pece bez jádra). Nejpoužívanější je vysokofrekvenční indukční pec Northrupova (obr. 2.6). Je to v podstatě kelímek ze žáruvzdorné hmoty vložený do primární cívky, vytvořené závity z měděné trubky, kterou protéká chladicí voda. Sekundární cívku tvoří náplň kelímku (vsázka). Prochází-li primárním vinutím proud o vysoké frekvenci (500 až 2 000 Hz), vznikají ve vsázce vlivem silného magnetického pole vířivé proudy, jejichž účinkem se kov roztaví a dobře promíchává. Indukční pece jsou velmi výhodné pro výrobu slitinových oceli přesného chemického složení. Proti obloukovým pecím mají ještě tu přednost, že tepelné ztráty v nich jsou malé a teplotu lze lépe kontrolovat a regulovat. Jejich nevýhodou však je, že obsah síry a fosforu v nich nelze snížit. Proto v nich zpracováváme surovinu prostou síry a fosforu.

Obr. 2.6 Vysokofrekvenční indukční elektrická pec

2.4 Odlévání oceli Po skončení zkujňovacího procesu vypouštíme z pece vyrobenou ocel zároveň se struskou do licí pánve (obr. 2.7), zpravidla zavěšené na jeřábu. Z pánve vypouštíme ocel otvorem ve dně, takže struska, která plave na povrchu kovu, zůstává v pánvi a chrání tak ocel před rychlým chladnutím a před okysličením. Otvor se uzavírá půlkulovou grafitovou zátkou, která je připevněna k ocelové tyči ovládané ruční pákou.

34


2.4.1 Odlévání do ko kil a do slévárenských forem Ocel ze slévací pánve vypouštíme do kovových forem, tzv. kokil (obr. 2.8), ve kterých tuhne na ingoty, nebo ji odléváme do slévárenských forem, v nichž tuhne na ocelové odlitky (ocelovou litinu - litou ocel). Ocel v podobě ingotů a tekutou ocel na odlitky nazýváme surovou ocelí. Velké kokily plníme zpravidla jednotlivě horem, což je jednodušší a levnější. Kokily jsou přitom postaveny v licích jamách nebo na speciálních vozících. Při plnění horem se ocel v kokile rozstřikuje, rozstříknuté kapičky se okysličují a uchycují se

Obr. 2.7 Licí pánev

na stěnách kokily nebo padají zpět do odlité oceli. Tím vznikají na ingotu povrchové šupiny, popřípadě podpovrchové bubliny, které zhoršují jakost ingotu. Rozstřikování oceli se snažíme zmenšit co nejmenší vzdáleností dna pánve od kokily. Tím však velmi ztížíme kontrolu povrchu oceli v kokile při odlévání. Malé a středně velké kokily plníme hromadně spodem (obr. 2.8). Tento způsob je nákladnější, neboť příslušná lící souprava je složitější. Jeho předností je však velký počet současně odlévaných ingotů. Hladina oceli v kokilách stoupá klidně, takže rozstřikování oceli je minimální a odlitá ocel je uvnitř i na povrchu ingotu čistší než ocel litá horem. Také postup odlévání v kokilách se dá snadno kontrolovat. Plnění kokil spodem používáme proto zejména při odlévání jakostních ocelí. Po ztuhnutí oceli stáhneme kokily z ingotů (stripování). Mají-li se ingoty dále zpracovávat, vkládáme je ještě žhavé do hlubinných pecí, kde se stejnoměrně prohřejí na teplotu potřebnou k jejich tváření. Zpracováváme je pak ve válcovnách, kovárnách a lisovnách (viz dále kap. 3).

Obr. 2.8 Kokily (úprava pro lití spodem)

35


2.4.2 Kontinuální odlévání oceli Pro zhospodárnění výroby zavádíme kontinuální odlévání oceli, jehož princip je naznačen na obr. 2.9 a 2.10. Tekutou ocel vypouštíme z pánve do kokily chlazené vodou (krystalizátoru). Poloztuhlá ocel klesá, prochází proudem vody a zcela ztuhne v mohutnou ocelovou tyč. Přístrojem pro řezání kyslíkem rozřezáváme ocelovou tyč na kusy žádané délky, takže nevzniká nežádoucí odpad. Odříznuté kusy tyče se dopravují válečkovým transportérem k dalšímu zpracování. Průřez vyrobených tyčí je různý a je dán průřezem použitého krystalizátoru.

Obr. 2.9 Kontinuální odlévání ingotů

36


Obr. 2.10 Kontinuální odlévání oceli (vertikální a obloukové zařízení)

Vlivem různých okolností při výrobě oceli a zejména při jejím odlévání se objevují na povrchu nebo uvnitř ingotů větší nebo menší vady. Povrchové vady, jako trhliny, póry, bubliny apod., se dají odstranit poměrně snadno. Vnitřní vady, jako vnitřní trhliny, staženiny, vycezeniny apod., zjišťujeme velmi obtížně. Mohou se pak nepříznivě projevit při dalším zpracování ingotu nebo dokonce až na hotovém výrobku. Vzniku těchto vad zabraňujeme např. správnou licí teplotou, tlakovými hlavami (obr. 2.8), které pak z ingotu odřízneme, spodním litím apod.

2.5 Vliv výroby oceli na životní prostředí V České republice je ocel vyráběna čtyřmi technologickými postupy: -

v nístějových pecích Siemens - Martinských a März - Böhlensových,

-

ve dvounístějových pecích tandemových, v konvertorech (LD proces a OXYVIT), v elektrických obloukových pecích.

Převážná část oceli je ve světě vyráběna v kyslíkových konvertorech. Rovněž v České republice neustále stoupá podíl oceli vyráběných touto technologií. Moderní technologie se vyznačují i menším podílem na znečišťování životního prostředí, zejména nižšími emisemi.

2.5.1 Emise 2 . 5 . 1 . 1 M a r t i n s ké p e c e Celkové množství emisí je závislé na celé řadě vlivů, zejména na druhu pochodu (u rudného je úlet vyšší než u šrotového), druhu paliva (u oleje je úlet vyšší), druhu hořáků a na intenzifikaci výroby kyslíkem [1, 4]. Tuhé emise. Koncentrace prachu ve spalinách je různá a mění se podle tavby (rozmezí 0,1 ÷ 0,7 g/mn3 spalin). Při intenzifikaci kyslíkem může dosáhnout až několik desítek g/mn3. Celkové emise (emisní faktor) se pohybuje v rozmezí od 1 ÷ 3 kg/t oceli. Při intenzifikaci kyslíkem je nutné k čištění spalin použít výkonné odlučovače. Vzhledem k obsahu velmi jemné frakce není možné použít mechanických odlučovačů. Výhodné je použití hadicových tkaninových filtrů. Plynné emise. Emise SO2 jsou závislé na druhu použitého paliva. Topné oleje obsahují cca 2 % síry. Koncentrace SO2 ve spalinách se pohybují v širokém rozmezí 0,1 ÷ 2 g/mn3. Emise NOx jsou nejvýznamnější ze všech uvedených technologií výroby oceli (0,4 ÷ 0,6 g/mn3 spalin), emisní faktor se pohybuje od 2,4 ÷ 4,3 kg/t oceli.

2.5.1.2 Tandemové pece Tandemové pece využívají tepla spalin z jedné nístěje k předehřevu vsázky ve druhé, vedlejší nístěji. Tento nístějový kyslíkový proces se technickými a ekonomickými parametry přibližuje ke konvertorům. Tuhé emise. Koncentrace prachu ve spalinách se pohybují v rozmezí 15 ÷ 20 g/mn3. K tandemovým pecím bývají v našich podmínkách zařazeny mokré odlučovače typu Venturiho praček. Hodnoty emisí jsou nízké a pohybují se v rozmezí 50 ÷ 100 mg/mn3. 37


Plynné emise. Emise SO2 jsou nízké a jsou závislé na obsahu síry ve vsázce. Odhadují se podobně jako u konvertorů na hodnotu 1,6 g/t oceli. Emise NO x jsou nižší než u martinských pecí (0,06 ÷ 0,5 g/mn3), emisní faktor 50 g/t oceli.

2.5.1.3 Konvertory Kyslíkové konvertory mají nejnižší emise vzhledem k ostatním způsobům výroby oceli. U konvertorů je využívána nejmodernější odlučovací technika. Množství odpadních plynů se pohybuje od 70 ÷ 90 m3/t oceli (obsahují velké množství CO). Teplota plynů je vysoká 1550 ÷ 1660 °C a na konci tavby až 1800 °C. Tuhé emise. Obsah prachu v plynu z konvertorů se pohybuje v širokém rozmezí podle intenzity tavby (od 160 ÷ 400 g/mn3). Ve spáleném plynu klesá na 15 ÷ 40 g/mn3. Pro odlučování prachu se používá elektrických, ale i mokrých odlučovačů. U mokrých odlučovačů se dosahuje velmi nízkých emisních hodnot 20 ÷ 60 mg/mn3 spalin. Plynné emise. Emise SO2 jsou závislé na obsahu síry v surovém železe. Obsah SO2 v konvertorovém plynu je velmi nízký a pohybuje se v rozmezí 20 ÷ 100 mg/mn3. Emise NOx v konvertorovém plynu nejsou prakticky obsaženy, vznikají až jeho následným spálením. Koncentrace NOx ve spalinách bývají 100 ÷ 300 mg/mn3, emisní faktor 0,05 kg/t oceli. Emise CO jsou likvidovány jeho spalováním s využitím tepla ve spalinovém kotli.

2 . 5. 1 . 4 E l e k tr i c k é p ec e Elektrické obloukové pece se používají k výrobě nejkvalitnějších ocelí. Vlastní výrobní náklady jsou až čtyřnásobné oproti konvertorové výrobě. Množství odcházejících plynů se pohybuje v rozmezí 80 ÷ 200 m3/t oceli. Přisáváním vzduchu se jejich množství zvyšuje až na dvojnásobek. Tuhé emise. Pro odlučování prachu jsou používány obvykle látkové hadicové litry. Mohou však být použity i odlučovače mokré (typu Venturi). Emisní faktor by neměl překročit hodnotu 0,01 ÷ 0,06 kg/t oceli. Plynné emise. Emise SO2 jsou velmi nízké a závisí na obsahu síry ve vsázce. Obsah NOx je udáván 550 mg/mn3 spalin. Světový vývoj směřuje ke zvyšování podílu výroby oceli v kyslíkových konvertorech a kvalitních ocelí v elektrických obloukových pecích. Je zvyšována účinnost odprášení spalin pomocí nových účinnějších odlučovačů. Významným prvkem v modernizaci oceláren je kontinuální odlévání oceli. Tato technologie značně snižuje potřeby tepla na ohřev ingotů a vylučuje jejich ohřev v hlubinných pecích. Pro hutní podniky přináší tato technologie nejen značný ekonomický přínos, ale výrazně snižuje emise (zejména za úspory v topných médiích).

2.5.2 Odpadní vody V ocelárnách se obvykle používají dva oběhové okruhy vod. V prvním okruhu se voda používá pro nepřímé chlazení. Ve druhém okruhu je používána přímo v jednotlivých technologických operacích a vznikají odpadní vody: -

z mokrého čištění spalin,

38


-

z chlazení plynulého odlévání oceli, z chlazení a čištění kokil.

Největší pozornost je věnována odpadním vodám z mokrého čištění spalin. Obvykle vzniká 4,5 ÷ 6,5 m3 odpadní vody na 1 t oceli. Voda obsahuje NL a RL. Obsah NL v odpadní vodě se mění podle průběhu tavby od 1 ÷ 12 g/l. Oběhové vody z plynočistíren konvertorů a mokrého čištění spalin ostatních ocelářských pecí se obvykle čistí v kruhových usazovacích nádržích na koncentraci NL 30 ÷ 100 mg/l a před opětovným použitím se ochlazují v chladicích věžích na teplotu 20 ÷ 40 °C.

2.5.3 Odpady Ocelárenská struska a zachycené prachy a kaly z čištění spalin ocelářských pecí patří mezi problematickou skupinu odpadů hutních podniků. Ocelárenská struska. Po chemické stránce obsahují ocelárenské strusky velký podíl železa (18 ÷ 24 %), manganu (4 ÷ 7 %) a fosforu (okolo 1 %). Dále obsahují SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cr, S a další látky [1]. Při jejich recyklaci v hutnictví je využíváno jejich železné substance. Po rozdrcení strusky je tento podíl magneticky odseparován a jako kovový odpad je přímo využitelný zpět v ocelárnách. Oxidické formy Fe, Mn a CaO jsou využívány ve vsázce pro aglomerace a vysoké pece (jejich vyšší využití limituje obsah P a Cr). Průměrný obsah železa v surových struskách je 20 %, v upravených struskách po drcení a magnetické separaci 10 %. V nevyužívaných ocelárenských struskách odchází velké množství železné substance jako ztráta pro hutní podnik. Ocelárenská struska byla v minulosti hojně využívána (s ohledem na obsahy Ca a Mg) jako hnojivo a pro neutralizaci překyselených půd. V současné době je situace jiná, neboť příslušná environmentální legislativa většinou neumožňuje použití strusky pro výše uvedené účely v zemědělství. Zejména problematický je obsah chrómu v ocelárenských struskách (průměrný obsah 0,5 %, tj. 5000 mg/kg strusky). Chróm je sice ve strusce v trojmocné formě, avšak v kyselých půdách po rozpuštění a oxidaci jsou podmínky pro jeho přechod na kancerogenní šestimocnou formu.

Literatura (kap. 2): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] HLUCHÝ, Miroslav et al. Strojírenská technologie. Praha: SNTL, 1975. 344 s. [3] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986. [4] DRABINA, Kamil et al. Ochrana ŽP v hutnictví železa. Účelová publikace. Třinec: 1992. I. a II. díl, 248 s. + přílohy. [5] http://vyrobazeleza.wz.cz/ [6] http://www.ikaros.cz/node/4449 [7] http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/vyroba_zeleza.html [8] http://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDelezo 39


3 Tváření kovů za tepla a za studena 3.1 Ohřívací pece Materiál určený k tváření (ingoty) ohříváme nejčastěji v pecích hlubinných nebo v pecích plamenných (obr. 3.1) vytápěných většinou plynem [2].

Obr. 3.1 Plamenná pec

Zvláštním druhem těchto pecí pro hromadnou výrobu výkovků jsou pece určené k plynulému ohřevu - pece kontinuální (průběžné - obr. 3.2). Na jednom konci je vkládán na dopravník studený materiál a na druhém konci vychází materiál ohřátý. Při průchodu pecí se materiál ohřeje na danou tvářecí teplotu.

Obr. 3.2 Kontinuální (průběžná) pec

Menší předměty pro kování je možno ohřívat ve výhních, což se využívalo zejména v minulosti. V sériové nebo hromadné výrobě nebo na automatizovaných linkách je využíváno ohřevu elektrického, zpravidla vysokofrekvenčního indukčního nebo dielektrického. Velkou výhodou je možnost ohřívat jen určité místo součásti a také čistota a rychlost ohřátí.

40


3.2 Válcování plochých a tvarových materiálů a plechů Válcování je zpracování tvárných kovů, většinou za tepla, mezi dvěma válci otáčejícími se proti sobě. Materiál se válcováním prodlužuje a současně stlačuje (zmenšuje se průřez). Válcováním vznikne z ingotu nejdříve předvalek (tedy polotovar) - na předvalovacích stolicích. Z těchto předvalků se pak vyrobí na dovalovacích zařízeních konečný výrobek - vývalek (tyčová ocel, tvarová ocel, železniční materiál, plechy apod.). Válce válcovacích stolic jsou buď hladké, nebo kalibrované (obr. 3.3). Svými čepy jsou uloženy v ložiskách stojanu, se kterým tvoří válcovací stolici. Práce se zpravidla nedokončí v jedné válcovací stolici. Bývá proto uspořádáno několik válcovacích stolic buď za sebou, nebo vedle sebe a tvoří tak společně válcovací trať nebo pořadí. Podle velikosti předvalků a vývalků, které se na jednotlivých tratích vyrábí, rozeznáváme těžkou trať, hrubou trať, střední trať a jemnou trať. Podle počtu válců a způsobu práce rozeznáváme stolice dvouválcové, trojválcové, univerzální, příp. jiné.

Obr. 3.3 Válce (a – hladké, b – kalibrované)

3.2.1 Dvouválcová stolice (duo) Materiál uložený na válečkách předního stolu proběhne směrem 1 mezi válci na zadní stůl (obr. 3.4). Pak se oba stoly zvednou směrem 2, válcovaný materiál se přesune přes horní válec směrem 3 zpět na přední stůl. Oba stoly se spustí směrem 4, horní válec se sníží a materiál může znovu projít mezi válci. To se opakuje tolikrát, až dostaneme žádaný vývalek. Tím, že se materiál vrací, vznikají velké časové ztráty a materiál při převádění přes horní válec chladne. Dnes se válcují tímto způsobem pouze tenké plechy.

41


Obr. 3.4 Dvouválcová stolice - duo (jednosměrná)

3.2.2 Dvouválcová stolice vratná (reverzní) Dvouválcová stolice vratná (reverzní - obr. 3.5) odstraňuje nevýhody stolice duo. Válce se otáčejí v obou smyslech. Ingot projde válci ve směru 1, horní válec se o něco sníží, válce změní smysl otáčení a ingot projde ve směru 2. Vratné stolice jsou používány k válcování těžkých vývalků.

Obr. 3.5 Dvouválcová stolice vratná (reverzní)

3.2.3 Trojválcová stolice Trojválcová stolice (trio, resp. Lauthovo trio) sestává ze tří válců nad sebou (horní, střední a dolní válec). Trio umožňuje válcovat materiál v obou směrech, aniž se musí měnit smysl otáčení válců. Práce na triu je velmi rychlá a hospodárná. Střední válec mívá stejný nebo menší průměr (asi o 1/3), než mají válce vnější (resp. horní a dolní válec).

42


3.2.4 Univerzální stolice Univerzální stolice má kromě dvou vodorovných válců ještě válce svislé. Materiál je tedy válcován ze všech stran. Dnes jsou stavěny válcovací tratě téměř jako samočinné. Ke změně pracovního pochodu dává impulz řídicí systém založený na využití fotobuněk. Tloušťka válcovaného plechu je kontrolována pomocí rentgenových paprsků (pronikají do hloubky cca 40 mm), příp. pomocí jiného ionizujícího záření - izotopy kobaltu (pronikají ocelí o tloušťce až 500 mm). Izotopy kobaltu se proto využívají ve válcovnách těžkých ingotů.

3.2.5 Výrobky válcoven Tvarový materiál (tyčová ocel, tvarová ocel, železniční materiál, speciální vývalky apod.) je vyráběn na kalibrovaných válcích postupným válcováním. Dráty do průměru 5 mm jsou válcovány, tenčí dráty jsou vyráběny tažením. Plechy jsou vyráběny z plochých předvalků zvaných ploštiny. Plechy tenčí než dva milimetry se válcuji tak, že se na zvláštním stroji překládají (čili dublují) a pak se válcuje několik plechů na sobě. Například u transformátorových plechů se současně válcuje osm plechů. Plechy se při válcováni nemohou navzájem svařit, protože jsou odděleny povrchovou vrstvou oxidů. Moderním zařízením na výrobu plechů je širokopásová válcovací stolice. Je to velmi výkonná, plně automatizovaná kontinuální trať, která vyrábí ocelové pásy ve svitcích.

3.3 Výroba trubek, tažení drátu 3.3.1 Výroba trubek Trubky je možno vyrábět litím, nýtováním, svařováním, vytlačováním nebo způsobem bezešvým. Litím vyrábíme trubky většinou způsobem odstředivým (viz dále kap. slévárenství). Trubky nýtované. Nejjednodušším způsobem výroby trubek je spojení plechů nýty, které je nutno zakončit tužením. Nýtované trubky jsou vhodné pro větší světlosti (nad 600 mm) a stěny nejméně 6 mm tlusté. Tyto trubky se používaly v minulosti, často při stavbě lodí. Trubky svařované vyrábíme z pásů, jejichž šířka se rovná obvodu trubky. Pás je po obou stranách zahříván svařovacími hořáky, skružován profilovacími válečky a následně stlačen svařovacími válečky, čímž vzniká konečná podoba trubky (obr. 3.6).

43


Obr. 3.6 Výroba trubek svařováním

Vytlačováním vyrábíme trubky různých profilů. Kov protlačujeme mezikružím, vzniklým mezí průvlakem vhodného tvaru a trnem. Vytlačováním zpracováváme hlavně neželezné kovy s nízkým bodem tání a dobrou tvárností, jako cín, olovo, hliník, hořčík, zinek, měď a jejich slitiny.

3.3.2 Výroba bezešvých trubek Tam, kde nestačí pevnost trubek svařovaných, používáme trubek bezešvých.

3 . 3 . 2 . 1 M a n n e s m a n n ův z p ůs o b v ý r o b y b e z e š v ý c h tr u b e k Mannesmannův způsob (obr. 3.7) je nejčastějším způsobem výroby bezešvých trubek. Válcováním vývalku mezi dvěma válci s mimoběžnými osami a téhož smyslu otáčení nastává kromě otáčení ještě šroubovitý posuv. Tím, že na vývalek působí jednosměrné stlačení materiálu, vzniká v jeho středu veliké tahové napětí, které porušuje materiál a vytváří tak ve vývalku dutinu. K vytvoření dutiny není tedy zapotřebí trnu. Pokud se ho používá, tak jen proto, aby se usnadnilo vytvoření hladké dutiny.

Obr. 3.7 Mannesmannův způsob výroby bezešvých trubek

44


Uvedeným způsobem vytvoříme krátké tlustostěnné trubky. Abychom vyrobili trubky s potřebnou tloušťkou stěny, procházejí poutnickou stolicí (obr. 3.8). Tlustostěnnou trubku nasuneme na trn, válce zaberou v místě a a válcují trubku na trnu do délky ve směru I. Tím ji z průměru D zmenší na průměr d. Při dalším otáčení válců část b - c trubku vyhladí. V místě c válce trubku uvolní a ta se s trnem posune o větší kus dopředu ve směru II a současně pootočí. Celý pochod se znovu opakuje.

Obr. 3.8 Poutnická stolice

3 . 3 . 2 . 2 S t i e f e l ův z p ůs o b v ý r o b y b e z e š v ý c h tr u b e k Stiefelův způsob (obr. 3.9) je založen na stejném principu jako způsob Mannesmannův. Pracovní válce však mají tvar kotoučů. Tento způsob je používán pro výrobu trubek menších průměrů. V roce 1960 byla u nás postavena válcovací trať tohoto typu v Kunčicích (dnes Arcelor Mittal, a.s.). Byla to tehdy naše nejmodernější trať, která mohla válcovat za tepla trubky průměrů od 20 do 140 mm rychlostí až 1 000 m trubek za hodinu.

Obr. 3.9 Stiefelův způsob výroby bezešvých trubek

45


3.3.3 Tažení drátu Vyválcovaný drát protahujeme otvorem v desce zvaným průvlak (kalibr). Průřez drátu se zmenšuje, délka se zvětšuje. Při tažení se drát odvíjí z odvíjecího bubnu, prochází průvlakem a ztenčený se navíjí na navíjecí buben. Žádaná tloušťka drátu nevznikne jedním protažením, nýbrž drát se postupně protahuje stále menšími kalibry. Několikerým tažením drát ztvrdne a zkřehne, takže jej dále nelze táhnout. Proto je nutno po každém třetím protažení drát vyžíhat, aby změkl a netrhal se.

3.4 Kování, lisování, stříhání Kováním dáváme materiálu vhodný tvar buď rázy kladiva, nebo beranů bucharů, nebo klidným tlakem lisů. Kovat je možno jen tvárné kovy a slitiny. Kováme zpravidla za tepla (v oblasti austenitu). Kováním dosahujeme lepších mechanických vlastností, jemnější a stejnoměrnější struktury. Kování se dělí na kování volné nebo v zápustkách. Při kování volném může materiál tvářený údery nebo tlakem „volně téci", hlavně ve směru kolmém k působení síly. Při kování v zápustkách je materiál vtlačován údery nebo tlakem do kovové formy (zápustky). Podle způsobu práce je možno kování rozdělit na kování strojní nebo ruční.

3.4.1 Kovací stroje Ke strojnímu kování používáme různých tvářecích strojů, z nichž nejdůležitější jsou buchary a lisy. Buchary působí na materiál údery, lisy klidným tlakem. Buchar prokove úderem hlavně povrch materiálu, lis prokove dobře i vnitřek materiálu. Buchar otřásá okolím, lis pracuje klidně, bez rázů a otřesů. Buchar kove větším počtem rychlých rázů, lis často na jeden zdvih. Proto je lis hospodárnější a bezpečnější. Proti lisům jsou však buchary levnější a jejich práce je čistší, neboť vlivem otřesů odpadávají okuje. Při lisování zůstávají okuje zatlačeny do povrchu výkovku.

3.4.1.1 Buchary Buchar se skládá ze stojanu, beranu, šaboty, babky a kovadel. Beran bývá ze šedé litiny, z ocelové litiny nebo oceli. Šabota je uložena na samostatném základu, který je oddělen od základu stojanu, aby se ze šaboty nepřenášely škodlivé otřesy. Šabota, která je ze šedé litiny, má l2násobnou až 25násobnou váhu beranu (poměr je přibližně stejný jako u kladiva a kovadliny při ručním kování) a má tlumit rázy beranu. Vršek šaboty se nazývá babka. V beranu a babce jsou drážky, do kterých se vkládají vložky z nástrojové oceli, kterým říkáme horní a dolní kovadlo (viz obr. 3.10). Podle způsobu pohonu a uspořádání rozeznáváme buchary pérové, parní a pneumatické. 46


Příkladem hojně používaného bucharu pérového je pérový buchar Ajax. Staví se, resp. spíše se stavěl s beranem těžkým 30 až 50 kg. Rychloběžné buchary mívají až 300 úderů za minutu. Výhodou byla jednoduchost konstrukce a malá pořizovací cena. Nevýhodou je malý zdvih a špatná řiditelnost úderů. Pneumatický buchar (obr. 3.10). V rámu je umístěn kompresor, v jehož válci se pohybuje klikovým mechanismem píst. Klikový mechanismus je poháněn elektromotorem, umístěným přímo ve stojanu bucharu. V pracovním válci se pohybuje píst, který je zároveň beranem bucharu. Váha beranu bývá 30 až 750 kg. Pneumatické buchary jsou výkonnější než pérové, mají větší zdvih a lépe se ovládají. Používáme jich k volnému kování malých a středních výkovků.

Obr. 3.10 Pneumatický buchar

3 . 4. 1 . 2 Lisy Lisy jsou používány buď hydraulické, nebo mechanické. Hydraulický lis se skládá ze základové desky s výměnnou kovadlinou, ze čtyř ocelových vodicích sloupů nesoucích nahoře příčník, ve kterém je uložen hydraulický pracovní válec. Plunžr tohoto válce je spojen s pohyblivou traverzou, která je vedena vodícími sloupy. V pohyblivé traverze je zasazena činná část beranu. Pohyblivá traverza visí na pístních tyčích pístů zpětných válců, sloužících ke zvedání beranu. Potřebnou sílu ke zvedání beranu vyvodí tlaková voda nebo pára zavedená pod písty zpětných válců. Je-li lis v klidu, je beran držen v horní poloze. Předmět, který chceme kovat, umístíme na kovadlinu. Tlakovou páru nebo vodu ze zpětných válců vypustíme a beran vlastní váhou 47


klesá na předmět. Lisovací tlak vyvodíme zavedením tlakové kapaliny do pracovního válce. Tlaková kapalina dostává požadovaný tlak buď v akumulátorech (tlaky 10 až 20 MPa – obr. 3.11), nebo v multiplikátorech (tlaky 40 až 60 MPa). Kovacích lisů této konstrukce používáme pro kování největších výkovků, jako velkých klikových hřídelů, ojnic, tlakových nádob apod. Mechanických lisů používáme nejčastěji k lisování za studena. Používáme jich méně často než lisů kovacích, často pro kusovou či malosériovou výrobu. Pro všeobecné použití, zejména pro lisování za studena (děrování, ohýbání, ražení) i za tepla je vhodný vřetenový lis. Podobně je tomu u klikového lisu, který má dva stojany, mezi nimiž se pohybuje beran. Sílu přivádíme od elektromotoru přes spojku na setrvačník a odtud na klikový hřídel a ojnice, které jsou spojeny s beranem lisu. Kovací stroje slouží k ohýbání a pěchování tyčí do nejrůznějších tvarů. Materiál vkládáme mezi pevnou a pohyblivou čelist, upevněnou na beranu, který je připojen dvěma ojnicemi ke klikovým čepům, vsazeným do velkých ozubených kol.

Obr. 3.11 Hydraulický lis s akumulátorem

3.4.2 Ruční kování Ručním kováním dáváme kovu žádaný tvar opakovanými rázy kladiva, kterým kovář tluče na tvářený materiál. Větší kusy, které se déle kovou a mohly by vychladnout, kovou dva nebo i tři kováři. Ruční kování je práce velmi namáhavá, zdlouhavá a nákladná. V dnešní době se mimo údržbářských prací ruční kování uplatňuje hlavně v oblasti umělecké. Základní kovářské práce a nářadí: Ke kování je zapotřebí rozmanitých nástrojů a pomůcek. Jsou to zejména kovadliny, kladiva, kleště, probíjecí a zápustková deska apod. Žádaného tvaru dosáhne kovář různými operacemi, které jsou v podstatě stejné při kování ručním i strojním. Mezi nejdůležitější kovářské operace patří prodlužování, srážení (pěchování), kulacení, osazování, ohýbání, přesekávání, probíjení a kovářské svařování. 48


3.4.3 Strojní kování Strojní kování ulehčuje těžkou a namáhavou fyzickou práci, zrychluje výrobu malých a středních výkovků a umožňuje výrobu těžkých výkovků, na které lidská síla nestačí. Ve strojních kovárnách materiál koveme na různých tvářecích strojích, z nichž nejdůležitější jsou buchary, kovací lisy a kovací stroje. Podle způsobu práce rozdělujeme kování na kování volné, zápustkové a rotační.

3 . 4 . 3 . 1 Volné strojní kování Volné strojní kování je v podstatě stejné jako kování ruční. Tímto způsobem vyrábíme velké hřídele turbogenerátorů, ojnice apod. Předměty vykováváme jen zhruba a hrubé výkovky pak obrábíme na přesný tvar na obráběcích strojích. Kovářská práce závisí na řemeslné zručnosti a zkušenosti kováře. Je zdlouhavá a drahá. Proto v mnohých případech kovářskou práci usnadňujeme kováním v zápustkách.

3 . 4 . 3 . 2 K ování zápustkové Zápustka je ocelová nebo litinová dvoudílná forma, jejíž obě poloviny vytvářejí dutinu, odpovídající vnějšímu tvaru výkovku. Při kování postupujeme tak, že ohřátý materiál vložíme do zápustky, rázy beranu se obě poloviny zápustky sbližují, kov postupně vyplňuje zápustku, až vyplní celou její dutinu (obr. 3.12). Přebytečný kov je vytlačen do strany a vytváří výronek (šev), který se odstraňuje ostřižením v prostřihovadle (obr. 3.13).

Obr. 3.12 Kování v zápustce (postupné vyplňování zápustky kovem)

Výkovky ze zápustek jsou velmi jakostní, mají přesný tvar, takže se mnohdy nemusí obrábět nebo se obrábějí jen zčásti. Výroba zápustky je však drahá, a proto se tento způsob hodí jen pro sériovou a hromadnou výrobu. Výkovky nevykováváme vždy jen v jedné zápustce. Někdy je předkováme v zápustce předběžné (předkovací) a dokončíme v zápustce dokončovací. Takové zápustky se nazývají zápustky postupové. 49


Obr. 3.13 Prostřihovadlo (odstřihování výronku z výkovku)

3.4.3.3 Rotační kování Válcové a kuželovité součásti vyrábíme většinou obráběním. Tento způsob je v některých případech nahrazován rotačním kováním (redukováním materiálu). Podstatou rotačního kování je kování mnoha údery zápustky, která rotuje kolem tvářeného materiálu. Zápustky, které jsou vyměnitelné, jsou uloženy v rotační kovací hlavě. Odstředivou silou se kladívka i zápustky rozbíhají. Narážejí však na válečky a jsou odmršťovány zpět na kovaný materiál. Výhodou rotačního kování je velká úspora materiálu, velká pracovní rychlost, přesný a jakostní povrch, zlepšené mechanické vlastnosti materiálu a velká produktivita výroby. Nevýhodou je značný hluk, časté opravy drahých zápustek a omezení velikosti výrobku velikostí stroje (do průměru cca 350 mm).

3.4.4 Tváření (lisování) kovů za studena Lisování za studena se masivně rozšířilo proto, že má mnoho předností - velkou výkonnost, nízké výrobní náklady, malé ztráty materiálu odpadem a vyměnitelnost součástí. Tyto přednosti zařadily lisování za studena k nejprogresivnějším metodám zpracování kovů. Dnes zaujímá jedno z vedoucích míst, zejména v hromadné výrobě. Lisovací technikou se rozumí zpracováni kovových i jiných polotovarů a hmot stříháním nebo tvářením anebo obojím způsobem tak, abychom z nich zhotovili polotovar nebo součást určitého tvaru nebo velikosti. Základními pracemi v lisovací technice jsou stříhání (oddělování materiálu) a tváření 50


(přemisťování materiálu). Stříhání je postupné nebo současné oddělování větších částí materiálu stříhacími nástroji. Tváření je mechanické zpracování materiálu přemisťováním jeho částic tahem nebo tlakem. Podle potřeby převládá tah nebo tlak.

3 . 4 . 4 . 1 Lisovací nástroje a pomocné nářadí Podle počtu úkonů vykonaných při jednom zdvihu dělíme nástroje na: a) jednoduché, tj. pro jeden pracovní úkon (např. jen na prostřihování (obr. 3.14a), b) postupové, tj. pro dva nebo několik pracovních úkonů vykonávaných jediným nástrojem za sebou (např. děrování a prostřihování, obr. 3.14b), c) sloučené (kombinované), tj. pro současné zhotovení výrobků najednou několika úkony, vykonávanými jedním nástrojem (např. prostřihování za současného děrování, obr. 3.14c), d) sdružené, tj. nástroje, které buď sdružují jednoduché nebo postupové nástroje, nebo je kombinují tak, že vykonávají několik pracovních úkonů různého druhu (např. vykonávají tažení a prostřihávání nebo ohýbání a přestřihávání apod.).

Obr. 3.14 Lisovací nástroje (a – jednoduché, b – postupové, c - sloučené)

Pomocné nářadí (ústrojí) slouží k upevňování lisovacích nástrojů na pracovní stůl a beran stroje, k přesnému vedení lisovacího nástroje, k zajištění polohy materiálu, k snadnému vyjmutí (vyhození) výlisku apod. Je to ústrojí upevňovací, posuvové (podávací), vkládací, vodicí, stírací, vyhazovací apod.

51


Vybrané způsoby lisováni jsou podrobněji popsány níže.

3 . 4 . 4 . 2 P ř e s tř i h á v á n í Přestřiháváním se oddělují větší části materiálu od sebe. Přestřiháváme plechy, válcovaný materiál (tyčovou ocel, tvarovou ocel apod.). Přestřiháváme nejčastěji nůžkami nebo prostřihovadlem. Nůžek tabulových (se skloněnými noži - obr. 3.15) používáme ke stříhání materiálu, jehož tloušťka je proti šířce menší (např. ke stříhání pruhů z tabulí plechu apod.). Tabulovými nůžkami nestříháme celou šířku plechu najednou, ale jen určitou část (x), jejíž velikost je pro daný úhel sklonu φ, a druh nůžek stálá. Nevýhodou těchto nůžek je, že se stříhaný materiál ohýbá v tom směru, v jakém se pohybuje nůž, takže se odstřihovaný pruh materiálu křiví. Použitím přidržovačů se tato nevýhoda zmenší. Nůžek kružních používáme k vystřihování plechových součástí, omezených křivkami. Jsou to dva kotouče (horní a dolní), které při protiběžném otáčení vtahují materiál mezi sebe a přestřihují jej. Kružní nůžky jsou vhodné hlavně ke stříhání tenčích plechů (do 3 mm). Nůžek kotoučových používáme k přestřihování vodičů a kabelů. Mají pevný kotouč připevněný v rámu nůžek a kotouč otáčivý, připevněný na čepu. Oba ocelové kotouče mají dvě řady řezných otvorů různých průměrů. Materiál vkládáme podle velikosti průměru do příslušného otvoru, pohyblivým kotoučem otáčíme a stříháme.

Obr. 3.15 Nůžky tabulové (se skloněnými noži)

3 . 4 . 4 . 3 P r os t ř i h á v á n í Tímto způsobem vytváříme rozmanité výrobky, jako podložky, transformátorové, statorové a rotorové plechy apod. Je důležité, aby materiál, z něhož prostřihujeme, byl dobře využit. To znamená, abychom z tabule nebo z pásu plechu vyrobili co největší počet výrobků. Záleží to na nejvhodnějším způsobu uspořádání součástí na výchozím materiálu nebo na vhodné změně tvaru součástí. 52


Správné využití materiálu má velký vliv na cenu součásti. Hospodárnost nástřihu je charakterizována součinitelem využití materiálu, který je možno vyjádřit jako podíl plochy všech výstřižků (výrobků) a plochy materiálu před lisováním. Součinitel využití materiálu by měl být alespoň 0,7 až 0,8 (tj. 70 až 80 %). Prostřihovací nástroje – prostřihovadla: Pro součásti, které vyrábíme ve velkém množství, konstruujeme vhodná prostřihovací zařízení (prostřihovadla), umožňující rychlý a levný způsob výroby. Hlavní částí prostřihovadel je pohyblivý trn - průstřižník - a pevná deska - průstřižnice. Materiál, který vkládáme mezi průstřižnici a průstřižník, je veden vodicími lištami. Jeho posunování mezi zdvihy průstřižníku je omezováno dorazem. Pohybem průstřižníku směrem dolů se vytvoří z materiálu výstřižek. Názvy dalších částí prostřihovadla jsou uvedeny na obr. 3.16. Nejjednodušším prostřihovacím nástrojem je jednoduché (otevřené, prosté) prostřihovadlo. Tohoto nástroje používáme pro součásti jednoduchého tvaru a pro menší rozsah výroby. Průstřižník nemá vlastní vedení (je veden jen beranem lisu). Proto lze těchto prostřihovadel použít jen pro méně přesné práce. Prostřihovadla s vodítkem (vodicí deskou - obr. 3.16) používáme pro práce přesnější. Vodítko, tj. deska umístěná nad průstřižnicí, slouží k vedení průstřižníku do průstřižnice. Zvyšuje se tím přesnost výstřižku, trvanlivost nástroje a bezpečnost práce.

Obr. 3.16 Prostřihovadlo s vodítkem

Prostřihovací práce: V hromadné a sériové výrobě používáme většinou postupových nástrojů. Takovými nástroji např. děrujeme a prostřihujeme z posunovaného pásu plechu postupně na jednom lisu až dostaneme kompletní výrobek. Spojením děrovacího a prostřihovacího nástroje zvyšujeme produktivitu práce a snižujeme výrobní náklady na výrobek. Nevýhodou prostřihování postupovými nástroji je to, že prostřižené obvody (vnější a vnitřní) nejsou zcela přesně soustředné, což velmi často neodpovídá dnešním požadavkům na kvalitu výroby. Používáme proto sloučených nástrojů, které jsou velmi přesné a zajišťují 53


přesnou soustřednost prostřižených otvorů. Nevýhodou je jejich složitá a nákladná výroba. Prostřižené plechy nevypadávají z nástroje samočinně, což poněkud snižuje produktivitu práce. Při prostřihávání na naklápěcích lisech výstřižky vlastní váhou sjíždějí do jednoduchého odebíracího zařízení, které je skládá do svazků. Není-li možné lisovat s propadáváním, používáme u drobných součástí odfukování stlačeným vzduchem. Odfukování má příznivý vliv na práci lisů, neboť ochlazuje břity, odstraňuje prach apod.

3 . 4. 4 . 4 D ě r o v á n í Součást (polotovar), kterou máme děrovat, vsuneme do výřezu zakládací desky, který je shodný s obrysem součásti. Aby se součást mohla snadněji vložit do zakládací desky, má vodicí deska vybrání. Po děrování otvorů se součást zvedá zároveň s průstřižníkem, až se opře o vodicí desku, která je zároveň stíračem. V okamžiku, kdy je součást setřena s průstřižníku, je z nástroje vyhozena vyhazovačem, na který tlačí plochá pružina.

3.4.4.5 Ostřihávání Ostřihávání patří mezi dokončovací práce při lisování nebo kování v zápustkách. Přebytečný materiál výkovku nebo výlisku ostřihneme v prostřihovadle (viz výše obr. 3.13). U menších sérií rozměrných výlisků z plechů (např. části karosérií) používáme k ostřižení kružních nůžek.

3.4.4.6 Ohýbání Ohýbání je vytváření ostrých hran nebo hran oblých. Nejčastěji se zpracovává ohýbáním plech nebo tyčový materiál. Při ohýbání je materiál pod ohybníkem (nástroj) stlačován, na opačné straně je natahován. Některá vlákna jsou tedy namáhána na tlak a jiná na tah. Mezi napětím jednotlivých vláken je pozvolný přechod. Ve střední části průřezu by měla být vlákna bez napětí a tvořit tzv. neutrální vrstvu, ve které není napětí a která by se proto při ohýbání neměla ani prodloužit, ani zkrátit. Neutrální vrstva by měla ležet uprostřed tloušťky materiálu. Mnoha zkouškami však bylo prokázáno, že leží mimo tuto osu (neutrální vrstva je posunuta k vnitřní povrchové ploše). U tenkých plechů není uvedený rozdíl patrný. Při ohýbání tlustých materiálů je však nutno s touto okolností počítat, zejména při výpočtu délky materiálu před ohnutím.

3 . 4. 4 . 7 T a že n í Tažením jsou vyráběna z plechových polotovarů (výstřižků) otevřená dutá tělesa. Jsou to zejména různé kryty, krabice přístrojů, části automobilů a spotřebních předmětů atd. Výtažky většinou již dále neopracováváme. Pro tuto přednost má tažení velký význam, především v sériové a hromadné výrobě. Pracovními částmi nástroje pro tažení (protahovadla) jsou průtažník a průtažnice. Při tažení vložíme výstřižek do vybrání průtažnice a nádobu vytáhneme průtažníkem, který se pohybuje směrem dolů. Dno nádoby, které se nedeformuje, vytváří průtažník čelní plochou dna. Stěny se vytvoří protažením části výstřižku mezikružím.

54


3.5. Vliv tváření kovů na životní prostředí 3.5.1 Válcovny Vyrobená ocel v hutích je zpracovávána ve válcovnách na různé profily, plech, pásky, trubky, drát atd. V kovárnách na různé druhy výkovků, od velkých mnohatunových až po drobné součástky. Ohřev oceli před zpracováním se provádí v ohřívacích pecích různých konstrukci podle požadovaného cíle, podle tvaru ohřívaného materiálu a podle požadované teploty. Válcovny znečišťují životní prostředí zejména plynnými emisemi z výše uvedených ohřívacích pecí (kap. 3.1, obr. 3.1 a 3.2). Dále vzniká velké množství chladicích vod z válcovacích stolic, které jsou zdrojem problémových zaolejovaných okujových kalů. V pracovním prostředí a v nejbližším okolí působí nepříznivě často i jejich hlučnost [1, 4].

3 . 5. 1 . 1 E m i s e Emise válcoven přímo souvisí se spotřebou tepla pro ohřev válcovaného materiálu. Mezi tyto emise patří SO2, NOx a CO. Množství tuhých emisi (TZL, resp. PM2,5 či PM10) ve spalinách je zanedbatelné (max. 10 mg/mn3). Emise SO2: Množství emisí SO2 je dáno obsahem síry v palivu a jeho spotřebou, která vyplývá z jeho výhřevnosti a požadovaného tepelného příkonu. Obsah síry v palivech je různý. Pro orientační výpočty můžeme použít následujících hodnot: Plyny:

výhřevnost (MJ/mn3)

obsah síry (g/mn3)

-

34,0 16,8 3,2 4,0 - 15,0

0 3,0 0,2 1,0 - 2,0

zemní (naftový) koksárenský vysokopecní směsný

Topné oleje:

výhřevnost (MJ/kg)

obsah síry (% hm.)

-

42,3 41,9 40,8 40,8

2,0 2,0 3,0 1,0

lehký střední těžký těžký (nízkosirný)

Měrná spotřeba tepla ve válcovnách se pohybuje v dosti širokém rozmezí od 4,2 do 6,3 MJ/kg vývalku. Emisní faktor je pak pro koksárenský plyn od 2,0 ÷ 3,5 kg/t vývalku a pro směsný plyn od 1,7 ÷ 2,5 kg/t vývalku. Emise NOx: Obsah NOx ve spalinách je závislý na druhu použitého paliva, teplotě ohřevu a druhu pece. Kolísá tedy v dosti širokém rozmezí. V průměru se na vztažený tepelný příkon 1 GJ množství emisí NOx pohybuje v následujícím rozmezí: u hlubinných pecí 0,03 ÷ 0,06 kg, pecí strkacích 0,06 ÷ 0,12 kg, pecí karuselových 0,06 ÷ 0,14 kg, pecí tunelových 0,08 ÷ 0,16 kg, pecí komorových 0,06 ÷ 0,08 a u pecí kovářských 0,05 ÷ 0,95 kg. Emisní faktor NOx pro koksárenský plyn se pohybuje v rozmezí 0,3 ÷ 0,5 kg/t vývalku a u směsného plynu od 0,2 ÷ 0,3 kg/t vývalku.

55


3.5.1.2 Odpadní vody Válcovny patří mezi největší spotřebitele provozních vod (v průměru 50 m3/t vývalku). Znečištění těchto vod způsobují především okuje (hrubé a jemné) a ropné látky a tuky z mazacích prostředků. Podle způsobu použití provozních vod rozlišujeme v zásadě dva druhy odpadních vod a to: -

odpadni vody z nepřímého chlazení hlubinných a ohřívacích pecí a zařízení (ventilátorů, pohonů atd.), znečištěné odpadní vody z přímého chlazení válcovacích stolic a jejich příslušenství (nůžek, pil atd.).

Odpadní vody prvního typu jsou poměrně čisté. Kvalita této oběhové vody se udržuje běžnými vodohospodářskými způsoby a to odkalem, odluhem a někdy přídavky inhibitorů, stabilizátorů tvrdosti a dispergátory. Při zvýšených požadavcích se někdy využívá částečné (boční) filtrace. V některých případech se filtruje celé množství. Část této použité vody se připouští do druhého okruhu. Odpadní vody z druhého (tzv. špinavého) okruhu jsou znečištěny především okujemi (hrubé a jemné) a ropnými látkami, tuky. Čištění těchto vod se obvykle provádí vícestupňovou sedimentací (okujové jímky, vertikální usazovací nádrže). V sekundárním, následujícím okruhu se dočišťuji v kruhových nebo v pravoúhlých usazovacích nádržích nebo v hydrocyklónech. Množství odpadních vod z přímého chlazení se pohybuje podle druhu vývalků, válcovacích tratí a stupně jejich modernizace ve velmi širokém rozmezí od 2 m3/t až do 15 m3/t vývalku. Průměrný obsah jemných okují (< 2 mm) unášených vodou do sekundárního okruhu obvykle nepřekročí hodnotu 600 mg/l.

3.5.1.3 Odpady Jako odpady z válcoven lze klasifikovat hrubé okuje a okujové kaly z čištění odpadních vod. Hrubé okuje jsou bezproblémově recyklovány v hutích. Velké potíže jsou s dalším využitím okujových kalů. Tyto kaly jsou obvykle zpracovávány při spékání rud, ale vznikají velké problémy s odprášením spalin při použití elektrických odlučovačů. Podle současné legislativy je jejich deponie na běžných skládkách nepřípustná a to vzhledem k velkému obsahu ropných látek (1 až 15 %). Vzhledem k vysokému obsahu železa (50 - 70 %) jsou hledány způsoby na jejich odmaštění. Odmaštění okují je možné buď jejich očištěním při použití různých rozpustidel nebo termickým rozkladem. Při rozpouštění těchto látek v rozpustidlech (nejčastěji fosforečnanů) následují komplikace v jejich dalším dělení a čištění. Perspektivnější se jeví jejich termický rozklad v rotačních pecích s následným čištěním spalin.

3.5.2 Povrchové úpravy kovů Povrchové úpravy hutnických materiálů, polotovarů a hotových výrobků jsou velmi různorodé (moření v kyselinách, pozinkování a pocínováni v taveninách, galvanické pokovování, lakováni apod.). Emise ve formě plynů a aerosolů ovlivňují v převážné míře jen pracovní prostředí a jsou odsávány a čištěny podle druhu znečištění. Často jsou používány mokré odlučovače (pračky, hladinové odlučovače), ale i speciální filtry s vyměnitelnou náplní. Mnohem větší obtíže způsobují znečištěné vody a vzniklé odpady. 56


3.5.2.1 Odpadní vody Odpadní vody z povrchových úprav patří z hlediska čištění k velmi závažným vodám v hutnictví. Mezi nejvýznamnější z hlediska zpracovávaného množství oceli (v ČR asi 3 mil. tun ročně) patří odpadní vody z mořírenských provozů. K moření se používá kyselin. Především kyselina sírová a chlorovodíková, méně již dalších kyselin nebo jejich směsí. Při moření čistíme povrch ocelí od oxidů železa a okují. Při moření kyselinou sírovou vzniká síran železnatý. Regenerace použitých mořírenských lázní je prováděna krystalizací síranu železnatého při ochlazování (případně s odparem). Část zbytkové kyseliny je recyklována přídavkem nové kyseliny, ostatní je neutralizována (obvykle vápnem). Vzniklé vápenatoželezité kaly jsou čištěny běžnými sedimentačními způsoby (usazovací nádrže atd). Modernější technologie používají kyselinu chlorovodíkovou. Regenerace mořicí lázně je prováděna termicky. Při zahřívání vznikají oxidy železa a páry kyseliny, které jsou vedeny do absorbéru. Regenerovaná kyselina je použita opět v mořicím procesu. Oxidy železa jsou zachycovány obvykle v látkových filtrech. Při moření vzniká i velké množství oplachových vod (od 0,5 ÷ 8,5 m3/t zprac. materiálu). Tyto vody obsahují malá množství kyselin a proto je velmi obtížné tyto vody regenerovat. V praxi se jejich čištění provádí následujícími způsoby: -

reagenčním - po přidání neutralizačního činidla (CaO, Ca(OH)2 atd.) se vzniklý kal odsadí v sedimentačních nádržích a voda použije zpět k oplachu, filtračním - voda se neutralizuje na filtrech naplněných neutralizačním materiálem (vápenec, dolomit atd.).

Často bývají použity oba způsoby současně. Po filtraci se neutralizace dokončí v nádržích přidáním zásady (CaO, Ca(OH)2).

3.5.2.2 Odpady Odpady z povrchových úprav kovových materiálů jsou ve větší míře zařazeny do kategorie nebezpečných odpadů. Jedná se zejména o neutralizační kaly z moření, fosfatizační kaly, soli s obsahem kyanidů, dusitanů, dusičnanů s vysokým obsahem těžkých kovů. Jejich zpracování (likvidace) je velmi obtížné a specifické pro určité technologie. Skládky těchto odpadů vyvolávají velkou řadu problémů a v současné době již nejsou povolovány. Aplikace některých druhů kalů (zejména fosfatizačních) v zemědělství jako hnojiva prokázaly kontaminace rostlin cizorodými látkami. V drtivé většině případů by nebyla aplikace těchto kalů v zemědělství v souladu s platnou environmentální legislativou.

Literatura (kap. 3): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] HLUCHÝ, Miroslav et al. Strojírenská technologie. Praha: SNTL, 1975. 344 s. [3] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986. [4] DRABINA, Kamil et al. Ochrana ŽP v hutnictví železa. Účelová publikace. Třinec: 1992. I. a II. díl, 248 s. + přílohy. 57


[5]http://www.fag.cz/content.schaeffler.cz/cs/branches/industry/heavy_industry/metal_extract ion_and_processing/applications_3/steel_forming/steel_forming.jsp [6] http://www.uniocel.cz/html/Raex/R3.html [7] http://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/labor/fm_tepelne_zprac_oceli/teorie2.htm [8] http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/02.htm [9] http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/02.htm

58


4 Slévárenství Slévání je způsob výroby kovových součástí, při kterém se roztavený kov vlije do formy, jejíž dutina má přibližně tvar a velikost budoucího výrobku - odlitku. Odlitek získaný ztuhnutím kovu ve formě je buď již hotový výrobek, nebo je ještě dále mechanicky opracováván. Sléváním vyrábíme předměty velmi složitého tvaru, kterého bychom těžko dosáhli obráběním, kováním apod. Při sériové výrobě bývá cena odlitků většinou nižší než cena výrobků vyrobených jinými způsoby. Odlitky odléváme ze šedé litiny, bílé litiny (na temperovanou litinu), ocelové litiny, slitin mědi, hliníku, hořčíku, zinku apod. Podle toho nazýváme i slévárny (například slévárna šedé litiny, slévárna ocelové litiny, slévárna neželezných kovů apod.). Velikost odlitků je velmi různá. Jsou odlitky vážící několik gramů, ale také až několik tun. Litím vyrábíme např. kostry a ložiskové štíty elektromotorů, dynam, turbogenerátorů, různé skříně pro stykače, pojistky, kabelové skříně, součásti spouštěčů, vypínačů, písty spalovacích motorů, válce, bloky spalovacích motorů, převodové skříně, lože a stojany obráběcích strojů apod. Prudký rozvoj slévárenského průmyslu nastal u nás po druhé světové válce. Význam slévárenství nejlépe vynikne ze statistiky, která dokazuje, že asi 90 % všech strojírenských závodů odebírá od sléváren různé druhy odlitků. Podíl odlitků na celkové váze strojů je např. u obráběcích strojů asi 70 %.

4.1 Postup výroby odlitků Ke zhotovení formy potřebujeme model nebo šablonu, formovací rám a formovací materiál. Máme-li v odlitku vytvořit dutinu, použijeme k tomu jádra. Formy zhotovujeme ve formovně, do které dopravujeme ze skladů modely a vhodné rámy a z úpravny písku potřebný formovací materiál. Po zhotovení (upěchování) formy vyjmeme model z formy a formu podle potřeby opravíme. Podle toho, z jakého materiálu je forma zhotovena a jaký má tvar, lijeme do ní buď po jejím vysušení, nebo bez vysoušení (nasyrovo). Velké formy sušíme přímo na místě, malé dopravujeme do sušicí komory. Vysušením se stane forma pevnější a prodyšnější. Jádra zhotovujeme v jaderně v jadernících nebo šablonami. Po vysušení a kontrole je dopravujeme do formovny, kde je vkládáme do forem. Formu složíme a připravíme k lití. Tekutý kov se připravuje v tavicích pecích v tavírně. Na místo odlévání (licí pole) se dopravuje v licích pánvích. Ztuhlé odlitky vyjmeme (vytloukáme) z formy, odstraníme vtoky a výfuky a dopravíme do čistírny a úpravny odlitků. Tam je zbavíme zbytků písku, odstraníme švy, zbytky po vtocích a výfucích, a podle potřeby je tepelné zpracujeme. Hotový odlitek, uznaný technickou kontrolou za vyhovující, je expedicí posílán k dalšímu zpracování. Vratný materiál (vtoky, výfuky) dopravujeme do tavírny (z ocelových odlitků 59


odstraňujeme vtoky s výfuky až v čistírně odlitků). Použité modely, jaderníky a formovací rámy dopravujeme do skladů, upotřebený formovací materiál do úpravny písku. Z výše popsaného postupu je zřejmé, že výroba odlitků je poměrně složitá a pracná. V dalších statích jsou jednotlivé úkony probrány podrobněji.

4.1.1 Modely Model je pomůcka sloužící k výrobě forem. Správný model je zárukou dobrých odlitků. Proto již konstruktér, který navrhuje tvar a velikost odlitků, musí pamatovat na to, aby potřebný model byl co možná nejjednodušší a aby jej bylo možno dobře zaformovat a z formy vyjmout. Technolog pak navrhne model z jednoho kusu nebo dělený a určí velikost přídavků na opracování. Rozměry modelu musí být vždy větší o smrštění kovu nebo slitiny. Aby modeláři, kteří modely vyrábějí, nemuseli každý rozměr přepočítávat, používají zvláštních měřítek, která jsou o určité procento větší než normální metr. Těmto měřítkům říkáme modelářské metry. Na modely pro šedou litinu je modelářský metr o 1 % delší než normální, protože šedá litina má smrštivost asi 1 %. Pro neželezné kovy je to 1,8 % a pro ocelovou litinu 2 %. Modely vyrábíme většinou ze dřeva. Velké modely vyrábíme z borového dřeva, které je levné a hlavně smolnaté, takže odolává vlhkosti. Méně namáhané modely bývají ze dřeva smrkového nebo jedlového. Pro menší modely, u nichž se vyžaduje zvláštní přesnost, je vhodné dřevo olšové. Pro tenkostěnné a velmi namáhané modely je velmi dobrým materiálem dřevo javorové nebo hrušňové. Dřevo na výrobu modelů musí být dobře vyschlé, aby „nepracovalo“. Pro sériovou výrobu odlitků bývají modely kovové, aby si uchovaly potřebnou přesnost, protože při formování jsou vystaveny značnému opotřebení. Zhotovujeme je z bronzu, šedé litiny nebo z hliníkových slitin. Pro metodu „vytavitelného modelu“ používáme modelů voskových, rtuťových nebo z plastických hmot. Pro voskové modely používáme různých druhů vosků. Rtuť pro modely sléváme do kovových forem, jež ochlazujeme na minus 60 °C. Mimo tyto materiály používáme pro menší počet odlitků modely vyrobené z cementu nebo sádry. Abychom mohli model snadno vyjmout z formy a nepoškodili ji, zhotovujeme všechny plochy modelu kolmé k dělící rovině s úkosem. Při ručním formování používáme úkosu 1 až 3°, při strojním 0,5 až 1°. Další podmínkou dobrého formování je, aby model neměl ostré hrany a kouty. Proto všechny hrany a kouty na modelu musí být zaobleny, pokud možno s co největším poloměrem. Přídavek na opracování děláme na modelech v těch místech, kde bude odlitek obroben. Pro lití platí pravidlo, že plochy na odlitku obrácené při lití nahoru musí mít vždy větší přídavky na opracování než plochy spodní, protože v horních vrstvách se nashromáždí veškerá nečistota nebo struska. Velikost přídavku na opracování se řídí velikostí odlitku, druhem odlévaného kovu či slitiny a požadovanou jakostí obrobeného povrchu odlitku.

60


Modely rozdělujeme na nedělené (viz dále obr. 4.3) nebo dělené. Dělených modelů používáme pro snadnější formování. Dělící rovinu určuje technolog slévárny. Správnou vzájemnou polohu částí modelu zaručují spojovací čepy a vložky. Pro odlitek s nálitkem musí byt někdy model zhotoven se snímatelnou částí. Jinak bychom při vyjímání modelu formu poškodili. Známky jsou zvláštní výstupky na modelu, které ve formě vytvářejí lůžko pro uložení jádra. Známku na modelu poznáme podle černě natřené čelní plochy. Kromě toho je u děleného modelu na dělicí rovině černě vyznačen průřez dutiny, takže formíř je upozorněn na to, aby vložil do hotové formy před jejím složením správná jádra. Menší vady a zaoblení na povrchu modelů a jaderníků opravuje formíř modelářským tmelem. Dřevěné modely jsou natírány vhodným lakem, který je chrání před mechanickým poškozením formovacím pískem, před působením vlhkých formovacích hmot, dává modelu hladký povrch a tak umožňuje jeho snadné vyjmutí z formy. Barva laku označuje druh kovů, z něhož budou odlitky odlity. Například pro šedou litinu je určena barva červená, pro ocelovou litinu tmavomodrá apod. Přesné modely jsou natírány jen šelakem a materiál odlitku je označen barevným trojúhelníkem příslušné barvy. Plochy, jež budou na odlitku opracovávány, se označují na základním nátěru modelu ležatými křížky. Známky pro zalité části a chladítka jsou u šedé litiny modré, u ostatních kovů červené.

4.1.2 Jaderníky Jaderníky jsou v podstatě trvalé formy na výrobu jader. Jsou zhotovovány většinou ze dřeva, při sériové výrobě odlitků z kovu. Jaderníky zhotovujeme podobně jako modely, většinou dělené, aby bylo možno snadněji vyjmout hotová jádra z jaderníku. Všechny ostatní zásady, které platí pro výrobu modelů, musí být dodrženy i při výrobě jaderníků (přídavek na smrštění, úkosy, zaoblení hran atd.). Jaderníky jsou většinou dražší než model, protože jejich výroba je obtížnější a spotřebujeme na ně více materiálu než na model.

4.1.3 Šablony Šablonami zhotovujeme formy pro odlitky, jejichž charakterizován otáčením nebo posouváním určitého obrazce.

geometrický

tvar

je

Šablony jsou vhodně upravená prkna s okrajem podle tvaru odlitku. Aby se hrany prkna při formování tolik neodíraly, jsou okovány ocelovým plechem. Někdy jsou šablony celé plechové. Jsou mnohem levnější než model, neboť jejich výroba je nepoměrně jednodušší. Také spotřeba materiálu je mnohem menší než u modelu. Výroba formy šablonou je však pracnější než výroba formy podle modelu. Proto šablon používáme jen při kusové nebo malosériové výrobě. Podle toho jakým způsobem při šablonování šablonu vedeme, rozeznáváme šablony posuvné (kročky) a šablony otočné (rotační).

4.1.4 Formovací materiály a jejich úprava 61


Od formovacích materiálů požadujeme tvárnost, pevnost, soudržnost, prodyšnost a žáruvzdornost. Nejčastěji používáme různých písků a hlín. Nevýhodou forem zhotovených z těchto materiálů je to, že jich lze použít pouze jednou, protože při vyjímání odlitku z formy se formy zničí. Říkáme jim formy netrvalé nebo ztracené (na jedno lití). Při hromadné výrobě odlitků z kovů a slitin s nízkou teplotou tavení jako zinku, hliníku, elektronu apod. používáme forem kovových (kokil). Tyto formy jsou trvalé a můžeme do nich odlévat až několik tisíc odlitků. Pro menší počet odlitků používáme forem polotrvalých. Vyrábíme je většinou z keramických hmot (např. ze směsi křemenné moučky, páleného šamotu, hlíny, mletého koksu) a vypalujeme při teplotě asi 600 °C.

4.1.4.1 Základní formovací materiály netrvalých forem Přírodní písky jsou nejpoužívanějším materiálem k výrobě ztracených forem. Křemičitá zrna jsou obalena menším nebo větším množstvím jílu a jiných vazných látek, které je drží pohromadě a dávají tak písku potřebnou soudržnost. Dostáváme tak chudý písek, obsahující nejvýše 10 % hlíny, a mastný písek, obsahující 10 až 20 % hlíny. Syntetické písky jsou formovací materiály uměle připravené. Bývá to křemičitý písek, ke kterému přidáváme vazný materiál, nejčastěji bentonit. Je to nejlepší vazná hlína. Synteticky připravené písky jsou prodyšnější, lépe vyplňují formu, jsou žáruvzdornější a nepotřebují tolik vody jako písky přírodní. Jsou velmi čisté, prosté všech nečistot a přimíšenin, jsou trvanlivější, a proto jich v našich slévárnách používáme více než písků přírodních. Vzhledem ke své prodyšnosti a vaznosti umožňují odlévání velkých forem na syrovo. Jádrového písku používáme na výrobu jader, která vkládáme do forem pro odlitky s otvorem. Musí mít značnou pevnost, tvárnost a žáruvzdornost protože jádra jsou ve formě oblita tekutým kovem. Po vychladnutí odlitků se snadno rozpadnou a lze je bez velké námahy z odlitků odstranit. K jejich výrobě se používá křemičitého písku, jako pojidel pak kalafuny, rybího tuku, melasy, sulfitového louhu, dextrinu aj. Formovací hmoty (ocelářské směsi) se používají na výrobu forem pro odlitky z ocelové litiny. Základním materiálem je šamot, lupek, upotřebené a rozemleté šamotové cihly, rozemleté grafitové kelímky a písek. Jako vazný materiál je používán jíl. Tyto formy však musíme sušit při teplotách 400 až 600 °C. Výroba forem z tohoto materiálu je drahá. Proto jsou tyto formy používány jen pro velké a důležité odlitky, kde je požadována značná hladkost povrchu.

4.1.4.2 Zvláštní slévárenské písky Cementový písek se skládá z křemenného písku (přibližně 84 %), z portlandského cementu (cca 10 %) a zbytek tvoří voda. Výhodou tohoto písku je to, že formu nemusíme sušit. Slévárenské písky s vodním sklem (tzv. CT písky) obsahují 89 % křemenného písku, 5 % žáruvzdorné hlíny, 5 % vodního skla a 1% mazutu. Formu vyrobenou z CT písků vytvrzujeme. Formou prochází 15 až 20 minut oxid uhličitý (CO2) o tlaku 0,1 až 0,6 MPa, který s vodním sklem reaguje tak, že kapalný roztok křemičitanů přechází v polopevnou až pevnou směs, která pevně spojuje jednotlivá zrnka písku.

62


4.1.4.3 Pomocné formovací látky Barviva. Ke zvýšení žáruvzdornosti forem, k vytvoření redukční atmosféry, na vyspravování spár a otvorů vzniklých sušením používáme barviva. Je to většinou grafit nebo směs sulfitového louhu a křemičité moučky. Rovněž jádra natíráme barvivem, abychom zvýšili jejich žáruvzdornost, protože jsou vystavena přímému působení horkého kovu po velké části povrchu. Slévačský prášek zabraňuje nalepování formovacího materiálu na model a na jaderník. Jako slévačského prášku používáme uhelného prachu, lykopodia apod. Dělicího prášku, tj. mletého křemičitého písku, prosetého spáleného písku apod. používáme k posypání dělící roviny, aby se při formování nepřilepil vršek na spodek formy.

4.1.4.4 Úprava formovacích materiálů Požadovaných vlastností formovacích materiálů dosahujeme vhodnou úpravou v úpravnách písku. Upravujeme jednak písek čerstvý (nový) a jednak písek upotřebený (starý). Používat na výrobu forem pouze nového písku by totiž bylo velmi nehospodárné. Přidáváme proto k upravenému novému písku upravený písek starý, a to až z 80 %. Pro výrobu forem používáme pak dvou druhů písků: modelového a plnícího. Modelový písek pěchujeme při formování přímo na model. Vytváří tedy líc formy. Je to nový jemný písek, náležitě upravený. Plnicího písku používáme k vyplnění ostatního prostoru ve formovacím rámu. Je to upravený starý písek z forem již použitých. Úpravny písku jsou různé a závisí na velikosti a vybavení sléváren. Vhodné jsou ústřední (centrální) úpravny, neboť zaručují nejlepší jakost upraveného písku.

4.1.5 Výroba forem a jader Mluvíme-li o formování, myslíme tím vždy hotovení forem netrvalých, zhotovených z písku nebo hlín. Zhotovujeme je buď ručně, nebo strojně. Forma musí být dostatečně pevná, prodyšná, poddajná při smršťování kovu, musí zajišťovat rovnoměrná tuhnutí odlitku ve všech jeho průřezech a vytlučení odlitku z formy nesmí být obtížné.

4.1.5.1 Formovací rámy Podle toho, zda odléváme kov do forem syrových nebo vy sušených, rozeznáváme formy a lití: a) nasyrovo, b) nasucho. Formovací rámy jsou v každé slévárně velmi důležité a drahé zařízení. Na přesnosti rámů závisí značnou měrou i přesnost a jakost odlitků. Rámy slouží k vytvoření pískové formy, aby byla dostatečně pevná, dala se přenášet z formovny na licí pole nebo do sušárny. Vyrábíme je většinou ze šedé litiny, z oceli nebo hliníku. Jejich tvar bývá čtvercový, obdélníkový (viz dále obr. 4.3), kruhový a v sériové výrobě přizpůsobený tvaru odlitku. Podle konstrukce jsou lité, montované nebo svařované. Většina forem se skládá ze dvou rámů. Pro složité odlitky je zapotřebí tří a více rámů. Přesné složení formy je zajištěno skládacími (zaváděcími) kolíky, které jsou v horním rámu a zasouvají se do otvorů v držadlech spodního rámu. Chybnému sestavení rámu formy brání to, že na jedné straně je jeden kolík a na druhé 63


straně dva kolíky. Menší rámy mají po stranách držadla pro přenášení. Velké rámy mívají po stranách čepy pro zavěšení na řetěz jeřábu. Aby nemohl foremní materiál vypadnout z rámů, mají formovací rámy na vnitřní straně tzv. pískovou lištu. Velké formovací rámy musí mít kromě pískové lišty ještě příčky (viz dále obr. 4.6), které mají nejen zabránit vypadnutí foremního materiálu, ale také zpevnit rám, aby se nekroutil.

4.1.5.2 Formovací nářadí K výrobě forem a jader používá formíř různých pomůcek. K pěchování foremního materiálu má k dispozici dřevěné nebo ocelové pěchovačky, a to ruční nebo pneumatické. Formíř formy vlhčí a potírá štětci různých tvarů a velikostí, opravuje a vyhlazuje hladítky, lžičkami a lopatkami. Dále ke své činnosti formíř používá ruční síto, vodováhu, bodec (průdušník), zrcátko, úhelníky, různé druhy lopat atd.

4.1.5.3 Vtoková soustava Vtoková soustava je soubor kanálků ve formě, kterými protéká tekutý kov při jejím plnění. Není-li správně konstruována a dokonale provedena, zvětšuje se počet zmetků, zaviněných nedolitím kovu do formy, znečištěním povrchu odlitku struskou a formovacím pískem, vznikem staženin apod. Tvar, názvosloví a význam vtokové soustavy je patrný z obr. 4.1.

Obr. 4.1 Schéma vtokové soustavy

4.1.6 Formování ruční Ruční formování vyžaduje značné zručnosti formířů. Ručně se zhotovují většinou formy pro menší počet odlitků a formy pro velmi složité a velké odlitky. Dělíme je na otevřené (v zemi slévárny) a uzavřené (formované v rámech nebo v zemi a rámech apod.).

4.1.6.1 Otevřená forma Otevřená forma (obr. 4.2) je zhotovena většinou přímo do země (půdy) slévárny. Těchto forem používáme převážně na méně náročné odlitky. Při lití a chladnutí kovu vyplavou totiž všechny nečistoty a struska na povrch odlitku. Vznikne nečistá, bublinatá a nerovná plocha. V takových formách lijeme rošty do kamen, desky na obkládání pecí aj.

64


Obr. 4.2 Otevřená forma

4.1.6.2 Uzavřené formy Uzavřené formy používáme častěji, neboť nemá nevýhody otevřené formy. Odlitek je mnohem hodnotnější. Na kov ve formě působí i statická váha kovu ve vtokové soustavě a ve výfuku. Tím dostaneme odlitek s jemnější strukturou a větší pevností. Uzavřené formy mají podle velikosti odlitku jeden nebo i několik vtokových soustav. Na nejvyšším místě formy jsou zaústěny výfuky, kterými při lití kovu do formy unikají plyny a vzduch.

Obr. 4.3 Uzavřená forma – postup formování s neděleným modelem

65


Postup při výrobě uzavřené formy je zřejmý z obr. 4.3 (a – formování spodního rámu, b – formování horního rámu, c – hotová složená forma). Na modelní desku položíme model a vhodný foremní rám. Aby se foremní materiál nepřilepil na model, poprášíme model slévačským práškem. Do rámu přesejeme sítem modelový písek a dobře upěchujeme k modelu. Zbývající prostor rámu vyplníme plnícím (výplňovým) pískem a rovněž jej dobře upěchujeme. Abychom dosáhli dobré prodyšnosti formy, pěchujeme směrem k obvodu formy méně intenzívně. Přebytečný písek shrneme ocelovým pravítkem. Bodcem (průdušníkem) napícháme průduchy, které končí asi 15 mm nad modelem. Tím je zaformován spodek formy. Rám překlopíme o 180° a formu očistíme štětcem. Na spodní rám položíme horní rám. Správnou vzájemnou polohu obou rámů zajišťují skládací kolíky. Dělící rovinu posypeme dělicím práškem, model slévačským práškem. Přiložíme kolíky (modely) pro vtokovou soustavu a výfuk a sítem přesejeme do formy modelový písek. Po částečném upěchování vyplníme zbývající prostor rámu výplňovým pískem, formu dobře upěchujeme a přebytečný písek odstraníme. Vytáhneme z formy kolíky pro vtok a výfuk a lžičkou upravíme vtokovou jamku a výfuk. Formu rozebereme, lžičkou vytvoříme vtokový zářez a štětcem navlhčíme hrany formy kolem modelu, aby se písek zpevnil a neutrhl při vyjímání modelu. Dřevěnou paličkou opatrně na model poklepeme, aby se oddělil od formovacího materiálu, a model vyjmeme. Tím je zaformován vršek a spodek formy. Opravíme poškozené části formy a formu složíme, popřípadě vysušíme a připravíme k lití. Postup zhotovení formy pro odlitek s dutinou: Model, který bývá zpravidla dělený, rozložíme a na modelní desku položíme ni část, která má otvory pro spojovací čepy. Pak následuje zaformování, jak bylo popsáno. Zaformovaný spodek formy překlopíme, přiložíme na něj horní rám a na model druhou část modelu se spojovacími čepy. Potom zhotovíme druhou polovinu formy (vršek formy). Formu rozložíme, po vyjmutí modelu opravíme a vložíme do ní předem připravené jádro. Jádra musí mít stejné vlastnosti jako formy. Ke zvýšení pevnosti je někdy vyztužujeme zvláštními výztuhami z drátů nebo trubek. Jádra vyrábíme v jadernících nebo šablonováním, a to stejným způsobem jako formy. Ve formě je ukládáme do lůžek vytvořených známkami na modelu. Proti posunutí nebo prohnutí zajistíme polohu delších jader ve formě jaderními podpěrkami. Formu složíme, odneseme na licí pole, zatížíme a můžeme odlévat. Jde-li o formu, která se musí napřed vysušit, dopravíme ji do sušárny. Po vysušení ji barvivem a černidlem opravíme, aby v ní nebyly trhliny, složíme, zatížíme a odlijeme.

66


Obr. 4.4 Formování do země

4.1.6.3 Formování do země Tohoto způsobu formování (obr. 4.4) používáme k výrobě velkých odlitků, jako jsou kostry a vlka velkých generátorů, turbín apod. Spodek formy vytvoříme přímo do půdy slévárny, vršek formy zhotovíme do formovacího rámu. Postup výroby je podobný jako při formování do rámů.

4.1.6.4 Formování šablonováním Tento způsob formování je, vhodný jen pro velké, předměty, jako jsou velké řemenice, setrvačníky apod. Protože šablonování je poměrně zdlouhavé, používáme ho jen při kusové výrobě. Podle tvaru dráhy, kterou šablona při výrobě formy vykonává, je šablonování posuvné nebo rotační (otočné). Posuvného šablonování (obr. 4.5) používáme hlavně u dlouhých a hladkých těles jako jsou válce, vodovodní roury, kolena apod. Šablona (kroček) je vedena vodícími lištami. Jejím pohybem vytváříme potřebnou plochu formy.

Obr. 4.5 Formování posuvnou šablonou

67


Při rotačním šablonování je šablona otočně upevněna na svislém vřetenu. Otáčením šablony vytváříme rotační tvar formy (viz dále obr. 4.6: a – hotový výrobek, b – vytvoření vnitřního tvaru odlitku – forma na zaformování vršku formy, c – výroba vršku formy, d – výroba spodku formy, e – složená forma připravená k lití). Postup šablonování do rámu. Foremní rám položíme na desku, na níž je patka s vřetenem šablony. Rám vyplníme foremním materiálem a dobře upěchujeme. Otáčením šablony kolem vřetena postupně vytvoříme vnitřní tvar formy odpovídající vnitřnímu tvaru odlitku. Šablonu i vřeteno vyjmeme a vnitřek formy poprášíme dělicím práškem. Na spodní rám přiložíme horní rám a vložíme vtokový a výfukový kolík. Rám vyplníme formovacím materiálem, vyztužíme háčky a pískováčky a dobře upěchujeme. Po vytažení kolíků upravíme vtokovou jamku a výfuk a hotový vršek formy sejmeme. Do patky ve spodním rámu vložíme opět vřeteno a nasadíme na ně další šablonu, která je však větší o tloušťku stěny odlitku a má tvar vnějšího obrysu odlitku. Otáčením šablony dáme formě nový tvar. Po ukončeném šablonování vytáhneme z formy vřeteno a otvor, který po něm ve formě zůstal, zaplníme formovacím materiálem. Poškozené části formy opravíme, formu složíme, zatížíme a připravíme k lití.

Obr. 4.6 Formování rotační šablonou

4.1.7 Formování strojní Ruční formování je velmi zdlouhavé a vyžaduje značné fyzické síly a zručností slévače, zejména při pěchování formy a vyjímání modelu z formy. Proto byly zkonstruovány formovací stroje, které nahrazují, alespoň v hlavních úsecích výroby forem, lidskou práci prací strojní. Výhody strojního formování jsou tedy hlavně ve vyšší produktivitě práce, v lepších a přesnějších odlitcích, v odstranění lidské námahy a v možnosti použití méně kvalifikovaných pracovních sil. Strojní formování zmechanizovalo hlavně pěchování formovacích materiálů a vyjímání modelů z forem. Základní pomůckou strojního formování je modelní (formovací) deska. Na ní jsou 68


trvale připevněny modely odlitků a modely prvků vtokové soustavy. Obvykle bývá na jedné modelní desce větší počet menších modelů. Modelní deska je opatřena zajišťovacími a nadzvedávacími kolíky, které zajišťují přesné umístění formovacího rámu na modelní desce a jeho správné zvedání kolmo k dělicí rovině. Formovací stroje na formy: Je mnoho konstrukcí těchto strojů, které se od sebe liší hlavně pěchováním (zhušťováním) formovacího materiálu a vyjímáním modelu z formy. Dále jsou uvedeny principy formovacích strojů, které jsou dnes nejvíce využívány.

4.1.7.1 Lisovací stroje (lisy) Při lisování se formovací materiál zhušťuje nestejnoměrně. V místě, kde na formovací materiál přímo tlačíme, je více stlačen než na místech vzdálenějších. Princip lisování shora: Na formovací rám nasadíme plnicí (pomocný) rám pro zásobu formovacího písku. Lisovací deska má takové rozměry, že se dá zasunout do plnicího rámu, takže při lisování vytlačí písek do formovacího rámu. Formovací materiál je nejvíce zhuštěn těsně pod lisovací deskou. Avšak v těchto místech má být forma naopak co nejprodyšnější, aby mohly plyny snadno z formy odcházet. U modelu má pak být formovací materiál zhuštěn co nejvíce. Proto používáme tohoto způsobu formování jen pro nízké a jednoduché odlitky. Abychom odstranili tyto nevýhody, používáme zvláštní modelní desky, která je zároveň lisovací deskou. Tím model do formy vytlačujeme. Princip tohoto formování nazýváme lisování zdola. Také tohoto způsobu používáme jen pro nízké modely. Aby bylo využito obou způsobů a zvýšena produktivita práce, používáme oboustranného lisování. Formovací rámy vyplněné formovacím pískem jsou z obou stran současně vtlačovány na oboustrannou modelní desku. Na jednu stranu modelní desky je připevněna vrchní část modelu a na druhou stranu spodní část. Podobným způsobem vyrábíme formy, které skládáme na sebe. Dostaneme tak několikastupňovou formu. Používáme jí pro formování jednoduchých odlitků při tzv. etážovém lití (lití do stromečku). Výhodou tohoto způsobu je úspora formovacího materiálu, formovacích rámů a odlévaného kovu (odpadají vtoky a výfuky). Vtokový kanálek je společný pro všechny formy, jednotlivé formy jsou spojeny kolíky nebo šrouby. Další výhodou je úspora místa ve slévárně, protože je možno složit 12 až 16 rámů na sebe. Lisovacího tlaku se u těchto formovacích strojů dosahuje stlačeným vzduchem, hydraulicky nebo elektromagneticky.

4.1.7.2 Střásací formovací stroje Střásací formovací stroje (obr. 4.7) jsou nejpoužívanějšími stroji k výrobě forem pro malé a středně velké odlitky. Písek se zhušťuje tvrdými nárazy stolu s modelní deskou na válec formovacího stroje. Zdvih je možno regulovat v rozsahu od 10 do 100 mm, počet nárazů je 120 až 150 za minutu. Tyto stroje mají většinou pneumatický pohon. Písek se nejvíce zhušťuje v okolí modelu. Jsou používány také kombinace lisovacích a střásacích strojů. Jsou to tzv. střásací stroje s dolisováním.

69


a) dolní poloha stolu

b) horní poloha stolu

Obr. 4.7 Střásací formovací stroj

4.1.7.3 Metací formovací stroje (pískomety) Metací formovací stroje neboli pískomety (obr. 4.8) jsou nejnovější a také nejvýkonnější formovací stroje. Formovací materiál je dopravován dopravníky s gumovými pásy ze zásobníku do metací hlavy. Metací hlava má metací kolo s jednou lopatkou. Toto kolo se velmi rychle otáčí, takže lopatka vrhá velkou rychlostí formovací materiál do formy. Metací hlava je na kloubovitém ramenu, takže se může pohybovat nad celou formou. Výkony metacích strojů jsou velké a uspoří práci několika dělníků. Pískomety podle velikosti zpracovávají 5 až 40 m3 formovacího materiálu za hodinu.

Obr. 4.8 Metací formovací stroj

4.1.7.4 Formovací stroje na jádra 70


Pro výrobu válcových jader používáme vytlačovacích strojů. Pro výrobu ostatních jader používáme stejných formovacích strojů jako na výrobu forem, tj. strojů lisovacích a střásacích. Velmi výkonným způsobem je výroba jader foukáním. Do kovového jaderníku, který je připevněn na stůl stroje, je z nádržky vháněn stlačeným vzduchem foukací hlavou slévárenský písek. Odvzdušňovací otvory v jaderníku umožňují unikání stlačeného vzduchu do atmosféry. Výkon stroje je až 2 500 jader za směnu (8 hod.). Sušení forem a jader: Formy a jádra sušíme proto, abychom zvětšili jejich pevnost a prodyšnost a zmenšili jejich vlhkost. Protože sušením se zpomaluje a zdražuje výroba, sušíme jen ty formy, které sušení nutně potřebují vzhledem ke svému tvaru, velikosti, tloušťce stěn a formovacímu materiálu, ze kterého jsou vyrobeny. Snížením vlhkosti zabráníme vzniku velkého množství par, jež by mohly odlitek poškodit. Správná sušicí teplota závisí na druhu formovacího materiálu a je v rozmezí 150 až 600 °C. Sušíme buď na místě, nebo v sušicích komorách. Přímé sušení na místě přichází v úvahu jen u forem velikých a u forem vyrobených v zemi slévárny. Sušicí komory jsou uzavřené prostory, do kterých zavážíme vozy formami a jádry. Při sériové výrobě používáme plynulého sušení v tunelových pecích. Vytápění je roštové (koksem), plynové, olejové nebo elektrické. K sušení se s výhodou používá také lamp s infračerveným zářením. Výhodou je velmi krátká doba sušení (10 až 15 minut). Rovněž se uplatňuje dielektrické sušení, které je založeno na stejném principu jako diatermie v medicíně. Používáme ho zejména pro sušení jader. Jeho výhodou je to, že sušicího účinku se dosáhne za necelou minutu po zapojení pece, že se zkracuje doba sušení na několik minut, popřípadě vteřin, jádra se nemohou přehřát ani spálit a manipulace je velmi jednoduchá.

4.1.8 Trvalé formy (kokily) Kovové formy bývají zhotoveny ze šedé litiny, jádra z oceli. Lze jich použít k lití velkého počtu odlitků a jejich životnost je závislá na teplotě tavení odlévaného kovu. Proto kovových forem používáme pro kovy a slitiny s nízkou teplotou tavení, tj. zinkových, hliníkových, hořčíkových a měděných slitin. U zinkových slitin vydrží forma až několik desítek tisíc odlitků. Odlitky z kovových forem mají velmi přesné rozměry, pěkný hladký povrch a nepotřebují tak velké přídavky na opracování jako odlitky z pískových forem. V kovové formě kov rychleji chladne, a tím vznikne jemnější struktura s větší pevností. Při lití šedé litiny a ocelové litiny do kovových forem se v povrchových vrstvách odlitků vytváří cementit, který způsobuje, že odlitky jsou těžko opracovatelné. Výkonnost licích strojů je závislá na velikosti odlitků. Odlije se na nich 20 i více odlitků za hodinu.

4.1.9 Tavení kovů a slitin, lití kovů a slitin Nejvíce používáme šedé litiny, ocelové litiny (lité oceli), slitin mědi (některé druhy 71


mosazí a bronzů), hliníku a hořčíku. Tyto slévárenské materiály tavíme v tavírně v tavicích pecích, o nichž byla zmínka v kapitole 1.3 Výroba litiny a 2.4 Odlévání oceli (viz výše). Lití kovů a slitin. Roztavený kov nebo slitinu dopravujeme od tavicích pecí k formám v ručních nebo jeřábových licích pánvích. Velikost licích pánví je závislá na velikosti odlitků. Pro šedou litinu používáme jeřábových pánví s výlevkou, pro ocelovou litinu pánví se spodní výpustí (obr. 2.7 – viz kap. 2), aby struska nevtekla s kovem do formy. Pro slitiny neželezných kovů používáme pánví nebo přímo kelímků, ve kterých slitiny tavíme.

4.2 Zvláštní způsoby lití 4.2.1 Lití pod tlakem Tohoto způsobu používáme při sériové a hromadné výrobě tenkostěnných odlitků ze slitin neželezných kovů. Podstatou tohoto způsobu je, že slitinu ve stavu tekutém nebo těstovitém vháníme vysokým tlakem (od 10 do 100 MPa) do formy, Velikost tlaku je závislá na velikosti strojů a u odlévaných materiálů. Potřebných tlaků pro vstříknutí kovu do formy, pro uzavření a otevření formy dosahujeme hydraulicky. Tyto stroje byly jako první patentovány v bývalém Československu. Při lití postupujeme takto (obr. 4.9): 1. uzavřeme formu, 2. tavicí lžící vlijeme do plnící komory odměřené množství tekutého kovu, který tavíme v kelímku vedle licího stroje, 3. tlačný píst hydraulického válce vstříkne kov do formy, 4. spodní píst (výtlačný) vytlačí z plnicí komory přebytek kovu, který vrátíme zpět do kelímku, 5. otevřeme formu a vyhazovač z ní vyhodí odlitek.

Obr. 4.9 Postup při lití kovů pod tlakem (a – plnění tlakové komory, b – vtlačování kovu do formy, c – vyhazování odlitku z formy)

72


Vyrobené odlitky jsou tak přesné (± 0,3 až ± 0,2 mm), že nepotřebují většinou žádné další obrábění (s výjimkou funkčních ploch). Můžeme předlít i velmi malé otvory (Ø 2,5 mm), závity (od Ø 10 mm), přesné detaily (písmo, znaky) apod. Tloušťka stěn bývá od 1,5 do 3 mm. Hospodárnost lití pod tlakem se projevuje již od 1 000 kusů odlitků. Životnost správně konstruovaných forem je asi 5 000 odlitků. Mohou však vydržet i 50 000 až 100 000 kusů odlitků. Výroba jednoho odlitku trvá podle jeho velikosti od 30 vteřin asi do 6 minut. Tohoto způsobu lití s výhodou využíváme v automobilovém a leteckém průmyslu, v elektrotechnice i v jiných odvětvích.

4.2.2 Odstředivé lití Při odstředivém lití (obr. 4.10) je roztavený kov vléván do rychle se otáčející formy a odstředivou silou přitlačován ke stěně formy, kde tuhne. Tohoto způsobu se používá hlavně k odlévání trub, válců, kroužků apod. Výhodou je úspora jádra, odpadá vtoková soustava a výfuk, odlitky jsou hutné a bez bublin. Nevýhodou je, že se nedají odlévat odlitky s neválcovou dutinou.

Obr. 4.10 Odstředivé lití (a – svislé, b – vodorovné)

4.2.3 Sklopné lití Při sklopném lití (obr. 4.11) nasadíme pevně na obloukovou pec, ve které je přesně odměřené množství kovu, pískovou formu, a to v okamžiku, kdy je kov připraven k slévání. Pec i s formou sklopíme o 180°. Kov plní formu klouzáním po jedné straně formy a podél druhé vystupuje vzduch z dutiny formy. Ke zlepšení jakosti odlitků je účelné přivést nad tuhnoucí odlitek stlačený vzduch. Velkou předností sklopného lití je, že se dají odlévat složité odlitky, jako jsou frézy, šroubovité vrtáky, součásti elektrických přístrojů apod.

73


Obr. 4.11 Sklopné lití

4.2.4 Lití metodou vytavitelných a spalitelných modelů V současnosti je většina drobných součástí v hromadné výrobě produkována odléváním. Tyto výrobky jsou vyráběny s co nejmenšími přídavky na obrábění, popřípadě bez nich, zvláště jde-li o speciální slitiny. Tento způsob odlévání je nazýván přesné lití. Celý výrobní proces tvoří tyto operace: a) Zhotovení kovového „mistrovského“ (matečního) modelu, který je výchozím prvkem ke zhotovení forem (maket), ve kterých vyrábíme vytavitelné (spalitelné) modely. „Mistrovské modely“ vyrábíme většinou z nízkotavitelných slitin. b) Výroba modelů z vytavitelných (spalitelných) materiálů. K tomu používáme voskových směsí, termoplastických hmot a kovů (nízkotavitelné slitiny a zmrzlou rtuť). Jednotlivě odléváme pouze odlitky větší váhy. Modely drobných součástí sestavujeme do skupin (stromečků), spojených společnou vtokovou soustavou. c) Výroba keramických forem. Model i s vtokovou soustavou namočíme do řídké obalové kaše s etylsilikátem a vytváříme tak keramický obal. Vytváříme několik obalových vrstev (2 až 3) po vysušení každého obalu, až dosáhneme předepsané tloušťky. Modely z forem vytavujeme buď v elektrických sušárnách, nebo horkou vodou. Vzniklou skořepinu vložíme do formovacích rámů (krabic) a prostor mezi ní a rámem vyplníme (zasypeme) křemičitým pískem pomocí střásacího stroje. Je to tzv. obalový způsob se zasypanou skořepinou (obr. 4.12). Jiný, hospodárnější způsob je ten, že používáme skořepiny přímo, bez zásypu. Jsou to tzv. samonosné skořepiny. Po vytavení modelových hmot vypalujeme formy v tunelových pecích při teplotě 900 až 1 050 °C. Tím se forma zpevní. Zbytky modelových hmot se při vysoké teplotě vypálí. d) Odlévání a úprava odlitků. Odléváme do žhavých forem (900 °C) ihned po vyjmutí z vypalovací pece. Odléváme stacionárně, odstředivě nebo sklopně. Po vytlučení odlitků z forem odstraníme vtoky a očistíme odlitky otryskáním nebo chemicky (loužením v alkalickém louhu). Je-li toho třeba, následuje obrábění, popřípadě tepelné 74


zpracování. Metoda s vytavitelným (spalitelným) modelem je poměrně nákladný výrobní proces. Je proto rentabilní jen pro sériovou výrobu (min. 2 000 kusů).

4.2.5 Lití do skořepinových forem K výrobě skořepinových forem se používá směsi křemenného písku s přísadou 5 až 10 % syntetické pryskyřice, s výhodou lze použít CT písků (slévárenské písky s vodním sklem). Zlepší se tím jakost odlitků. Kovovou modelní desku s kovovým modelem a vtokovou soustavou zahřejeme na 150 až 300 °C a postříkáme parafínem nebo emulzí proti přilepení pískové směsi. Takto upravenou desku připevníme na zásobník písku a celé zařízení překlopíme o 180°. Tím se písková směs přesype na modelní desku. Pryskyřice roztaje, obalí zrnka písku, slepí je a vytvoří tak na povrchu modelu tenký povlak čili skořepinu (3 až 4 mm tlustou). Zpětným překlopením zásobníku s modelní deskou odpadne přebytečný materiál. Modelní desku sejmeme i se skořepinou a vložíme do pece, kde asi při 300 °C nastává polymerizace. Tím skořepina nabude velké tvrdosti. Po vyjmutí z pece sejmeme skořepinu z modelní desky. Jádra vyrábíme obdobným způsobem v jaderníku, popřípadě foukáním. Obě poloviny formy složíme podle vyformovaných čípků, spojíme lepením, sešroubováním nebo sepnutím, vložíme do vhodného rámu a obsypeme litinovým nebo křemenným pískem. Tím je forma připravena k lití. Lití do skořepin je používáno v hromadné výrobě malých a středně velkých odlitků. Odlévat můžeme všechny druhy slitin (kromě olovnatých bronzů). Velmi dobře se tímto způsobem odlévají složitější odlitky.

Obr. 4.12 Postup výroby odlitků obalovým způsobem se zasypanou skořepinou (a – modely sestavené do stromečku, b – vytvoření keramického obalu – skořepiny, c – zasypání skořepiny křemičitým pískem, d – vytavení modelů a sušení skořepiny, e – vypalování formy, f – příprava k lití, g – odlévání do žhavé formy, h - odlitky

75


4.3 Čištění a úprava odlitků V podstatě jde o odstranění písku z povrchu odlitků, o vytlučení jader z dutin odlitků a o odstranění vtoků a výfuků a nežádoucích výstupků (např. švů).

Obr. 4.13 Pásový čisticí buben

Způsob čištění odlitků je závislý na jejich velikosti i množství. Velké odlitky čistíme nejčastěji ručně sekáči a ocelovými kartáči, nerovnosti a švy odbrušujeme. Menší odlitky čistíme strojem, Používáme k tomu většinou pásových čisticích bubnů (obr. 4.13) nebo tryskačů (pneumatických - obr. 4.14 nebo vodních). Konečné úpravy odlitků dosáhneme broušením, mořením ve zředěných kyselinách, popřípadě tepelným zpracováním

Obr. 4.14 Stolový tryskač

4.5. Vliv slévárenských procesů na životní prostředí 76


Slévárny jsou relativně malým zdrojem tuhých i plynných emisí. Toto rovněž platí o znečišťování vod. Hlavními odpady sléváren jsou slévárenské písky, které vznikají poměrně ve velkém množství a s malou využitelností.

4.5.1 Emise Tuhé emise: Zdrojem tuhých emisí jsou kuplovny pro tavení železa a exhalace prachu související s manipulací se slévárenskými formovacími hmotami, jehož určitý podíl se zrnitostí pod 5,4 μm je fibrogenní. Množství spalin u kuploven bývá 500 ÷ 1500 mn3/t odlitků a emisní faktor u prachu 10 ÷ 50 kg/t odlitků. Plynné emise: U plynných emisí mají největší podíl emise CO, které vznikají při tavení v kuplovnách a elektrických pecích. Tyto emise se odstraňuji dodatečným spalováním s následným využitím odpadního tepla. Emisní faktor pro CO se pohybuje v rozmezí 150 ÷ 250 kg/t odlitků. Emise SO2: Tyto emise vznikají rovněž při tavení a jsou závislé na obsahu síry v koksu a jeho spotřebě. Při přípravě formovacích směsí (zejména jader) a jejich sušení dochází k uvolňování složek organických pojiv (některé jsou karcinogenní). Tyto organické látky působí pachově v okolním prostředí (zejména pracovním).

4. 5. 2 Odpadní vody Ve slévárnách vznikají odpadní vody obecně ze tří technologických operací: -

odpadní vody z vodní dopravy a regenerace použité (vypálené) formovací směsi, odpadní vody z tlakového čištění odlitků, odpadní vody z mokrého čištění spalin kuplových pecí.

Čištění uvedených odpadních vod je ve slévárnách prováděno různě a to podle její velikosti, začlenění do výrobního celku, podle druhu používané formovací směsi atd. Velmi složité bývají okruhy čištění odpadních vod z regenerace formovacích směsí.

4. 5. 3 Odpady Jak již bylo uvedeno, hlavním odpadem sléváren jsou slévárenské písky. Hlavní příčinou jejich menší využitelnosti je obsah organických sloučenin. Regenerace těchto písků má proto velký význam nejen z hlediska provozu sléváren, ale i z hlediska ochrany životního prostředí.

Literatura (kap. 4): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] HLUCHÝ, Miroslav et al. Strojírenská technologie. Praha: SNTL, 1975. 344 s. [3] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986. 77


[4] DRABINA, Kamil et al. Ochrana ŽP v hutnictví železa. Účelová publikace. Třinec: 1992. I. a II. díl, 248 s. + přílohy. [5] http://mujweb.atlas.cz/www/ucikrus/ref-zelezo_a_jeho_vyroba.htm [6] http://ocel.navajo.cz/ [7] http://wikipedia.infostar.cz/s/st/steel.html [8] http://www.strojirenstvi.wz.cz/stt/rocnik1/01zelezo.php [9]http://www.fag.cz/content.schaeffler.cz/cs/branches/industry/heavy_industry/metal_extract ion_and_processing/applications_3/steel_forming/steel_forming.jsp

5 Strojírenství Obrábění řeznými nástroji je stále více vytlačováno tvářením. Přesto obrábění zůstává i nadále důležitým způsobem výroby. Výrobky či určité části výrobků, vyrobené ve slévárnách, kovárnách, válcovnách nebo lisovnách, obrábíme řeznými nástroji, chceme-li u nich dosáhnout přesnějších tvarů a rozměrů nebo hladšího povrchu. Řezné nástroje z nich odebírají přebytečný materiál v podobě třísek.

5.1 Základy strojního obrábění Činná část řezného nástroje má tvar klínu, který svým břitem vniká do obráběného materiálu a odděluje z něj třísky. Nástroj i obráběný předmět (obrobek) jsou při strojním obrábění upnuty na obráběcím stroji. Nejběžnější způsoby strojního obrábění jsou: soustružení, vrtání, frézování, broušení, hoblování, obrážení a protahování [2]. Odbírání třísky je umožněno řezným pohybem, složeným z hlavního a vedlejšího pohybu. Hlavní pohyb (do řezu) koná zpravidla obrobek, vedlejší pohyby (posuv do záběru a přísuv k nastavení hloubky třísky) koná nástroj (soustružení, hoblováni). U některých způsobů obrábění je tomu obráceně (frézování, broušení, obrážení), u jiných koná nástroj všechny potřebné pohyby (vrtání). Hlavní pohyb je buď přímočarý (hoblování, obrážení, protahování), nebo rotační (soustružení, frézování, vrtání, broušení). Posuv do záběru je zpravidla přímočarý, jen výjimečně kruhový (obrážení rotačních ploch) nebo kombinovaný přímočarý s kruhovým (frézování šroubových drážek). Relativní rychlost ostří nástroje proti obrobku nazýváme řeznou rychlostí. Řeznou rychlost udáváme v m/min, při broušení v m/s. Posuv udáváme při přímočarém hlavním pohybu v mm/dvojzdvih, při rotačním hlavním pohybu v mm/ot, popřípadě u několikabřitých nástrojů, např. u fréz, v mm/zub. 78


Jednoduchým řezným nástrojem je ubírací soustružnický nůž (obr. 5.1). Princip obrábění tímto nožem a jeho řezné úhly znázorňuje obr. 5.2. Při obrábění (např. při soustružení - obr. 5.2) se nůž zařezává ostřím (břitovou hranou) do materiálu, který se proti němu pohybuje hlavním pohybem. Nůž koná při tom vedlejší pohyb (posuv), na jehož velikosti je závislá tloušťka odbírané třísky. Určité hloubky třísky dosáhneme přísuvem, tj. pohybem nože směrem k obrobku.

Obr. 5.1 Geometrický tvar soustružnického nože

Přední plocha nože, po níž se oddělená tříska smýká nebo odpadává, je čelo nože, zadní plocha nože je hřbet. Obě tyto plochy svírají spolu úhel břitu β a protínají se v ostří. Úhel a mezi hřbetem nože a směrem hlavního pohybu je úhel hřbetu a bývá 5 až 12°, přičemž menší hodnoty platí pro obrábění materiálů tvrdých, větší pro obrábění materiálů měkkých. úhel α+β břitu s úhlem hřbetu dávají dohromady úhel řezu δ. Úhel γ, který svírá čelo nože se směrem kolmým ke směru hlavního pohybu, je úhel čela. Volíme jej větší pro obrábění měkkých materiálů než pro obrábění materiálů tvrdých; pro nejměkčí materiály volíme úhel čela až 40°, pro velmi tvrdé materiály a zejména pro velké řezné rychlosti může být úhel čela i záporný (obr. 5.3 b). Profilem nože rozumíme tvar jeho ostří, jak se jeví v pravoúhlém průmětu na základnu nože (obr. 5.1). Profil ubíracího nože je omezen dvěma břitovými hranami, které svírají se směrem posuvu úhly χ a χ' (obr. 5.2). Velikost těchto úhlů závisí na pevnosti obráběného materiálu, na jakosti práce (obrábění nahrubo nebo hlazení) a na tuhosti obrobku.

79


Obr. 5.2 Obrábění soustružnickým nožem (α – úhel hřbetu, β – úhel břitu, γ – úhel čela, δ – úhel řezu, λ - úhel sklonu, χ - úhel nastavení nože, s – posuv za otáčku, t – hloubka třísky)

Čím je menší úhel χ', tím je hlava nože masivnější, a tím lépe odvádí vzniklé teplo od ostří nože. Úhel χ, který svírá hlavní břitová hrána se směrem posuvu, nazýváme úhlem nastavení nože. K dosažení největšího trvalého výkonu je třeba při určité hloubce třísky volit tloušťku třísky co nejmenší, tj. co nejmenší úhel nastavení nože χ. Široká a tenká tříska lépe odvádí teplo, a to vlivem velkého styku s nožem. Nože s malým úhlem nastavení můžeme však použít jen k obrábění předmětů dostatečně tuhých, aby se neprohýbaly. Velikost úhlu nastavení nože z bývá u ubíracích nožů asi od 35° pro těžké řezy do 85° pro soustružení tenkých hřídelů. Klidnějšího řezání u nožů pro obrábění nahrubo dosáhneme sklonem ostří o určitý úhel λ, který volíme 3 až 8°. Nůž s ostřím klesajícím ke špičce je vhodný pro obrábění tvrdých materiálů nahrubo, nůž s ostřím stoupajícím ke špičce je vhodný pro obrábění měkkých materiálů nahrubo.

Obr. 5.3 Nůž s úhlem čela (a – kladným, b - záporným)

Vhodná volba uvedených řezných úhlů, tvaru břitové hrany, správné nastavení nástroje při práci, správné upnutí nástroje i obrobku, vhodný materiál, z něhož je nástroj zhotoven, jakož i volba vhodné řezné rychlosti jsou důležitými podmínkami pro dosažení největšího trvalého výkonu a dobré jakosti obrábění.

5.1.1 Mazání a chlazení Třením třísky o čelo nože a hřbetu nože o obráběný materiál vzniká teplo, kterým se břit nástroje ohřívá. Překročí-li jeho teplota určitou hranici, břit nástroje se vyhřeje a předčasně otupí. Toto tření, které je u houževnatých obráběných materiálů větší než u křehkých, se snažíme zmenšit mazáním. Tím zároveň ochlazujeme břit nástroje a zvyšujeme jeho trvanlivost. Protože množství vzniklého tepla vzrůstá se stoupající řeznou rychlostí, umožňuje chlazení nástroje též zvětšení řezné rychlosti, a tím při stejném průřezu třísky i zvýšení výkonu, jehož velikost závisí na velikosti průřezu třísky a řezné rychlosti. Mazáním zmenšujeme tření, a tím i vzniklé teplo. Mimo to jím dosahujeme i větší hladkosti obrobeného povrchu. 80


K chlazení a mazání používáme mýdlové vody (roztok sody a mýdla ve vodě) nebo olejů nejčastěji minerálních, výjimečně rostlinných olejů (řepkový) a živočišných tuků, nebo také petroleje, terpentýnu aj. Olejů a tuků, které více mažou než chladí, používáme tam, kde chceme zmenšit tření a zvětšit hladkost povrchu. Řídké tekutiny (vodní roztoky) chladí intenzivněji. Tam, kde by se mazáním a chlazením nezlepšily podmínky a výsledky obrábění, pracujeme tzv. nasucho. Je tomu tak např. při použití nástrojů, které snesou vysoké teploty (nástroje s činnými částmi ze slinutých karbidů nebo keramických materiálů), nebo při obrábění křehkých materiálů (šedá litina).

5.1.2 Materiál na nástroje Nejpoužívanějším materiálem na nástroje je ocel, jejíž přirozená tvrdost se dá zakalením podstatně zvýšit. Kromě oceli používáme k výrobě nástrojů slinutých karbidů, keramických materiálů a diamantu [2]. Je nutno poznamenat, že některé nástroje jsou zhotoveny celé z vhodného nástrojového materiálu (obvykle z oceli), jiné mají jen činnou část z hodnotného materiálu, která je buď přivařena, připájena nebo mechanicky připevněna na držáku zhotoveném z levnějšího materiálu.

5.1.2.1 Oceli uhlíkové a legované Oceli uhlíkové jsou nejlevnějšími nástrojovými ocelemi. Nástroje zhotovené z této oceli se však hodí jen pro malé výkony a malé řezné rychlosti, neboť již při teplotě asi 200 °C se rychle otupují. Pro větší výkony a větší řezné rychlosti zhotovujeme nástroje z ocelí legovaných různými prvky, které zlepšují jejich vlastnosti (chróm, wolfram, molybden, vanad, kobalt, titan aj.). Rychlořezné oceli obsahují několik těchto prvků ve větším množství. Nástroje zhotovené z rychlořezných ocelí zachovávají svoji tvrdost při teplotách do 600 °C, takže umožňují obrábění většími řeznými rychlostmi než nástroje z ocelí uhlíkových. Jsou však mnohem dražší než nástroje z ocelí uhlíkových.

5.1.2.2 Slinuté karbidy Největších výkonů při strojním obrábění je možno dosáhnout nástroji, jejichž činné části jsou ze slinutých karbidů. Jsou to materiály vyrobené za vysokých teplot lisováním z práškového karbidu wolframu a titanu a práškového kobaltu jako pojiva. Jejich tvrdost se blíží tvrdosti diamantu. Břity nástrojů ze slinutých karbidů snesou teploty až 900 °C, aniž se vyhřátím otupí. Jsou však poměrně křehké (nesnesou větší nárazy).

5.1.2.3 Keramické materiály Velkých výkonů je možno dosáhnout nástroji, jejichž činné části jsou vyrobeny z keramických materiálů. Svými vlastnostmi se tyto materiály podobají slinutým karbidům – jsou velmi tvrdé, křehké a odolávají vysokým teplotám. Zhotovují se z Al2O3 a jsou poměrně levné.

5.1.2.4 Diamant Diamant je používán k jemnému obrábění zejména měkkých materiálů velkými 81


řeznými rychlostmi. Diamant bývá upevněn v držáku pájkou.

5.2 Soustružení Soustružením je možno obrábět rotační plochy vnější i vnitřní, plochy rovinné, oválové i různě zakřivené, podsoustružit, vrtat, řezat závity atd. K soustružení používáme soustružnických nožů různých velikostí i tvarů. Nože pro běžné soustružení jsou patrné z obrázku 5.4.

Obr. 5.4 Soustružnické nože (a – pravý ubírací nůž přímý, b – levý ubírací nůž ohnutý, c – nůž nabírací, d – nůž zapichovací, e – pravý nůž rohový, f – nůž upichovací, g – levý ubírací nůž stranový, h – vnitřní ubírací nůž, ch – vnitřní zapichovací nůž)

K soustružení libovolně zakřivených ploch používáme tvarových nožů s příslušně zakřivenou břitovou hranou. Tvarové nože mohou být tyčové jako normální soustružnické nože, nebo hranolovité nebo kotoučové a upínají se do zvláštních držáků.

5.2.1 Hrotový soustruh Ze všech soustruhů má nejširší použití soustruh hrotový. Hodí se však jen pro kusovou výrobu. Ostatní soustruhy nemají tak všestranné použití, zato však doplňují použití hrotového soustruhu, jako např. soustruhy lícní (kusé) a soustruhy svislé (karusely) nebo jsou pro určité práce výkonnější než hrotové a používáme jich při sériové, popřípadě hromadné výrobě. Jsou to především soustružnické automaty, poloautomaty, soustruhy revolverové a soustruhy speciální (jednoúčelové). Hrotový soustruh (obr. 5.5) se skládá z lože, vřeteníku, koníku, suportu, posuvových mechanismů a normálního, popřípadě zvláštního příslušenství. Velikost hrotových soustruhů je udávána největším možným průměrem soustružení a největší možnou vzdáleností upínacích hrotů.

5.2.1.1 Lože Lože je vyztužený litinový nosník, spočívající na dvou nohách nebo dutých stojanech. Na jeho horní straně jsou upravena přesně opracovaná vedení tvaru lišt. Po vnějším páru 82


těchto lišt se pohybuje suport, po vnitřním páru se přestavuje koník. Vlevo nahoře je k loži přišroubován vřeteník.

5.2.1.2 Vřeteník Vřeteník se skládá z mechanismů zprostředkujících hlavní pohyb a měnících jeho rychlost. Jeho hlavní součástí je ocelové vřeteno, v jehož předním konci je zasazen upínací hrot. Dále lze na přední konec vřetena našroubovat unášecí kotouč s unášečem, který přenáší rotační pohyb vřetena na obráběný předmět upnutý mezi hroty (viz dále obr. 5.6). Vřeteno je duté, aby bylo možno soustružit také tyčový materiál. Materiál přiváděný k noži dutinou vřetena je pak možno upnout v univerzálním sklíčidle, které po vyjmutí upínacího hrotu našroubujeme na přední konec vřetena místo unášecího kotouče. Změny počtu otáček dosahujeme pomocí soustavy ozubených kol uložených ve vřeteníku, popřípadě také v převodové skříni umístěné v noze soustruhu. Čím větší je rozsah a počet druhů otáček vřetena, tím hospodárněji soustruh pracuje. Ideální je plynulá změna otáček, které lze dosáhnout variátorem, regulačním stejnosměrným elektromotorem nebo hydraulickým pohonem.

5.2.1.3 Koník Koník je litinový stojánek, v jehož horní trubkové části je posuvně uložena pinola (viz obr. 5.5) a v ní je zasazen druhý upínací hrot. Stojánek koníku je upevněn na krátkých saních (viz obr. 5.5, pozice S), jimiž se ručně přestavuje po loži soustruhu podle délky upínaného obrobku. Pro obrábění táhlých kuželů lze koník příčně poněkud vychýlit posunutím stojánku po saních kolmo k ose soustružení.

Obr. 5.5 Hrotový soustruh

5.2.1.4 Suport Suport (viz obr. 5.5) slouží k upnutí nože, k jeho posouvání do záběru a k nastavení hloubky třísky. Skládá se z podélných a příčných saní, z točnice a nožových saní s nožovým 83


držákem nebo nožovou hlavou. Podélné saně se pohybují po loži soustruhu rovnoběžně s osou soustružení. Na nich je upraveno rybinovité vedení, po němž se pohybují příčné saně kolmo k ose soustružení. Podélné i příčné saně mají zpravidla kromě pohybu ručního také pohyb strojní. Na příčných saních je otočně uložena točnice a po jejím rybinovitém vedení se ručně posouvají nožové saně s nožovým držákem nebo nožovou hlavou.

5.2.1.5 Posuvové mechanismy Ručních pohybů podélných, příčných nebo nožových saní dosahujeme otáčením příslušného ručního kolečka nebo kličky. Strojní podávací pohyby jsou odvozovány od pohybu vřetena, přenášejí se na podélné a příčné saně a jimi na nůž pomocí podávacích mechanismů. Jsou to především podávací skříň se soustavou ozubených kol, sloužících ke změně velikosti a směru podávacích pohybů, dále vodicí šroub, vodicí tyč a zařízení pro spouštění a vypínání strojních podávacích pohybů.

5.2.1.6 Upínání obrobků na soustruhu Při soustružení musí být obrobek bezpečně upnut, aby se tlakem nože neuvolnil, aby byla zajištěna jeho správná poloha a aby se na něj přenášel rotační pohyb z vřetena. Dlouhé obrobky, opatřené předem na obou koncích středicími důlky, upínáme přímo mezi hroty. Upínací hroty jsou ocelové, kalené a broušené. Vřetenový hrot se otáčí s vřetenem a obrobkem. Koníkový hrot je pevný a musí se proto mazat, aby se ve středicím důlku nezadřel. U těžkých a rychloběžných soustruhů často používáme otáčivých koníkových hrotů. Krátké obrobky, které mají kruhový otvor souosý s obráběným povrchem, se upínají mezi hroty pomocí mírně kuželových soustružnických trnů, se středicími důlky na obou koncích. Trn se vlisuje do předem obrobeného otvoru obrobku. Rotační pohyb se přenáší z vřetena na obrobek unášecím kotoučem, který je našroubován na předním konci vřetena a svým kolíkem otáčí unášecím srdcem pevně spojeným s obrobkem nebo soustružnickým trnem (obr. 5.6).

Obr. 5.6 Unášení obrobku (upnutého mezi dvěma hroty)

Místo unášecího kotouče lze na přední konec vřetena našroubovat univerzální sklíčidlo nebo lícní desku. Univerzální sklíčidlo (obr. 5.7) má tři nebo čtyři upínací čelisti a upínáme do něho buď malé krátké obrobky, nebo delší obrobky, jejichž druhý konec je opřen 84


o koníkový hrot. Velké krátké obrobky upínáme na lícní desku s upínacími čelistmi a s upínacími otvory (obr. 5.8). Tažený tyčový materiál, z něhož se soustruží drobné předměty, např. na některých malých soustruzích nebo na soustružnických automatech, upínáme kleštinami uloženými v dutém vřetenu. Předností kleštin je rychlé a přesné upínání, nevýhodou je však malé rozmezí průměrů upínaného materiálu. K rychlému upínání obrobků při sériové výrobě, např. na revolverových soustruzích, slouží zvláštní upínací přípravky.

Obr. 5.7 Univerzální sklíčidlo

Obr. 5.8 Lícní upínací deska

5.2.2 Lícní soustruh Soustruhy lícní (obr. 5.9) mají svislou upínací desku a velmi silné vodorovné vřeteno. Slouží k soustružení krátkých obrobků velkých průměrů, např. setrvačníků, řemenic, 85


ozubených kol aj. Tyto soustruhy nemají koník a nazýváme je proto též soustruhy kusými.

5.2.3 Svislý soustruh Soustruhy svislé (karusely) mají vodorovnou upínací desku a svislé vřeteno. Jsou výhodnější než lícní soustruhy, protože na ně upínáme těžké obrobky snadněji a vřeteno není namáháno na ohyb. Jsou jednostojanové nebo dvoustojanové. Na stojanech je výškově přestavitelný příčník, po němž se vodorovně posouvá jeden nebo dva nožové suporty. Velké svislé soustruhy mívají ještě další boční suport umístěny na svislém stojanu. Velikost lícních a svislých soustruhů udáváme největším průměrem, který lze na nich soustružit.

Obr. 5.9 Lícní soustruh

5.2.4 Revolverové soustruhy Revolverové soustruhy jsou určeny pro sériovou výrobu. Jsou výkonnější než hrotové soustruhy a jejich obsluha je jednodušší. Všechny nástroje, potřebné k provedení jednotlivých operací na obrobku, jsou upnuty v revolverové hlavě a zavádějí se postupně do pracovní polohy jednoduchým pohybem vratidla. Pro práci z tyčového materiálu mají kleštinové upínací zařízení. Tyčový materiál se za chodu stroje v upínací kleštině uvolní, posune o určitou délku a znovu upne. K rychlému upínání kusových obrobků slouží zvláštní upínací přípravky. Větší výkonnosti revolverových soustruhů se tedy dosahuje hlavně zkrácením vedlejších časů potřebných k výměně nástrojů a k upínání obráběného materiálu. Po seřízení revolverového soustruhu je jeho obsluha tak jednoduchá, že ji může vykonávat i méně kvalifikovaný pracovník. Revolverové soustruhy mají revolverovou hlavu se svislou osou, popřípadě šikmou osou nebo s vodorovnou osou rovnoběžnou s osou vřetena. Velikost revolverových soustruhů označujeme největším průměrem materiálu, který může projít jejich dutým vřetenem.

86


5.2.5 Soustružnické automaty, poloautomaty, speciální soustruhy Soustružnické automaty se podobají revolverovým soustruhům, ale jsou ještě výkonnější. Toho se dosahuje dalším zkrácením vedlejších časů, neboť i veškeré úkony prováděné u revolverových soustruhů ručními pohyby vratidla nebo páky jsou u automatů samočinné. Soustružnické poloautomaty pracují automaticky jen po dobu jednoho cyklu, zastaví se a musí být znovu uvedeny v chod. Používáme jich tam, kde není možno upínat obrobky automaticky. Soustružnické automaty a poloautomaty jsou využívány pro velkosériovou a hromadnou výrobu. Speciální (jednoúčelové) soustruhy jsou přizpůsobeny speciálním požadavkům. Jsou to např. soustruhy upichovací k upichování tyčového materiálu, soustruhy podsoustružovací k podsoustružení zubů některých řezných nástrojů, zejména tvarových fréz, soustruhy k obrábění zalomených hřídelů apod.

5.3 Vrtání a vyvrtávání Vrtáním zhotovujeme díry do plného materiálu, kdežto vyvrtáváním rozumíme zvětšování děr. Menší díry vrtáme a vyvrtáváme na vrtačkách, dlouhé díry a díry velkých průměrů na vodorovných vrtacích a vyvrtávacích strojích. K vrtání děr do plného materiálu používáme různých vrtáků, zpravidla dvoubřitových. Kopinatý vrták (obr. 5.10a) pracuje nepřesně a lze ho tedy použít jen pro hrubší práce. Nejpoužívanější je vrták šroubovitý (obr. 5.10b). Má dvě hlavní ostří vytvořené šroubovitými drážkami a kuželovým sbroušením konce vrtáku. Hlavní ostří jsou spojena krátkým příčným ostřím, které tvoří špičku vrtáku. Šroubové drážky slouží k odvádění třísek. Ve vrtané díře je vrták veden dvěma úzkými ploškami (fasetkami) jdoucími podél šroubových drážek. Středicím vrtákem vrtáme středicí důlky do obrobků, které se při obrábění upínají přímo mezi hroty. Dělový vrták (obr. 5.10c) má jeden břit a slouží k vrtání velmi dlouhých děr (např. dělových hlavní). Pracuje se s ním na soustruhu. Chladicí kapalina přiváděná k ostří vrtáku trubičkou uloženou v jeho drážce vyplavuje zároveň třísky z vrtané díry. Korunový vrták má tvar ozubené trubky a používáme ho zpravidla k vrtání velkých děr do tlustého plechu.

87


Obr. 5.10 Vrtáky (a – kopinatý, b – šroubovitý, c – dělový)

Velmi přesné díry předvrtáváme nejdříve šroubovitým vrtákem, potom je vyhrubujeme výhrubníkem a dokončíme výstružníkem. Výhrubník (obr. 5.11a) má tři až čtyři šroubové břity. Jím se upravují předvrtané nebo jinak zhotovené díry k vystružení. Výstružníky jsou mnohobřité jemné nástroje. Strojní výstružníky mají krátkou řeznou část a zuby rovné. Do 30 mm se dělají se stopkou (obr. 5.11b), pro větší průměry nástrčné (obr. 5.11c). Výstružníky ruční (obr. 5.11d) mají delší řeznou část a zuby v levé šroubovici. K montážním pracem používáme výstružníků rozpínacích (obr. 5.11e) nebo stavitelných se vsazenými noži (obr. 5.11f).

88


Obr. 5.11 Výhrubníky a výstružníky (a – výhrubník, b – výstružník plný, c – výstružník nástrčný, d – ruční výstružník, e – rozpínací výstružník, f – stavitelný výstružník)

Dlouhé díry vyvrtáváme noži upnutými do vyvrtávacích tyčí (obr. 5.12). Díry velkých průměrů vyvrtáváme různé konstruovanými vyvrtávacími hlavami. Vrtací nástroje asi do 10 mm mají válcovou stopku a upínáme je do vřetena vrtačky sklíčidlem dvoučelisťovým nebo tříčelisťovým. Nástroje větších průměrů mají kuželovou stopku a upínáme je do kuželového otvoru vřetena buď přímo, nebo pomocí redukčních pouzder. Vrtané obrobky upínáme buď do strojních svěráků, nebo na stůl vrtačky upínkami a upínacími šrouby. Při sériové a hromadné výrobě používáme vrtacích přípravků, které umožňují rychlé a přesné vrtání bez předchozího orýsování.

Obr. 5.12 Vyvrtávací tyč – upnutí nože (a – šroubem, b – kolíkem, c – šikmým šroubem, d – vyvrtávací tyč s kuželovou stopkou)

5.3.1 Vrtačky 89


Vrtačky slouží k vrtání, vyhrubování, vystružování a zahlubování, popřípadě i k řezání závitů závitníkem. Jsou jednovřetenové nebo několikavřetenové a podle velikosti a konstrukce je rozdělujeme na stolní, sloupové, stojanové, otočné a speciální. Hlavní části vrtačky jsou stojan, vřeteník a stůl. Na stojanu, pevně spojeném se základovou deskou, jsou buď pevně, přestavitelně nebo pohyblivě uloženy ostatní části stroje. Ve vřeteníku je uloženo vřeteno a mechanismy zprostředkující hlavní i podávací pohyby vřetena. Na stůl pokládáme nebo upínáme předměty, které máme vrtat. Stolními vrtačkami vrtáme malé díry do průměru cca 16 mm. Sloupové vrtačky slouží k vrtání děr asi do Ø 40 mm. Vřeteník je výškově přestavitelný po stojanu, který má tvar sloupu. Hlavní rotační pohyb se přenáší od motoru na vřeteno přes převodovou skříň s ozubenými koly, jejichž přesouváním dosahujeme změny otáček. Svislý posuv vřetena je ruční i strojní. Stůl je výškově přestavitelný a otočný kolem sloupu. Vrtačky stojanové slouží k vrtání otvorů až do Ø 80 mm. Od sloupových vrtaček se liší většími rozměry a skříňovým tvarem stojanu. Otočné radiální vrtačky (obr. 5.13) mají vrtací vřeteno výškově i radiálně přestavitelné. Hodí se proto k vrtání většího počtu děr do velkých a těžkých obrobků, které nelze snadno přestavovat. Vrtačky univerzální se od radiálních liší tím, že jejich vřeteno je možno přestavovat nejen radiálně, ale také stavět do libovolné polohy. Můžeme na nich tedy vrtat díry svislé, vodorovné i šikmé. Uvedené vrtačky se uplatňují převážně při kusové výrobě. Několikavřetenové a různé speciální vrtačky slouží výhradně pro sériovou a hromadnou výrobu.

90


Obr. 5.13 Radiální vrtačka

5.3.2 Horizontální vrtací a vyvrtávací stroje Horizontální vrtací a vyvrtávací stroje (horizontky) slouží k vrtání, vyhrubování, vystružování, vyvrtávání a řezání závitů, popřípadě i k frézování. Nejpoužívanější z nich je vodorovná vyvrtávačka (obr. 5.14). Její vodorovné vřeteno je uloženo ve vřeteníku výškově přestavitelném na stojanu. Nástroje upínáme buď přímo do vřetena, nebo pomocí vyvrtávací tyče, jejíž druhý konec je uložen v opěrném ložisku na pomocném stojanu. Nástroj koná hlavní rotační pohyb. Podávací pohyby dostává obrobek upnutý na stole podélně i příčně posuvném a otáčivém.

91


Obr. 5.14 Vodorovná vyvrtávačka

5.4 Frézování Frézováním je možno obrábět plochy nejrozmanitějších tvarů, různé drážky rovné i šroubové, závity, ozubená kola, zápustky atd. Fréza je nástroj s mnoha břity (zuby), které jsou vytvořeny drážkami buď na jejich obvodě - fréza válcová (obr. 5.15a, 5.16a), nebo na obvodě i na čele - fréza čelní (obr. 5.15b, 5.16b).

Obr. 5.15 Frézy stopkové (a – válcová, b – čelní)

92


Obr. 5.16 Frézy nástrčné (a – válcová, b – čelní)

Princip frézování je na obr. 5.17. Fréza koná hlavní rotační pohyb s vřetenem stroje, obrobek upnutý na stole frézky koná veškeré pohyby vedlejší. Protože každý zub frézy je v záběru jen krátkou dobu a delší dobu se chladí, můžeme při frézování pracovat s velkou řeznou rychlostí a se značným posuvem. Normálním způsobem práce je tzv. nesousledné frézování (obr. 5.17a). Při něm se obrobek posouvá proti směru pohybu zubu, který z něho odebírá třísku, jejíž tloušťka je nejmenší při začátku záběru zubu a největší při vyjití zubu ze záběru. Frézování je dostatečně klidné, je-li současně v záběru více zubů (nejméně dva). Obrobená plocha je poněkud nerovná (vlnitá), a to tím více, čím je menší průměr frézy a větší posuv na zub. Aby byl záběr klidný a odstranilo se chvění při frézování, upravují se zuby fréz ve šroubovici (viz obr. 5.15). Jiný způsob je tzv. sousledné frézování (obr. 5.17c), při němž je směr posuvu obrobku stejný jako směr pohybu zubů, které jsou právě v záběru. Tloušťka třísky je na počátku záběru zubu největší, na jeho konci nejmenší. Výhodou tohoto způsobu práce je čistší a hladší obrobený povrch než při frézování nesousledném. K zamezení otřesů je třeba silně dimenzované frézky, frézy se silnými zuby upravenými bezpodmínečně ve šroubovici a dokonalého upnutí nástroje i obrobku.

Obr. 5.17 Frézování (a – nesousledné, b – zub frézy, c - sousledné)

93


5.4.1 Frézy Frézy vyrábíme ve dvou typech, lišících se od sebe tvarem zubů, způsobem jejich výroby a ostření. První typ má zuby frézované, na nichž se při ostření brousí jejich hřbety. Druhým typem jsou frézy s podsoustruženými zuby. Ostříme je na čele zubů. Hřbet zubů je podsoustružen na speciálním soustruhu, takže je v každém bodě profilu zubu dosaženo stejného úhlu hřbetu. Ostřením se nemění řezné úhly ani tvar čela zubu, což má velký význam u tvarových fréz. Nejpoužívanějšími druhy fréz jsou frézy válcové (mají ozubení jen na válcové ploše a jejich zuby jsou zpravidla upraveny v levé šroubovici – obr. 5.15a) a frézy čelní (mají ozubení na čelní i válcové ploše – obr. 5.15b). Oba tyto druhy fréz mají zuby frézované a jsou zhotoveny buď z jednoho kusu s držákem jako stopkové (obr. 5.15), nebo jsou duté – nástrčné (obr. 5.16). K opracování velkých ploch jsou používány frézovací hlavy, což jsou v podstatě čelní frézy se vsazenými zuby tvaru nožů. Dále jsou používány frézy drážkovací a frézy tvarové (úhlové, zaoblovací aj.). K tvarovým frézám patří i frézy závitové a frézy na ozubení. Upínání obrobků. Při kusové výrobě upínáme větší obrobky přímo na stůl frézky upínkami a šrouby, menší obrobky do strojního svěráku upevněného na stole. Při sériové výrobě používáme k rychlému upínání obrobků speciálních upínacích přípravků.

5.4.2 Frézky Podle polohy vřetena jsou frézky buď vodorovné, nebo svislé. Podle konstrukce a účelu jsou obyčejné (konzolové), rovinné, kopírovací a speciální. Hlavní součásti frézky jsou: stojan, vřeteník a stůl. Konzolové frézky mají upínací stůl na konzole, která je výškově přestavitelná po vedení stojanu. Patří k nim jednoduchá vodorovná frézka, univerzální frézka a svislá frézka.

5.4.2.1 Vodorovná frézka Vodorovná frézka (obr. 5.18) má ve spodní části stojanu hnací elektromotor. V horní části je umístěn vřeteník s ozubenými převody, sloužícími k dosažení různých otáček vřetena. Vodorovné vřeteno je uloženo v ložiskách stojanu. V jeho předním konci je kuželová dutina, do níž upínáme kuželovou stopkou frézu nebo frézovací trn. Dlouhý upínací trn je svým druhým koncem uložen v opěrném ložisku, vodorovně přestavitelném po výložném ramenu, které je posuvně uloženo v nejvyšší části stojanu. Konzolu se stolem zvedáme nebo spouštíme ručně klikou, od níž se přenáší pohyb přes hřídel a kuželové soukolí na svislý pohybový šroub. Nahoře má konzola vodorovné vedení, v němž se pohybují příčné saně směrem ke stojanu nebo od něho. Kolmo k tomuto pohybu se posouvá upínací stůl ve vedení příčných saní. Horní plocha stolu je čistě obrobená a má drážky pro upínání obrobků. Pohyb stolu bývá pohybem pracovním, kdežto pohyby příčných saní a konzoly slouží k ustavení obrobku do pracovní polohy. Všechny tyto pohyby mohou být ruční nebo i strojní.

94


Obr. 5.18 Vodorovná frézka

5.4.2.2 Univerzální frézka Univerzální frézka je nejpoužívanější frézka, zejména při výrobě nástrojů. Od jednoduché vodorovné frézky se liší jen tím, že její upínací stůl (obr. 5.19) lze natočit ve vodorovné poloze. Můžeme proto na ní frézovat i šikmé a šroubové drážky, např. při výrobě vrtáků, výhrubníků, výstružníků, fréz, ozubených kol se šikmými zuby apod.

Obr. 5.19 Natáčivý stůl univerzální frézky

95


5.4.2.3 Svislá frézka Svislá frézka má svislé vřeteno uložené v hlavě, která je připevněna k horní části stojanu. Vřeteno můžeme vychýlit ze svislé polohy na obě strany o 45°. Uspořádání konzoly s upínacím stolem je obdobné jako u jednoduché vodorovně frézky. Pracuje se na ní čelními frézami a frézovacími hlavami. Používá se jí k frézování ploch rovinných i rotačních. Zejména se však uplatňuje při výrobě zápustek a jiných kovových forem.

5.4.2.4 Rovinné frézky Rovinné frézky slouží k frézování velkých a těžkých obrobků. Jejich upínací stůl je proto uložen po celé délce na loži stroje. Vřeteníky s upnutými nástroji jsou výškově i vodorovně přestavitelné.

5.4.2.5 Frézky kopírovací a speciální Frézek kopírovacích používáme při sériové výrobě k obrábění tvarových ploch podle šablony nebo modelu. Frézky speciální jsou konstruovány pro určitý druh práce. Jsou to především frézky závitové a frézky na ozubená kola. Důležitým příslušenstvím frézek jsou dělicí přístroje. Používáme jich k rozdělení rotačního obvodu obrobků na určitý počet stejných nebo i nestejných dílů, např. při frézování drážek některých rotačních nástrojů, při výrobě ozubených kol, při frézování čtyřhranů, šestihranů apod.

5.5 Broušení Broušením jednak dosahujeme konečné přesnosti obrobků a upravujeme zároveň jejich povrch, jednak ostříme nástroje. Používáme k tomu brusných látek, a to buď prášků, nebo různých kotoučů a tyčinek. Přírodních brusů zhotovených z pískovce používáme již jen málokdy. K strojnímu broušení používáme výhradně brusů umělých, zhotovených z brusných látek buď přírodních (smirek, korund), nebo umělých (umělý korund, karbid křemíku - karborundum, karbid bóru). Tvrdost těchto brusných látek, zejména umělých, je velká (blíží se tvrdosti diamantu).

5.5.1 Brusné látky Brusné látky se třídí podle velikosti zrna a označují se čísly 4 až 600. Menšímu číslu odpovídá hrubší zrno. Těmito čísly se také označuje hrubost brusných látek nebo brusů z nich zhotovených. Zrněného brusného materiálu používáme buď přímo k ručnímu broušení a zabrušování, nebo k výrobě brusného plátna a hlavně k výrobě brusů. K tomu účelu mísíme brusný materiál se spojovací látkou v těsto, z něhož lisujeme brusy různých tvarů. Ty pak sušíme a vypalujeme. Spojovací látka je buď minerální (vodní sklo apod.), rostlinná (olej, šelak, pryž, celuloid apod.), nebo keramická (žáruvzdorné látky hlinité s přídavkem skla a porcelánu). Nejvíce používáme brusů vázaných keramickou spojovací látkou, neboť jsou velmi pórovité a 96


dobře vzdorují vodě, oleji a teplu. Na tvrdosti a pevnosti spojovací látky záleží tvrdost brusu, kterou označujeme písmeny velké abecedy F až Z. Písmeno Z označuje největší tvrdost. Jakost brusu je určena druhem brusné látky, velikostí jejího zrna a tvrdostí. K jemnému broušení používáme brusů s jemnějším zrnem než k broušení hrubému. Tvrdost brusu volíme podle tvrdosti broušeného materiálu, podle velikosti styčné plochy, v níž se brus stýká s broušeným materiálem, a podle velikosti obvodové rychlosti brusu. Měkkých brusů použijeme k broušení tvrdých materiálů, nebo když jde o velké styčné plochy a velké obvodové rychlosti. V opačných případech použijeme brusů tvrdších. K vřetenu upínáme brusné kotouče zpravidla dvěma přírubami (obr. 5.20), jimiž je kotouč sevřen a unášen třením. Mezi přírubami a kotoučem jsou měkké vložky (lepenka, kůže, olovo), aby nevzniklo v kotouči napětí, které by mohlo zavinit jeho roztržení při práci. Nejmenší brusné kotoučky jsou k vřetenu přilepeny. K hrubému broušení používáme brusů segmentových. Broušením můžeme opracovat všechny druhy materiálů, i kalené oceli, sklo, porcelán aj. Dosahujeme jím velmi přesných rozměrů a hladkých povrchů obrobků. Účinnost a přesnost broušení zvýšíme orovnáním zalepených nebo nestejně opotřebených brusů diamantovými, ocelovými nebo karborundovými orovnávači.

Obr. 5.20 Upevnění brusných kotoučů na vřetenu (a – kotouč s malým otvorem, b, c – kotouče s velkým otvorem)

5.5.2 Brousicí stroje Brousicí stroje slouží jednak k obrábění předmětů, jednak k ostření nástrojů. Podle způsobu práce rozeznáváme brousicí stroje obráběcí k broušení ploch rovinných, k broušení ploch rotačních, brousicí stroje univerzální a speciální. Brousicí stroje k ostření nástrojů jsou buď univerzální, nebo speciální. Při broušení koná hlavní pohyb do řezu nástroj (brus), posuv do záběru koná zpravidla obrobek, někdy též nástroj. Stroje k broušení rovinných ploch mají vřeteno vodorovné nebo svislé a brousí buď obvodem, nebo čelem brusného kotouče. Princip rovinného broušení je na obr. 5.21.

97


Obr. 5.21 Princip rovinného broušení (a, b – obvodem kotouče, c – čelem kotouče)

5.5.2.1 Vodorovná rovinná bruska Vodorovná rovinná bruska brousí obvodem brusného kotouče. Vřeteník je výškově hrubě přestavitelný a jemně nastavitelný k zabrání další třísky. Obrobek koná podélné i příčné podávací pohyby se stolem uloženým na příčných saních. Podávací pohyby jsou omezeny a řízeny narážkami. Menší ploché předměty upínáme prostřednictvím magnetické desky připevněné ke stolu, větší obrobky upínáme přímo na stůl upínkami a upínacími šrouby.

5.5.2.2 Svislá rovinná bruska Svislá rovinná bruska se segmentovým brusem (obr. 5.22) brousí čelem kotouče.

Obr. 5.22 Svislá rovinná bruska

5.5.2.3 Stroje k broušení rotačních ploch Stroje k broušení rotačních ploch jsou buď hrotové nebo bezhroté, sloužící k vnějšímu broušení, nebo jsou to stroje k vnitřnímu broušení. Schéma jednoduché hrotové brusky je na obr. 5.23, schéma bezhrotového broušení na obr. 5.24. Vnitřní plochy brousíme 98


dvojím způsobem. Malé obrobky přitom konají rotační podávací pohyb a brusný kotouč koná hlavní pohyb, podávací pohyb ve směru své osy a přísuvný pohyb. Velké obrobky upínáme nehybně a brusný kotouč koná všechny potřebné pohyby pomocí planetového vřetena.

Obr. 5.23 Schéma jednoduché hrotové brusky

Obr. 5.24 Princip bezhrotového broušení

5.5.2.4 Univerzální hrotová bruska Univerzální hrotová bruska se liší od jednoduché tím, že její stůl lze pootočit ve vodorovné poloze o 10° na obě strany k broušení táhlých kuželů a vřeteníky můžeme natočit až o 90° k broušení krátkých a strmých kuželů. Stroj je vybaven též zařízením pro vnitřní broušení.

5.5.2.5 Speciální brousicí stroje Speciální brousicí stroje je možno rozdělit na speciální brousicí obráběcí stroje (především brusky na závity, na ozubená kola apod.) a na brousicí stroje k ostření nástrojů. Jsou ostřeny jak jednoduché nástroje (nože, sekáče, dláta atd.), tak nástroje složité (např. šroubovité vrtáky, frézy atd.).

99


5.5.3 Jemné broušení Opotřebení součástí, které se po sobě třou, je způsobeno daleko více drsností třecích ploch, než jejich malou tvrdostí. Proto je nutno dosáhnout co největší hladkosti těchto ploch, což je možné různými způsoby jemného broušení jako dokončovacího způsobu obrábění [2]. Nejjednodušším způsobem jemného broušení je leštění. Při leštění jen na dosažení velké hladkosti, popřípadě vysokého lesku povrchu obrobku, bez zřetele na dodržení přesného tvaru a rozměru. Leštíme zpravidla kotouči nebo nekonečnými pásy, jejichž povrch je polepen vrstvou jemného brusného prášku nebo pro nejjemnější leštění plstí. Leštíme buď nasucho, nebo s použitím lešticí pasty. Lapování je vyhlazování povrchu předmětu volnými, velmi jemnými brusnými zrny, rozptýlenými v oleji nebo petroleji, popřípadě obsaženými v lapovací pastě. Brusná zrnka přitlačujeme k lapovanému povrchu měděnými nebo litinovými lapovacími trny, kroužky, objímkami, deskami apod., které se otáčejí, popřípadě i kmitají. Lapujeme plochy obrobků, u nichž vedle hladkosti povrchu záleží i na přesnosti tvaru a rozměru. Honování slouží k jemnému broušení válcových děr (např. válců spalovacích motorů). Nástrojem jsou velmi jemné brusné kameny vložené do drážek honovací hlavice, která se při honování otáčí a zároveň koná vratný pohyb ve směru své osy. Superfinišování je velmi jemné hlazení povrchu předem již jemně obrobeného. Nástrojem jsou velmi jemné brusné kameny, které konají rychlé kmitavé pohyby a jsou mírně přitlačovány k povrchu obrobku, který při tom koná zpravidla rotační pohyb. Tímto způsobem můžeme dokončovat plochy válcové, kuželové i rovinné. Pracovní cyklus trvá jen asi 20 až 60 sekund.

5.6 Hoblování a obrážení Hoblováním a obrážením obrábíme rovinné plochy a rotační i zborcené plochy přímkové. Nástrojem je zde nůž. Hlavní pohyb do řezu je přímočarý vratný a koná jej při hoblování obrobek, při obrážení nůž. Vzdálenost mezi krajními polohami (úvratěmi) je zdvih. Zpětný pohyb naprázdno je zpravidla rychlejší. Posuv do záběru je přerušovaný a děje se v úvrati před zabráním další třísky. Posuv do záběru koná při hoblování nástroj, při obrážení obrobek nebo i nástroj (při vodorovném obrážení svislých nebo šikmých ploch).

5.6.1 Hoblovací stroje Hoblovací stroje jsou buď dvoustojanové a používáme jich k obrábění středně velkých obrobků, nebo jednostojanové, jichž používáme k obrábění obrobků velkých rozměrů. Pracovní stůl se pohybuje vodorovně po loži stroje a koná tak s obrobkem na něm upnutým hlavní pohyb do řezu. Je poháněn elektromotorem s převodem mechanickým nebo hydraulickým. Velikost zdvihu měníme přestavením narážek na loži. Nože, kterých může pracovat i několik najednou, upínáme do nožových držáků na suporty, s nimiž konají všechny podávací i přísuvné pohyby.

100


5.6.2 Obrážecí stroje Obrážecí stroje jsou podle směru hlavního pohybu buď vodorovné, nebo svislé. Používáme jich k příčnému hoblování krátkých ploch vnějších i vnitřních. Skládají se ze stojanu, smýkadla, upínacího stolu, hnacího a posuvového ústrojí. Vodorovná obrážečka. Hlavní pohyb je vodorovný a koná jej nůž upnutý nožovým držákem k suportu, který je připevněn na čele smýkadla. Od motoru se přenáší pohyb na smýkadlo kulisou (u velkých strojů ozubeným převodem nebo hydraulicky). Nožový suport umožňuje svislý nebo šikmý posuv nože a také jeho přísuv. Vodorovný posuv koná obrobek upnutý na stole, který se pohybuje vodorovně na příčných saních, které jsou výškově přestavitelné po svislém vedení stojanu. Posuv nože i obrobku může být ruční nebo strojní. Svislá obrážečka (obr. 5.25) má stůl upravený tak, že obrobek na něm upnutý může konat příčný, podélný i kruhový posuv (ruční i strojní). Nůž je upnut držákem přímo na smýkadle a koná s ním svislý nebo i poněkud šikmý hlavní pohyb. Vedení smýkadla lze totiž vyklonit ze svislé polohy o 10° na obě strany. Na smýkadlo je přenášen pohyb od motoru kulisou.

Obr. 5.25 Svislá obrážečka

Při hoblování a obrážení se upínají malé obrobky do svěráku, velké přímo na pracovní stůl. Délku zdvihu měníme podle hoblované délky obrobku. 101


Velikost hoblovacích a obrážecích strojů označujeme zpravidla největší možnou délkou zdvihu. Tyto stroje jsou vhodné pro kusovou, případně malosériovou výrobu.

5.7 Vliv strojírenských výrob na životní prostředí 5.7.1 Tuhé a kapalné odpady Odpadní látky vznikající ve strojírenských provozech se vyznačují značnou látkovou rozmanitostí i rozdílností fyzikální konzistence. Jde jak o celou řadu odpadních chemikálií a materiálů, tak i o znečištěná zařízení. Jsou to zejména [1]: a) použité chladicí kapaliny a řezné emulze z obráběcích provozů, včetně jimi znečištěného kovového odpadu (třísky, piliny apod.), b) zbytky barev z lakoven a stříkacích boxů, zbytky barev v plechovkách, c) použité čisticí prostředky (hadry, čisticí vlna, mastné papíry, piliny apod.), d) upotřebené olejové filtry, e) použité mazací tuky z demontovaných strojů a zařízení, f) zbytky z odmašťovacích zařízení po redestilaci organických rozpouštědel, g) olejové kaly z kalicích lázní se zbytky okují, h) použité přípravky na povrchovou úpravu kovů (cementační prášky, kalírenské soli), i) chlorované uhlovodíky s vysokým obsahem chlóru (chlorované bifenyly, dioxiny, furany) samostatně i jako příměsi v jiných materiálech. Zneškodňování většiny uvedených odpadních látek (zejména olejů a dalších organických látek a kalírenských solí) se děje jejich regeneraci a přepracováním a využitím kovového odpadu zbaveného organických látek. Problémem zůstávají odpady z galvanických procesů (galvanizační kaly), pro jejichž zneškodnění je nejvhodnější termická metoda spalování při vysokých teplotách ve speciálních pecích. U těchto procesů je nezbytné uvažovat se zaváděním vhodnějších technologií, podstatně snižujících produkci odpadů.

5.7.2 Emise Emise látek znečišťujících ovzduší se u strojírenských provozů týkají zejména emisí CO2, CO, NOx a SO2, vznikajících při spalovacích procesech technologických tepelných pochodů (ohřev a tepelné zpracování kovů) a ze závodové energetiky. Dalším zdrojem znečištění ovzduší jsou emise organických rozpouštědel používaných při povrchové úpravě kovů v lakovnách, případně emise škodlivých látek z kalicích a mořicích lázní při tepelném a chemicko-tepelném zpracování strojírenských výrobků.

102


Literatura (kap. 5): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] HLUCHÝ, Miroslav et al. Strojírenská technologie. Praha: SNTL, 1975. 344 s. [3] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986.

103


6 Těžba nerostných surovin Těžba nerostných surovin je prováděna v podstatě dvěma způsoby a to: metodami povrchovými a metodami hlubinnými. Ve zvláštních případech jsou např. uhelná ložiska využívána podzemním zplyňováním nebo loužením. V následující části této kapitoly bude pozornost zaměřena především na problematiku životního prostředí u hlubinného dobývání [3].

6.1 Hlubinná těžba a její vliv na životní prostředí Hlubinným způsobem jsou těžena zejména ložiska uhelná, rudná a různých nerudných surovin. Hlubinné dobývání uhelných ložisek je prováděno v závislosti na mocnosti, úklonu a technologických vlastnostech dobývané sloje komorováním, pilířováním a zátinkováním nebo stěnováním. Těžba je organizována buď na zával, nebo se základkou vyrubaných prostor. Hornická činnost výrazně ovlivňuje abiotické a biotické složky krajiny. Poškozuje je a způsobuje posun a porušení ekologické rovnováhy a stability ekosystémů krajiny. Vznikají výrazné geobiochemické změny, které vedou na místech intenzivně ovlivněných těžbou ke zničení původních přírodních ekosystémů. Týká se to především zemědělského a lesního půdního fondu, kdy vznikem poklesových kotlin relativně stoupá hladina podzemní vody. Dále jde o zábor půdy pro uložení hlušiny z hlubinných dolů a úpraven a pro stavbu různých sedimentačních nádrží. Vodní režim krajiny ovlivňují bezodtoké poklesové kotliny. Vodní toky mají v místech intenzívní těžby změněné spádové poměry a odtok vod je zpomalen. Do toků se vypouštějí odpadní vody z uhelných úpraven a sedimentačních nádrží a dále slané důlní vody. Významná je i prašnost, vznikající při sypání odvalového materiálu a sekundární prašnost z povrchu odvalových těles. Důlní činnost výrazně působí na stavby a komunikace. Poškozuje budovy, inženýrské sítě a další zařízení na povrchu. Lze registrovat i další vlivy, k nimž patří hlučnost prostředí, otřesy, vibrace apod. Hlubinná těžba postihuje všechny složky krajinných ekosystémů, zejména však půdu, faunu a flóru. Vzniká tak porušená ekologická rovnováha u těchto i dalších krajinných systémů a podsystémů, která se projevuje ve změnách jejich struktura funkcí. Jednotlivé přírodní ekosystémy zanikají a na jejich místě vznikají ekosystémy umělé, které jsou důsledkem průmyslové činnosti v ovlivněné oblasti. Regenerace krajiny postižené těžbou a ostatní doprovodnou průmyslovou činností je složitou záležitostí. Jde o to vypracovat takovou soustavu postupných úprav, které by zaručovaly vznik zcela nových struktur a funkcí území, a to v rámci stávajících subsystémů litosféry, pedosféry, hydrosféry a dalších. Smyslem těchto prací je tedy obnovit nebo vytvořit zemědělské pozemky a lesní kultury, nebo vodní plochy a ostatní složky krajiny tak, aby se krajina stala ekologicky vyváženým prostředím.

6.1.1 Vliv hlubinného dobývání na povrch 104


Objektivním a nezbytným důsledkem důlní činnosti (přípravy, otvírky, vlastní těžby) je následný pohyb nadložních vrstev nad vyrubanými prostory v podzemí. Tento pohyb, pokud v souvislosti s mocností a hloubkou vyrubaných slojí dosáhne až k povrchu území, vyvolá zde pohyb povrchových partii, tak zvané deformace povrchu. Tyto deformace pak působí na veškeré objekty na povrchu (přirozené i umělé), přičemž toto působení je vesměs ve svých důsledcích negativní a vyvolává tzv. důlní škody. Důlní škody (včetně škod na životním prostředí) jsou tedy nezbytným působícím důsledkem hlubinného dobývání. Tyto důlní škody na povrchu proto není možné zcela vyloučit. Je však možné tyto negativní účinky dolování omezovat. Prakticky jsou možné dvě cesty. A to hlavně při vlastní těžbě uhlí (zakládáním vyrubaných slojí, ponecháním pilířů chránících určité části povrchu, harmonickým dobýváním jednotlivých slojí, rychlostí, směrem a plynulostí postupu porubní fronty a dalšími opatřeními), nebo následně omezením negativních účinků dolování na vlastních objektech na povrchu neboli preventivními opatřeními nejrůznějšího druhu. Z uvedeného krátkého rozboru jednoznačně vyplývá, že rozhodující vliv na ochranu povrchu má způsob těžby. Z hlediska ochrany životního prostředí a ochrany povrchu dolu rozlišujeme způsob těžby "ex post", to znamená s minimem preventivních a šetrných opatření v dole, bez ohledu na důsledky škod na krajině a objektech na povrchu. Opačným postupem je způsob těžby "ex ante", kdy je povrch dolu preventivně šetřen způsobem a technologií těžby. Pro zmírnění následků vlivu poddolování je nejúčinnější využití základky. Nešetrný přístup může být uplatňován jen v těch případech, kde hodnota území je nízká, nebo devastace dostoupily do pokročilého stádia a uvažuje se přejít např. na vodohospodářské rekultivace. Vlastní proces těžby neovlivňuje výrazně jen vlivy poddolování na povrchu, ale nepřímo ovlivňuje celou řadu oblastí, týkající se ochrany životního prostředí, a to: -

množství produkovaných hlušin (optimální řešení otvírkových a přípravných důlních děl, technologie dobývání atd.),

-

množství čerpaných důlních vod na povrch a jejich znečištění,

-

kvalitu surové uhelné vsázky pro úpravny (degradace zrnitosti s nepříznivým dopadem na úpravárenský proces),

-

znečištění ovzduší v okolí výdušných jam výdušnými větry a odfuky degazačního plynu, včetně hluku hlavních důlních ventilátorů.

6.1.2 Hlušinové hospodářství Odpady z ražení důlních děl a úpraven uhlí nazýváme hlušinami. Hlušiny z úpraven uhlí mají zrnitý nebo tekutý charakter. Zrnité hlušiny vznikají při rozdružovacích procesech a to ve velmi širokém zrnitostním rozsahu (až do 200 mm) podle druhu použitého rozdružovacího zařízení. Tekuté hlušiny tvoří flotační hlušiny (0 ÷ 0,5 mm) jako produkt flotačního procesu. Množství hlušin vzniklých při hlubinné těžbě a úpravě uhlí závisí na mnoha faktorech (genezi ložiska, hloubce ložiska, mocnosti slojí, způsobu dobývání a úpravě uhlí, výsledné popelnatosti uhlí atd.). Je tedy specifické pro každou uhelnou těžební oblast. Velmi důležitý je ukazatel měrného množství hlušin připadající na t vytěženého uhlí. Z hlediska využívání hlušin, resp. jejich likvidace, rozdělujeme tuto problematiku na tři základní skupiny: 105


1. Potřeba vlastního důlního podniku: Ponechání v dole, příprava základkového materiálu, pro vlastní investice. Ukládání flotačních hlušin a odpadů (elektrárenských popílků) do dolů. V převážné části však na asanační a rekultivační účely, pro terénní korekce a územní rekonstrukce. 2. Potřeba ostatních průmyslových odvětví: Široká aplikace využití v inženýrských stavbách (násypy komunikací, vodní stavby, hrubé terénní úpravy, meliorace pozemků atd.). Do výroby stavebních materiálů a hmot (cihelny, cementárny, náhrada za štěrkopísky). 3. Uložení přebytečných hlušin na odvaly: Podle funkce rozdělujeme odvaly na: -

provozní (nutné pro provoz dolu),

-

účelové s následným využitím pro různé účely (sportovní, rekreační),

-

sanační, meliorační,

-

přebytkové, tzn. skutečné odvaly z environmentálního hlediska nežádoucí.

v

dnešním

smyslu

slova,

tedy

Vznikem nových odvalů dochází k významným morfologickým změnám v blízkém i ve vzdálenějším okolí. Mění se klimatické poměry, odtokové poměry, kvalita podzemních vod, celkový vzhled krajiny. Každý odval, není-li vhodným způsobem druhotně upotřeben (využit), působí v daném prostoru nepříznivě opticky (velkou hmotou), způsobuje zábor půdy, ovlivňuje vodní režim a je obvykle zdrojem sekundární prašnosti. Způsob ukládání hlušin a tvar odvalů muže být kuželový, plošný nebo nepravidelný (tvarem začleněn esteticky do krajiny). Hlušiny na odvaly musí být ukládány takovým způsobem, aby nedošlo k jejich následnému vznícení a hoření (hutněni, využívání popílků atd.). Exhalace i hořících odvalů, pokud dojde k požáru odvalu, obsahují CO2, CO, SO2. Tyto exhalace působí nepříznivě na okolní faunu a flóru, snižují estetickou hodnotu, ale zejména obytnou funkci krajiny. Jejich hašení je vždy velmi obtížné a nákladné. Z těchto důvodů se sypání kuželových (kónických) odvalů, které jsou velmi náchylné k hoření, v současné době již neprovádí.

6.1.3 Důlní a odpadní vody 6.1.3.1 Důlní vody Z hlediska ochrany životního prostředí patří využití a likvidace důlních vod k velmi závažným současným problémům v hornictví. Obecně důlní vody dělíme podle složení na: a) kvartérní vody (obvykle vzniká kvartérské okno). Obsah rozpuštěných látek (RL) se pohybuje v širokém rozmezí 200 ÷ 400 mg/l, b) vody bez tvorby dynamických zásob: -

hlubinné (sodnokarbonátové), obsah RL se pohybuje okolo 10 g/l,

-

z detritů (sodnochloridované), obsah RL se pohybuje okolo 15 ÷ 20 g/l, max. i 106


200 g/l, ale vždy jen menší množství. Na povrch dolů se vyčerpává směs přírodních vod a provozní vody. Podle legislativy a vodohospodářských normativů jsou za důlní vody považovány všechny podzemní, podpovrchové a srážkové vody, které vnikly do důlních prostorů, a to až do jejich spojení s jinými povrchovými, nebo podzemními vodami. Množství čerpaných důlních vod na jednotlivých důlních lokalitách je závislé na celé řadě faktorů. V podmínkách OKR platí pravidlo, že na 1 t vytěženého uhlí připadá 1 m3 důlní vody. V roce 1990 (před útlumem ostravské části revíru) dosahoval celkový objem důlních vod v OKR cca 15 mil m3 za rok. Jejich zpětné využití bylo nízké a dosahovalo cca 3 %. Důlní vody jsou vypouštěny do vodních toků (v konečné fázi do řeky Odry). V období kolem roku 1990 bylo ročně vypuštěno cca 200 000 tun RL, z toho cca 100 000 tun iontu Cl-. V přepočtu to činilo přibližně 150 000 t NaCl, tedy asi 400 t denně [5]. Průměrné množství RL v litru důlní vody se pohybuje v rozmezí 10 ÷ 12 g. V současnosti je z důlních závodů OKR vypouštěno do vodotečí mnohem méně důlních vod. Důlní vody nejsou legislativně posuzovány jako vody odpadní. Nepodléhají tedy přímo vodnímu zákonu, ale zákonu hornímu. Nicméně jejich vypouštění musí být prováděno podle podmínek stanovených vodohospodářskými orgány. Důlní podniky za vypouštění důlních vod do recipientů neplatí poplatky. Likvidace přebytečných důlních vod může probíhat následujícími způsoby: -

vypouštěním do vodních toků (neřízené vypouštění),

-

dávkovaným vypouštěním do vodních toků (řízené vypouštění),

-

odsolováním vod fyzikálně-chemickými způsoby (elektrodialýza, reverzní osmóza, odpařování, vymrazování),

-

vypouštěním do vytěžených prostor dolů (vrty, vsakováním) - odvedením do moře (v případě OKR do Baltu).

Důlní vody v OKR jsou převážně likvidovány vodohospodářsky řízeným dávkováním do povrchových toků (Odra, Olše) [3]. Významný prvek systému důlních vod OKD představuje dávkovací nádrž Heřmanice. Odtok důlních vod je řízen tak, aby byly dodrženy látkové koncentrace v hraničním profilu řeky Odry v Bohumíně, stanovené česko-polskou dohodou. Povolený celoroční saturační průměr je 10 290 g RL/s. Současné moderní metody odsolování důlních vod, ať jde o reverzní osmózu, elektrodialýzu či vlastní odparky, jsou natolik investičně i provozně náročné, že se zatím reálně neuvažovalo s jejich praktickou aplikací v OKR. Navíc vzhledem k poměrně nízké salinitě vod OKR, by bylo nutné před vlastní odparku předřadit jednu z uvedených fyzikálněchemických metod pro zvýšení koncentrace RL. Ekonomická limitní hodnota RL v důlní vodě pro odparku se pohybuje na hranici 70 g/l.

6.1.3.2 Odpadní vody z úpraven Uhlí je těženo v neupraveném stavu. Pro potřeby koksoven by mělo obsahovat max. 10 % nespalitelných látek (popela) a max. 10 % vody. V nových moderních úpravnách se uhlí upravuje prakticky výlučně ve vodním prostředí. Vedle zrnitých podílů vzniká i surový uhelný kal (vodní suspense nejjemnějších frakcí 0,5 mm). Ten se upravuje převážně flotací a získá se produkt - flotační koncentrát (s obsahem popela 10, někdy až 15 %), který se obvykle 107


využívá v koksárenství. Z úpraven uhlí jsou pak vypouštěny odpadní vody obsahující odpadní uhelný kal - flotační (flotační hlušiny), energeticky nevyužitelný s obsahem popela 60 ÷ 75 %. Tyto odpadní vody lze čistit strojně-technologickým způsobem - kalolisováním (bezodpadové kalové oběhy úpraven uhlí), nebo je čistit v odkalištích. V podmínkách OKR jsou odpadní vody z úpraven čištěny převážně v odkalištích. Odkaliště jsou vysoce bezpečným, velmi účinným a ekonomicky výhodným způsobem čištění odpadních vod. Z ekologického hlediska však zcela porušují rovnováhu krajinných ekosystémů, narušují estetický vzhled krajiny. Dochází k dlouhodobým záborům půdy, nepříznivé ovlivňují režim podzemních vod a způsobují hygienicky závadné podmínky (znečišťování ovzduší, půdy a prášení v širokém okolí). V důsledku zvyšujícího se podílu nejjemnějších částic v těženém uhlí (mechanizace těžby) a nedostatečné kapacitě úpraven, bylo do odkališť OKR vypuštěno značné množství neflotovaných (surových) kalů. Současná odkaliště v OKR zabírají celkovou plochu přes 800 ha, objem odkališť dosahuje 40 mil. m3 a je v nich uloženo cca 25 mil. t uhelných kalů, z nichž asi třetina je energeticky využitelná. Ekologické řešení následků, tedy v našem případě využití značně velkého množství uhelných kalů a rekultivace nebo jiné využití prostor odkališť, je v zásadě možné provést následující mi způsoby: -

energetické využití ve větších spalovnách, vybavených potřebným odlučovacím zařízením a následnou ekologicky přijatelnou likvidací odpadů spalování (např. uložení popílku do vytěžených prostor v dolech jako základku spolu s flotačními hlušinami),

-

reflotace uhelných katů s využitím uhelně substance v koksárenství a energetice a následnou ekologicky přijatelnou likvidaci odpadů, tzn. hlušin a flotačních hlušin,

-

jejich využití při výrobě stavebních hmot (výroba cihel, cementu apod.),

-

jejich postupné vytěžování a spalování v lokálních topeništích.

První dva uvedené způsoby jsou ekologicky přijatelné za předpokladu bezproblémového využití vzniklých odpadů. V případě energetického využití se jedná o vznikající popel, resp. popílek, v případě reflotace pak využití a přijatelný způsob likvidace velmi jemných podílů reflotace - flotačních hlušin. Za bezproblémové (po ekologické stránce) lze považovat jejich další využití ve výrobě stavebních hmot (pokud nejsou zdrojem záření). Po ekologické stránce je poslední způsob využití uhelných kalů zcela nepřijatelný. Jejich spalováním v rodinných domcích a jiných objektech v obcích a na okrajích měst vznikají v zimních měsících v období inverzních situací v členitém terénu předbeskydí nedýchatelně smogové situace.

6.1.4 Znečišťování ovzduší Znečišťování ovzduší vlastními důlními podniky je způsobeno jejich teplárnami a je dáno potřebou výroby tepla na ohřev vtažných větrů, otápění prostor dolů, koupání horníků atd. Co do významu jsou emise způsobené teplárnami báňského průmyslu poměrně malé (5 ÷ 7 % produkovaných emisí v rámci ostravsko-karvinské aglomerace), na druhé straně 108


nepříznivě působí tím, že jsou rozptýleny na velké ploše. Jedná se zejména o emise TZL, SO2 a NOx. Pro snižování množství emisí by měla být obecně uplatňována následující opatření: -

centralizace zdrojů tepla (napojování kotelen na systém centrálního zásobování teplem),

-

využívání při spalování ušlechtilých paliv (zemního plynu atd.) vlastního plynu z degazace,

-

realizace kotelen s fluidním spalovacím režimem pro méněhodnotná paliva s možností snížení emisí,

-

ukládání hlušin takovým způsobem, aby následně nedocházelo k hoření hlušinových těles.

Za pozornost stojí si všimnout i emisí ZL vznikajících při odvětrávání důlních provozů ve výdušných větrech. Přestože obsahují jen nepatrné množství CH4 a CO2, vzhledem k velkým objemům výdušných větrů, je jejich množství nezanedbatelné. Z hlediska životního prostředí však kvalitu ovzduší podstatně neovlivňují ani v nejbližším okolí dolu. Nicméně zvyšují v ovzduší obsah znečišťujících látek, které nepříznivě ovlivňují skleníkový efekt.

6.1.5 Rekultivace Pod pojmem rekultivace půdy zahrnujeme obnovu území zničeného činností: -

přírody (erozí, vysycháním, zabahněním atd.),

-

zásahy člověka (těžbou, výsypkami atd.).

K výrazné devastaci území dochází při povrchovém a hlubinném způsobu těžby. Rekultivační proces porušeného krajinného systému zahrnuje celou řadu prací: -

důlnětechnických (průzkum nadložních hornin, volba způsobu dobývání, odkliz nadložních hornin atd.),

-

technických (terénní úpravy, navážky vhodných zemin, meliorace atd.),

-

biotechnických (agrotechnické, lesnické práce atd.).

Rekultivovaná krajina by měla splňovat následující základní vlastnosti (dle Štýse): -

ekologickou vyváženost,

-

efektivní i potenciální produkční schopnost,

-

zdravotně hygienickou nezávadnost,

-

estetickou působivost a rekreační účinnost.

1. Ekologické vyváženosti, charakterizované relativní stabilitou ekosystémů, lze dosáhnout hlavně úměrným zastoupením producentů, konzumentů a reducentů v krajině. Hlavní důraz je třeba klást na dostatečné zastoupení producentů, z nichž ekologicky nejúčinnější jsou lesy, a na vyrovnaný vodní režim. 2. Ekonomické efektivnosti rekultivované krajiny lze dosáhnout především dostatečným zastoupením vysoce produkčních forem zemědělské rekultivace (za předpokladu vytvoření vhodných podmínek v etapě důlně-technické rekultivace). Ekonomicky efektivní jsou i produkční formy lesů, vodohospodářské způsoby rekultivace (funkce 109


vody v ekosystémech, pitná a užitková voda) a různé způsoby abiotického využití devastovaných území (jako surovinového zdroje, staveniště, složiště průmyslových a komunálních odpadků apod.). 3. Zdravotně-hygienické nezávadnosti lze v rekultivované krajině dosáhnout: -

vhodným reliéfem, důležitým pro tvorbu žádoucích mezoklimatických, mikroklimatických a hlavně bioklimatických poměrů,

-

kvalitou rekultivovaných půd, která ovlivňuje asanační funkce fyzikálněchemických a biochemických procesů,

-

dostatečným zastoupením rekultivační zeleně s mnohostrannou asanační a hygienicky zdravotní funkcí,

-

vyrovnanými vodními poměry, jejichž extrémní situace jsou nežádoucí nejen z ekologických, ekonomických, ale i ze zdravotně-hygienických hledisek.

4. Estetické působivosti dosáhneme především vhodným reliéfem, úměrným zastoupením všech základních způsobů rekultivace, řešením jejich kompoziční proporcionality v prostoru rekultivované krajiny. Esteticky se uplatňují hlavně různé formy rekultivační zeleně, vodní plochy a toky, zvlášť v okrajových úsecích jednotlivých ekosystémů. Vysoké estetické účinnosti lze dosáhnout vhodnou koncepcí rekreačních způsobů rekultivace, hlavně parků a parkových lesů v integraci s účelným řešením vodohospodářských způsobů rekultivace. Stanovení ekologicky a sociálně - ekonomických optimálních způsobů rekultivace je velmi složitý, mnohotvárný a neopakovatelný proces, který musí vycházet z komplexního integrovaného posouzení a zhodnocení všech charakteristik devastovaného území i širší oblasti. Podle využití devastovaných území rozdělujeme způsoby rekultivace na rekultivaci: 1. zemědělskou: agrotechnickou (role, louky, pastviny, zahrady), -

pomologickou (sady, vinice, chmelnice).

2. lesnickou: -

lesy produkční (tradiční porosty, rychlerostoucí dřeviny),

-

lesy účelové (půdoochranné, stabilizační, rekreační).

3. vodohospodářskou: -

vody stojaté (akumulační nádrže, rybníky),

-

vody tekoucí (nové vodní toky).

4. rekreační: -

parky (areály zdraví),

-

lovecké prostory (bažantnice, obory),

-

sportovní prostory (hřiště, závodiště).

5. jiné využití: -

staveniště (obytná, průmyslová výstavba), 110


-

složiště odpadů (komunálních, průmyslových),

-

k dalším sociálně - ekonomickým účelům.

6.2 Povrchová těžba a její vliv na životní prostředí Pro povrchový způsob dobývání jsou rozhodující zejména: geneze ložiska, jeho poloha, tvar a mocnost, množství zásob užitkového nerostu atd. Rozhodujícím ukazatelem je však mezní hloubka dobývání, která z technologického (ale zejména z ekonomického) hlediska rozhoduje, zda je výhodnější ložisko těžit povrchové nebo hlubinně. Povrchové způsoby těžby mají proti hlubinným metodám řadu výhod a to: vysoká výrubnost ložiska, vyšší produktivita, lepší možnost selektivní těžby, větší bezpečnost a hygiena práce, lepší pracovní podmínky. Mezi nevýhody povrchového způsobu těžby patří vysoký stupeň technogenní transformace těžebního území, který se projevuje výraznou devastaci nejen prostoru vlastního lomu a výsypek, ale změnami v celém okolním prostoru. Jsou to změny: -

litosféry, kdy je měněn reliéf území, nadmořská výška, charakter horninového prostředí,

-

atmosféry, kdy dochází ke změnám klimatických veličin a k ovlivňování kvality vzduchu,

-

hydrosféry, kdy dochází k výrazné, obvykle negativní transformaci hydrologického režimu,

-

pedosféry, kdy dochází k degradaci půdy (vysoušením, zamokřením, kontaminací vodou nebo vzduchem) a destrukci půdy záborem vlastním lomem a vnější výsypkou,

-

biosféry, kdy dochází k degradaci až úplné destrukci neživých a živých složek ekologických systémů (fytocenózy, zoocenózy, mikrobní cenózy).

Vlivy těžby na krajinu postihují nejen přírodní ale i sociálně ekonomické složky. Těžba devastuje a likviduje na celém území i sociálně ekonomické složky krajiny: sídla, průmyslové objekty, technickou infrastrukturu krajiny, objekty zemědělských, lesnických, vodohospodářských a rekreačních činností. Následné obnovení ekologicky a společensky žádoucích funkci postižené části krajiny povrchovou těžbou je velmi složitý a ekonomicky náročný proces.

6.2.1 Posuzování vlivů povrchové těžby na životní prostředí Záměry z oblasti těžební činnosti, které jsou v současné době v České republice posuzovány, lze rozdělit na dvě skupiny [2]: První skupinu představují menší záměry těžby písků a kamene, druhá skupina je reprezentována velkými záměry. Jedná se většinou o rozšíření těžby hnědého uhlí u povrchového lomu. Obecně je cílem navrhovaných opatření v rámci procesu posuzování vlivů na životní prostředí dosažení snížení negativních vlivů těžby nerostných surovin na životní prostředí. Při posuzování vlivů záměrů z oblasti povrchové těžební činnosti na životní prostředí je nutno sledovat zejména následující faktory: 111


-

zábor půdy,

-

vlivy na povrchové a podzemní vody a na půdu,

-

hluk,

-

vliv na krajinný ráz,

-

emisně – imisní situace.

6.2.1.1 Zábor půdy Při těžbě písků o ročním objemu kolem 30 000 m3 je nutno při střední životnosti ložiska 20 let počítat s dlouhodobým dočasným záborem půdy v rozsahu cca 60 000 m2, tedy cca 6 ha. U velkých záměrů těžby hnědého uhlí jde o dlouhodobý dočasný zábor půdy v rozsahu i stovek hektarů. Vzhledem k tomu, že těžba písků je navrhována po celém území republiky včetně velmi úrodných oblastí, bývá mnohdy u těchto záměrů vystavena dočasnému záboru zemědělská půda I. a II. třídy ochrany ZPF. U velkých záměrů těžby hnědého uhlí jde většinou o nižší třídy ochrany ZPF. Svrchní kulturní vrstvu půdy je nutno skrýt na celé dotčené ploše, odděleně ukládat na vhodném pozemku a využít pro účely rekultivace (většinou se tak děje u menších záměrů těžba písků a kamene), nebo použít podle požadavků orgánu ochrany zemědělského půdního fondu. Náležitosti plánu rekultivace jsou uvedeny ve vyhlášce č. 13/1994 Sb., ve znění pozdějších předpisů. Při těžbě písků o mocnost většinou do 20 m vzniknou dočasné prohlubně v reliéfu, které je nutno po ukončení záměru vyplnit rekultivačním materiálem do původní nivelety. U rozsáhlých záměrů těžby hnědého uhlí je dnes rekultivace řešena většinou lesnickou rekultivací, případně vodohospodářskou rekultivací (vytvoření vodních ploch). Rekultivace důlního díla a jeho přímého okolí musí být realizována dle plánu sanace a rekultivace, který musí být schválen orgánem ochrany životního prostředí.

6.2.1.2 Vlivy na povrchové a podzemní vody a na půdu Při těžbě písků nebývá většinou zastižena hladina podzemní vody. Záměrem nebývají ohroženy kvalitativně ani kvantitativně vodní zdroje využívané pro veřejné či individuální zásobování obyvatelstva vodou. Jakost podzemních a povrchových vod v blízkém okolí se vlivem provádění těžby písků tedy většinou nebude měnit. Při těžbě uhlí povrchovým způsobem bývá často zastižena hladina podzemní vody. V důsledku těžby uhlí dochází ke zvýšení obsahu minerálních látek (zvláště se jedná o sirníkové minerály) v podzemní vodě. Důlní vody z povrchové těžby uhlí jsou charakteristické nízkou hodnotou pH faktoru, vysokou tvrdostí, vysokými obsahy iontů železa, vysokou koncentrací rozpuštěných a suspendovaných látek a mimořádně nízkými obsahy organických látek. Tyto vody je nutno čistit. Dešťové vody z nezpevněných ploch zasakují do terénu. Těžebním zásahem je vždy urychlena infiltrace srážek k hladině podzemní vody. Zpevněné plochy pro přečerpávání pohonných hmot z cisterny do těžebních mechanizmů musí být vybudovány jako nepropustné, v případě čerpání paliva do nádrží mechanismů v jámě lomu musí být místo plnění podloženo záchytnou vanou se sorpční rohoží. Poněkud jiné problémy s důlními vodami jsou u povrchové těžby hnědého uhlí na severu Čech. Za příčinu znečištění těchto důlních vod RL (především sírany) je jednoznačně označována přítomnost síry v uhlí a v nadložních materiálech. Působením vzduchu, vody a za 112


přítomnosti bakterií (chemoautotrofních mikroorganismů) nastává oxidace disulfidicky vázané síry (pyrit, markazit) na sírany a snižuje se pH na 2 ÷ 4,5. Kyselé důlní vody je nutno před jejich vypuštěním do toků upravovat (neutralizovat, odstranit železo a těžké kovy, snížit obsah síranů). Při těžbě uhlí v povrchovém lomu vznikají i další průmyslové odpadní vody. Jedná se odpadní vody z čistírny zaolejovaných vod (např. z mytí lokomotiv), z čistírny mourových vod (z odkališť, resp. z provozů drtíren uhlí) a z čistírny kolové a pásové techniky (většinou se jedná o recirkulační čistírny). Při těžbě písků tyto vody většinou nevznikají. Při těžbě písků nemusí vznikat žádné splaškové odpadní vody. Pro potřeby jednoho až dvou pracovníků těžebny písku a pro řidiče zákaznických nákladních vozidel je možno instalovat mobilní chemickou toaletu. U velkých záměrů těžby hnědého uhlí je vzhledem k velkému počtu zaměstnanců nutno řešit problematiku splaškových odpadních vod odpovídajícím způsobem (čistírna odpadních vod). Vlastní těžební technologický proces nezpůsobuje znečištění půdy ve větší intenzitě. V úvahu zde připadá pouze lokální znečištění půd v případě havarijního úniku ropných látek z těžebních a dopravních systémů. Odtěžení uhelné sloje, resp. písku a ostatních hornin (nadložních i meziložních) z prostoru důlního díla však vyvolá nevratné změny v horninovém prostředí.

6.2.1.3 Hluk Vliv hluku lze posuzovat ze dvou hledisek – jednak jako hluk dopravní (pojezd vozidel po komunikacích zájmového území mimo dobývací prostor), jednak jako hluk technologie provozu (hluk šířící se z dobývacího prostoru). U menších záměrů těžby písků dominuje hluk z dopravní obsluhy, hluk technologický bývá malý (v provozu jsou jedno až dvě rýpadla ponořená v lomové jámě). U velkých záměrů těžby hnědého uhlí je situace opačná – hluk z dopravní obsluhy neovlivňuje výrazněji okolní komunikace (navíc je většinou pro odvoz uhlí využíváno železniční dopravy), výrazný je však hluk technologický, šířící se z dobývacího prostoru. Tomuto hluku lze v obou případech čelit realizací ochranných valů (viz dále obr. 6.1), případně ochranných lesních pásů.

6.2.1.4 Vliv na krajinný ráz Pojem krajinný ráz zavedl do praxe již před lety zákon č.114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny, ve znění pozdějších předpisů. Krajinný ráz je v něm definován jako přírodní, kulturní a historická charakteristika určitého místa či oblasti. Krajinný ráz je chráněn před činností snižující jeho estetickou a přírodní hodnotu. Zásahy do krajinného rázu, zejména umisťování a povolování staveb, mohou být prováděny pouze s ohledem na zachování významných krajinných prvků, zvláště chráněných území, kulturních dominant krajiny, harmonického měřítka a vztahů v krajině. Jako nejzávažnější se v rámci hodnocení krajinného rázu ukazuje zachování vztahů v krajině. Tyto jsou reprezentovány především průchodností krajiny pro různé organismy. Z výše uvedených skutečností vyplývá, že povrchové důlní záměry jsou zpravidla rušivým prvkem v krajině, což má v podstatě negativní vliv na životní prostředí. U menších záměrů těžby písků lze po ukončení těžby dosáhnout následnou lesnickou či zemědělskou rekultivací nápravy do původního stavu. Složitější je situace u zbytkových jam velkých povrchových uhelných lomů, kde je rekultivace většinou otázkou mnoha let po ukončení těžby. Mnohdy je doporučována mimo lesnickou a zemědělskou rekultivaci (viz výše kap. 6.1.5) jako optimální varianta vodohospodářská rekultivace velké části zbytkové jámy. Napouštění jezera však může trvat mnohdy i několik let (např. 4 až 6) a je plně závislé na vydatnosti nejbližší vhodné vodoteče. 113


6.2.1.5 Emisně – imisní situace Pro posouzení imisní zátěže zájmového území je nutno zpracovat rozptylovou studii, která vyhodnocuje většinou dopad tuhých znečišťujících látek, oxidu siřičitého, oxidů dusíku, oxidu uhelnatého a benzenu na okolí posuzovaného záměru. U obou typů zde hodnocených záměrů je nutno provádět skrápění provozních komunikací a zemin na výsypkách a dodržovat časový plán rekultivací, aby postupně se zvyšující podíl zeleně snižoval negativní vliv lomu na okolí, a to zejména riziko znečištění ovzduší polétavým prachem. Průběžně je nutno sledovat a zabezpečit funkční stav zeleně u ochranných valů. V případě těžby uhlí je nutno občasným měřením ověřovat hromadění plynných škodlivin na dně lomu za různých meteorologických situací a posoudit možnost transportu zvýšených imisí do okolí lomu. Dále je nutno dodržovat technologický postup pro eliminaci a likvidaci zápar a ohňů.

Obr. 6.1 Ochranné zemní valy u obce Černovice (severní Čechy)

Literatura (kap. 6): [1] LAPČÍK, Vladimír. Oceňování antropogenních vlivů na životní prostředí. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1996. 128 s. ISBN 80-7078-316-8. [2] LAPČÍK, Vladimír. Posuzování vlivů povrchové důlní činnosti na životní prostředí. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - TU Ostrava (recenzovaný vědecký časopis), monografie 15 (Netradiční metody využití ložisek), rok 2005, ročník LI, řada hornicko-geologická, s. 415 - 418. ISBN 80-0920-6, ISSN 0474-8476. [3] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. 114


[4] http://www.env.cz/osv/edice.nsf [5] http://gis.osu.cz/atlas/zdroje.html

115


7 Koksárenství Koksárenská technologie, spočívající ve vysokotepelné karbonizaci černého uhlí, vznikajícími škodlivinami a odpadními vodami výrazně ovlivňuje životní prostředí ve svém okolí [1]. Výroba na koksovnách je členěna na čtyři technologické celky: uhelnou službu (příprava uhelné vsázky), koksárenské baterie (KB), koksovou službu (třídění koksu) a chemické provozy.

Obr. 7.1 Pohled na koksárenské baterie (KB)

Ekologickou problematiku koksoven rozdělujeme do tří oblastí a to: -

ochrana čistoty ovzduší (snižování emisi),

-

ochrana čistoty vod (čištění odpadních vod),

-

zlepšování pracovního prostředí.

7.1 Emise Stanovení množství emisí koksoven je velmi problematické, protože se jedná nejen o velmi širokou škálu znečišťujících látek, ale také o mnoho zdrojů rozptýlených na velké ploše. Dnes jsou prakticky všechny unikající škodliviny identifikovány, problém spočívá v 116


jejich kvantitativním stanovení a po technické stránce o jejich úplné vyloučení. Aby bylo množství emisí vzájemně srovnatelné, vyjadřujeme množství unikajících emisí ve vztahu na jednotku výroby tzv. emisním faktorem. V případě koksoven nejčastěji tento faktor vztahujeme na 1 t vyrobeného koksu suchého (cks). Emisní faktor koksoven (v kg na 1 t cks) se pohybuje na koksovnách ve velmi širokém rozmezí (od 2,0 do 7,0). Emisní faktor okolo 2,0 dosahují nejmodernější koksovny (vybavené účinnými odlučovacími zařízeními), horní hranice pak staré koksovny bez těchto zařízení a moderních technologií. Emise koksoven dělíme na tuhé a plynné. Mezi TZL řadíme uhelný a koksový prach. Mezi plynné emise pak SO2 a NOx, vznikající při otápění koksárenských baterii (KB), a emise vznikající při karbonizaci uhlí a zpracování chemických produktů a to: páry dehtu, benzolu, naftalenu, fenolu, pyridinu, kyanovodíku, čpavku atd. Tyto ZL jsou z hlediska ochrany ŽP velmi nebezpečné a většinou mají toxický charakter. Množství emisí vznikajících při otopu tvoří velkou část emisí, neboť koksovna potřebuje pro svůj provoz značné množství tepelné energie (cca 50 % vlastního vyrobeného plynu). U hutních koksoven je využíván méněhodnotný vysokopecní plyn, který prakticky neobsahuje sloučeniny síry. Emise SO2 jsou tedy závislé na obsahu sirných sloučenin v otopovém plynu. Emise NOx závisí na mnoha činitelích: typu KB, druhu plynu, teplotě topných kanálků, přebytku vzduchu. U koksárenského plynu se pohybují v rozmezí 300 ÷ 500 mg/mn3 spalin, u směsného plynu 150 ÷ 300 mg/mn3 spalin. V souladu s platnou legislativou (nařízení vlády č. 615/2006 Sb., příloha č. 1, část II, bod 1.2) jsou v současnosti na koksovnách sledovány tuhé znečišťující látky (TZL), NO2 a PAH (u těchto látek jsou dány pro jednotlivé fáze výroby koksu emisní limity). Dále legislativa uvádí podmínky pro omezení emisí VOC, H2S a koksárenského plynu do ovzduší. V tabulce 7.1 je uveden celkový přehled znečišťujících látek, včetně míst jejich výskytu u jednotlivých technologických operací při výrobě koksu [1]. Z ekologického hlediska je zvláště nebezpečná skupina ZL organického původu. Většina z nich má toxický charakter a některé z nich patří mezi prokázané kancerogeny, Jako benzo(a)pyren. Z tohoto důvodu je koksovnám připisováno, že jsou hlavním zdrojem těchto nebezpečných emisí. Z posledních sledování u nás ale i ve světě se však prokazuje, že koksovny se na znečišťování PAU podílí asi z 1/3, převážnou část tvoří automobilová doprava a zejména spalování méněhodnotných paliv v malých lokálních topeništích ve městech a obcích. Snižování celkového množství emisí koksoven technickým řešením je možné docílit dvěma způsoby: a) Realizaci nejmodernějších technologií vybavenými účinnými zařízením (na snižování emisí (nové typy KB, odsíření koksárenského plynu, suché chlazení koksu, jednobodové hasicí vozy, dvojokruhové chlazení vod na chemické části koksovny a v budoucnosti pravděpodobně přechodem na velkoobjemové koksárenské reaktory event. zastřešení celé KB atd.). b) Dodatečnou instalace odlučovacích zařízení a technologií na místa s největšími emisemi na stávajících koksovnách. To se týká zejména prašných zdrojů (zařízení při obsazování a vytlačování komor, využití moderních těsných dveří KB, modernizace hasicích věží atd.).

117


Tab. 7.1 Emise škodlivin na koksovnách a místa jejich vzniku

OT

OB

VY

NE

HA

CO H2S NH3 HCN pyridin* fenol* benzen* toluen* xyteno,m,p * (1) naftalén a metykieriváty* benzo(a)pyren* Bifenyl uhlov. alifatické (2) (alkany, -eny, -iny) 14. uhlovodíky aromatické ostatní (polyaromatické a heterocyklické) (3)

X

x x x x x x x x x x x x

x

x x x x x x x x x x x x

x x x

x

x

x

x x x

x x

x

15. Prach 16. SO2 17. NOx

x x x x

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

x

US

KS

RO

CH

x x x x x x x x x

x

x x x

x x

Legenda: (1) (2) (3) OT OB VY

je zařazen i ethylbenzen není zařazen metan mimo látky označená* otop obsazování KB vytlačování koksu z KB

NE HA US KS RO CH

netěsnosti - technologická operace koksování uhlí hašení koksu uhelná služba - příprava uhelné vsázky koksová služba - třídění koksu rozmrazovna chemie - emise z provozů zpracování surového koksárenského plynu

7.2 Odpadní vody Odpadní vody v koksovnách vznikají zejména při vlastním karbonizačním procesu, v průběhu chlazení a čištění surového koksárenského plynu, při hašení koksu. Odpadní vody z koksoven rozdělujeme na závadné a nezávadné. Mezi závadné patří fenol-čpavkové vody (f-č vody). Množství vzniklé f-č vody je poměrně veliké a pohybuje se v dosti širokém rozmezí (0,12 ÷ 0,18 m3 na 1 t vlhké uhelné vsázky). Toto množství je především závislé na obsahu vody v uhelné vsázce a na řadě dalších provozních podmínek. Surová f-č voda vedle jednomocných fenolů obsahuje volný a vázaný čpavek, dehet, kyanidy, sulfokyanidy, sirné sloučeniny a celou řadu dalších anorganických a organických látek. Její čištění vzhledem k vysokému obsahu fenolů (1,2 ÷ 2,0 g/1) a amoniaku (1 ÷ 3 g/l) je velmi obtížné, technicky náročné a ekonomicky nákladné. Odfenolování odpadních f-č vod se na našich koksovnách provádí výhradně extrakcí benzolem (způsobem POTT - HILGENSTOCK). Tento způsob nepatří mezi moderní způsoby 118


a způsobuje velké potíže při zpracování výsledného produktu - fenolátu sodného. K čištění odpadních vod obsahujících fenoly je vypracována celá řada metod. Všeobecně můžeme tyto metody rozdělit do dvou základních skupin, na metody exploatační (se získáváním fenolů) a na metody likvidační. Skupina exploatačních metod: -

extrakční metody, založené na rozdílné rozpustnosti fenolů mezi vodou a různými organickými rozpouštědly (benzol, butylacetát, diizopropyléter, fendsolvan, trikresylfosfát atd.),

-

destilační metody, jsou založeny na rozdílné těkavosti par vody a fenolů,

-

adsorpční metody, jsou založeny na adsorpci fenolů na aktivních látkách s následnou regenerací. Skupina likvidačních metod:

-

adsorpční metody bez regenerace aktivních látek, obvykle po adsorpci spalitelných (uhelné prachy atd.),

-

biologické metody, jsou v současné době nejvíce rozšířeny a patří mezi nejprogresivnější. V principu odbourávání fenolů probíhá za přítomnosti mikroorganismů a při splnění podmínek umožňujících jejich život a rozvoj (kyslík, teplota, živiny, určitá koncentrace fenolů apod.).

Odstraňování amoniaku (amonných iontů) z f-č vod následuje po jejich odfenolování. Z hlediska čištění vod se jedná o jejich odstraňování, z hlediska koksovny o jejich získávání (stran amonný jako hnojivo). Amonné ionty volně vázané (jako uhličitany, sirníky apod.) jsou uvolňovány přímou parou. Po alkalizaci silnější zásadou (vápenné mléko, hydroxid sodný) se rozkládají a uvolňují pevně vázané amonné lonty, vázané na anionty silných kyselin (strany, chloridy apod.). Odstraňování vysokého obsahu amonných iontů z f-č vod před jejich vypouštěním do recipientů je z hlediska ochrany ŽP velmi důležité. Zvýšený přísun sloučenin dusíku do přírodních vod je nežádoucí z následujících důvodů. Amoniakální dusík má velkou spotřebu kyslíku na biochemickou oxidaci (4,57 g na 1 g NH4+). Značně se podílí na eutrofizaci povrchových vod a konečně větší koncentrace dusičnanů v pitné vodě je nežádoucí a nebezpečná pro děti kojeneckého věku (methemoglobinaemie). Biologické odstraňování amoniakálního dusíku spočívá v jeho biochemické oxidaci na dusitany a dusičnany (nitrifikace) a jejich redukci na plynný dusík nebo na N2O (denitrifikace). Odbourávání amoniakálního dusíku ve vodách v přírodním prostředí je tedy velmi složitým procesem s vážnými následky na stav ŽP. Odfenolované a vyvařené f-č vody obsahují ještě zbytkové znečištění fenolů a není je ještě možné vypouštět do veřejných recipientů a musí být dočišťovány. Vody, které obsahují jen malé množství fenolů, působí nejen toxicky, ale způsobují další nepříjemnosti. Při obsahu 1 mg/l páchne maso ryb, při chlorování na pitnou vodu (již při obsahu 0,1 mg/l) vznikají chlórfenoly, které páchnou a dávají vodě odpornou chuť. Dočišťování se v našich podmínkách provádí následujícími způsoby: -

společné čištění se splaškovými vodami,

-

čištění na odvalech báňských hlušin,

-

čištění na uhelných kalech. 119


Dočišťováni f-č vod s městskými splašky je jednoduchý a účinný způsob biologické likvidace fenolů. F-č vody před společným čištěním musí vyhovovat určitým podmínkám. Nesmí obsahovat dehtovité látky, jejich teplota nemá překročit 40 °C atd. Koncentrace jednomocných fenolů je dána poměrem ředění a technologií ČOV (obvykle 100 ÷ 150 mg/l). Někdy jsou tímto způsobem čištěny f-č vody neodfenolované, tedy s vysokým obsahem fenolů.

7.3 Odpady Koksovny oblasti vzniku odpadů nepatří mezi problémové podniky. Ve větším množství vznikají pouze odpady žáruvzdorného zdiva (šamot, dinas) při opravách koksárenských komora při generálních opravách KB. Šamotový odpad je z části opět využíván při výrobě nových šamotových výrobků. V koksovnách vzniká i nebezpečný odpad jako dehtovité usazeniny, kyselé dehty atd. Jejich množství není veliké a obvykle jsou tyto odpady recyklovány, přidávány do uhelné vsázky na koksování.

Literatura (kap. 7): [1] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [2] http://vyrobazeleza.wz.cz/ [3] http://www.ikaros.cz/node/4449 [4] http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/vyroba_zeleza.html [5] http://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDelezo [6] http://mujweb.atlas.cz/www/ucikrus/ref-zelezo_a_jeho_vyroba.htm

120


8 Energetika Energetika byla na našem území od 19. století založena na využívání uhlí. Pro energetické účely se využívalo zejména hnědé uhlí ze Sokolovské a Severočeské uhelné pánve, což se děje dodnes. Část vyrobené elektřiny pochází z černouhelných zdrojů (především závodní zdroje), dále z vodních a jaderných elektráren a v poslední době také z obnovitelných zdrojů energie (OZE). Od začátku 90. let minulého století se sice podíl tuhých paliv na spotřebovávaných zdrojích energie trvale snižoval, ale v mezinárodním srovnání byl nadále vysoký [1]. Spotřeba elektrické energie na počátku 90. let minulého století zaznamenala propad, od roku 1995 však (pouze s mírným propadem v letech 1997 – 1999) opět roste, přestože je využití elektřiny efektivnější. Celkový instalovaný výkon elektráren v České republice činil k 31.12.2006 17 508 MWe, přičemž celková výroba elektřiny v roce 2006 u nás byla 84 361 mil. kWh [6]. V současné době téměř dvě třetiny elektřiny vyrobené v České republice pocházejí z tepelných elektráren spalujících fosilní paliva (65,2 %). Podíl elektřiny vyrobené v jaderných elektrárnách vzrostl v roce 2006 na 30,9 % [6]. Otevření evropského elektroenergetického trhu po roce 2000 umožnilo ČR ve větší míře vyvážet přebytky elektrické energie, a proto k poklesu výroby elektrické energie v uhelných elektrárnách nedochází. Po roce 2000 došlo k nárůstu spotřeby elektrické energie. Důvodem je především růst české ekonomiky a výstavba nových průmyslových kapacit. V domácnostech roste poptávka po elektrické energii díky vyšší vybavenosti elektrickými spotřebiči (i když moderní elektrické spotřebiče mají lepší energetickou účinnost), rozšířenému využití elektrického vytápění, případně klimatizačních jednotek. Podíl spotřeby zpracovatelského průmyslu na celkové spotřebě je stále vysoký a dosahuje přibližně 41 % [1]. Největší spotřebu elektrické energie vykazuje v rámci zpracovatelského průmyslu chemický a petrochemický průmysl, výroba kovů, včetně hutního zpracování a výroba nekovových minerálních výrobků. S růstem vybavenosti domácností elektrickými spotřebiči a celkového komfortu je přirozeně spjat i růst spotřeby elektrické energie v domácnostech, která se v České republice od roku 2000 zvýšila o cca 10 %. Předchozí výrazný nárůst spotřeby elektrické energie v domácnostech do roku 1996 byl významně ovlivněn využíváním elektrických přímotopů k vytápění. V mezinárodním srovnání je spotřeba elektrické energie mírně pod evropským průměrem, dosahuje cca 1,44 MWh/obyvatele.

8.1 Tepelná energetika 8.1.1 Přeměna energie v tepelné elektrárně Cesta transformace primární energie paliva v elektrickou energii v kondenzační elektrárně je znázorněna na obr. 8.1 ve schématu technologického celku [2] vzniklého spojením základních energetických zařízení elektrárny. Z vyznačených dílčích ztrát energie na této cestě je patrno, že z chemické energie, přiváděné v palivu, se větší část v systému 121


transformace ztrácí a jen menší část vstupuje na prahu elektrárny do dálkového vedení ve formě elektrického proudu o vysokém napětí. Z obrázku 8.1 vyplývá, že základní technologické zařízení kondenzační elektrárny představují parní kotel, parní turbína a elektrický generátor. Parní kotel plní funkci zařízení, v němž se realizuje přeměna chemické energie paliva v tepelnou energii plamene a spalin i přenos této energie pracovní látce.

Obr. 8.1 Transformace energie v kondenzační elektrárně

Přívod tepla pracovní látce v ideálním kotli probíhá při konstantním tlaku, tedy v T-s diagramu Rankinova-Clausiova oběhu (obr. 8.2) podél izobary 3561. Průběh izobary, podél níž se v kondenzačním oběhu přivádí teplo, zejména poloha jejího koncového bodu (1) v oblasti přehřáté páry, ovlivňuje tepelnou účinnost oběhu, a tudíž celkovou tepelnou účinnost transformace chemické energie paliva v elektrickou energii v kondenzační elektrárně.

Obr. 8.2 T-s diagram Rankinova-Clausiova oběhu: 3561 – izobarický přívod tepla vodě a páře v parním kotli, 12 – izoentropická expanze páry v parní turbíně, 23 – izobarický odvod tepla páře v kondenzátoru (body 3 a 4 jsou totožné, protože bylo zanedbáno zvýšení entalpie vody v čerpadlech) [3].

Tento oběh je izobaricko-izoentropický – teplo se přivádí podél izobary. Dle obr. 8.2 122


vzrůstá tepelná účinnost Rankinova-Clausiova oběhu se zvětšující se entalpií přehřáté páry (i1), která je určována tlakem a teplotou přehřáté páry na výstupu z kotle, tedy maximální teplotou, jíž pracovní látka v oběhu dosahuje. Zjednodušené schéma kondenzační elektrárny je uvedeno na obrázku 8.3 [3]. Jedná se o uzavřený pracovní okruh strojů spojených potrubím. Na obrázku je naznačen elektrický generátor G, ze kterého se vodiči odebírá elektrická energie. Přehřátá pára z kotle K je vedena do turbíny T, kde pára expanduje na příslušný tlak v kondenzátoru Ko. Turbína pohání generátor G. Pára se v kondenzátoru sráží na kondenzát. Kondenzační teplo odvádí chladicí voda, která se většinou chladí v chladicích věžích. Kondenzát dopravujeme čerpadlem Čk do napájecí nádrže N a z ní napájecím čerpadlem Čnv přes ohřívač vody OV do kotle K.

Obr. 8.3 Zjednodušené schéma kondenzační elektrárny: K – kotel, T – turbína, G – generátor, Ko – kondenzátor, Čk – čerpadlo kondenzátu, N – nádrž napájecí vody, Čnv – čerpadlo napájecí vody, OV – ohřívač vody.

Obr. 8.4 I-s diagram Rankinova-Clausiova oběhu kondenzační elektrárny

Diagram i-s Rankinova-Clausiova oběhu [3] kondenzační elektrárny je uveden na obrázku 8.4. Jednotlivé body v diagramu jsou označeny ve schématu na obrázku 8.3. Body 3 a 4 jsou totožné, protože bylo zanedbáno zvýšení entalpie vody v čerpadlech. Přeměnu 123


tepelné energie páry na mechanickou práci v Rankinově-Clausiově oběhu, ve kterém nejsou uvažovány ztráty, hodnotíme termickou účinností ηt: teplo přeměněné na práci ηt =

plocha 123561* =

teplo přivedené do kotle kde ia

ia – ie,ad =

plocha 12030561*

, ia – inv

- je entalpie vstupní (admisní) páry [kJ/kg],

ie,ad

- je entalpie páry na výstupu z turbíny při izoentropické expanzi [kJ/kg],

inv

- je entalpie napájecí vody [kJ/kg],

*

- viz obr. 8.2.

8.1.2 Parní kotle Parní kotel definujeme jako zařízení pro výrobu tlakové páry. K hlavním typům parních kotlů patří kotle elektrárenské a teplárenské., kotle průmyslové, kotle pro vytápění, kotle pro odpadní teplo a kotle pro dopravní účely, zejména kotle lodní a dříve i lokomotivní. Horkovodní kotel je řešen obdobně jako kotel pro dodávku syté páry s tím rozdílem, že celá teplosměnná plocha slouží jako ohřívák vody. Samostatnou skupinu představují výměníky tepla jaderných elektráren, které jsou parními generátory (parogenerátory), umístěnými odděleně od jaderného reaktoru [2]. Kotle pro energetické a průmyslové závody mají výkon v rozsahu od několika tun do několika tisíc tun páry hodinu. U velmi velkých kotlů dosahují výkony přes 4 000 tun páry za hod. Parametry páry odpovídají účelu, k němuž je určena. Zatímco u průmyslových kotlů nejnižší tlaky páry bývají kolem 1 MPa a teploty páry kolem 200 °C, dodávají elektrárenské kotle páru o tlaku až 35 MPa a teplotě 600 °C. U kotle rozlišujeme dvě hlavní části: spalovací zařízení a parní generátor. Spalovací zařízení se skládá z ohniště, které je určeno pro spalování paliva ve vrstvě nebo v prostoru, a z pomocného zařízení, k němuž patří zařízení pro přípravu paliva ke spalování, ohřívák vzduchu, ventilátory, zařízení k odstraňování tuhých produktů spalování apod. Ohniště je část kotle, kde se spaluje palivo, tedy prostor, v němž se v plameni mění chemická energie paliva v tepelnou energii plamene a spalin. Parní generátor je tlaková část kotle, kde se z vody vyrábí pára. Skládá se z ohříváku vody, výparníku a přehříváku páry. Ohřívák vzduchu je část spalovacího zařízení, v níž se spalovací vzduch ohřívá na teplotu, odpovídající požadavkům ohniště. Schéma uspořádání hlavních částí kotle podle umístění v proudu spalin je na obrázku 8.5. V ohříváku vody se napájecí voda ohřívá na teplotu zpravidla blízkou bodu varu, ve výparníku se doohřeje na bod varu a vypařuje se, načež se vznikající mokrá pára po převedení do stavu sytosti vypařením zbytkové vlhkosti v přehříváku přehřívá na konečnou teplotu. Probíhá-li proces výroby páry při tlaku podkritickém, mění se ve výparníku fáze pracovní látky. V nadkritické oblasti (p > 22,1 MPa) zůstává pracovní látka v parním generátoru v jedné fázi, i když se její fyzikální vlastnosti (hustota, měrné teplo, viskozita aj.) přívodem tepla značné mění. 124


Obr. 8.5 Uspořádání hlavních částí kotle podle umístění v proudu spalin

Obr. 8.6 Schéma bubnového kotle s přirozeným oběhem a granulačním ohništěm na hnědé uhlí: 1 – zauhlovací zařízení, 2 – zásobník surového uhlí, 3 – podavač, 4 – sušička, 5 – mlýn, 6 – třídič, 7 – hořák, 8 – vzduchový ventilátor, 9 – ohřívák vzduchu, 10 – ohniště, 11 – granulační výsypka, 12 – odškvárovací zařízení, 13 – konvekční průtah, 14 – odlučovák prachu, odsiřovací jednotka, 15 – sací ventilátor, 16 – odpopílkovací zařízení, 17 – komín, 18 – ohřívák vody, 19 – buben, 20 – výparník (trubková stěna ohniště), 21 – spádovky, 22 varnice, 23 – přehřívák: a - vodorovný, b – deskový, c, d – svislý. Průtok páry: ABC. 24 – hlavní parní uzávěr

Z hlediska přenosu tepelné energie můžeme tedy kotel definovat jako soustavu výměníků tepla, v nichž se předává tepelná energie plamene a spalin a jednak pracovní látce, 125


jednak spalovacímu vzduchu. Princip funkce parního kotle včetně pomocných zařízení je uveden na obrázku 8.6, na němž je uvedeno schéma bubnového kotle s granulačním ohništěm o jmenovitém výkonu 150 t/h (tlaku přehřáté páry 9 MPa, teplotě přehřáté páry 540 °C a teplotě napájecí vody 225 °C), s přirozeným oběhem vody na vlhké hnědé uhlí. Kromě jmenovitého výkonu jsou tedy základními parametry kotle tlak přehřáté páry, teplota přehřáté páry a teplota napájecí vody.

8.1.3 Typy parních kotlů Parní kotle lze z historického hlediska rozdělit následovně: 1. Podle provedení vlastního kotle na [3]: a) Kotle plamencové pro malé výkony a nízké tlaky. Mohou být jednoplamencové, dvouplamencové nebo i tříplamencové. Tyto kotle sestávaly z válcového tělesa, ve kterém byl uložen jeden nebo více plamenců z vlnitého kotlářského plechu; b) Kotle žárotrubné. Sestávaly z válcového tělesa, ve kterém byl uložen jeden nebo dva svazky trubek, kterými proudily spaliny do zadní části kotle. Žárotrubné kotle ve spojení s plamencovými vytvářely kotle kombinované (představitelem byl dvouplamencový kotel Tischbeinův se dvěma svazky žárových trubek); c) Kotle vodotrubné. Sestávají z jednoho nebo více bubnů spojených svazky trubek. V trubkách obíhá voda a okolo trubek proudí spaliny. Svazky trubek jsou v průtazích kotle, přičemž jejich uložení je buď šikmé, nebo svislé; d) Kotle sálavé. Mají poměrně vysokou spalovací komoru, půdorysně čtyřhranného tvaru. Stěny spalovací komory jsou vyloženy svislými varnými trubkami (varnicemi), ve kterých obíhá voda kotle. Teplo vzniklé spalováním paliva sálá na trubkové stěny, kterými přestupuje do vody. 2. Podle provedení spalovacího zařízení rozdělujeme parní kotle na: a) Kotle roštové, s pevným nebo mechanickým roštem; b) Kotle práškové. Tyto kotle mají buď granulační komoru, ve které změknuvší škvára ve spodní části komory v místě granulačního roštu ztuhne (granuluje) a v tomto stavu odchází z kotle, nebo výtavnou komoru, ve které se struska taví a tekutá kontinuálně odchází výtokovým otvorem z kotle ven (většinou padá do žlabu s vodou, takže se na jejím povrchu vytváří sklovitá vrstva). Jsou zde zařazeny i kotle cyklónové. Palivo zde spolu s intenzivním proudem vzduchu vchází do spalovacího prostoru (cyklónu), ve kterém se na spirálovité dráze rychle spaluje. Struska odchází z cyklónu v tekutém stavu. V uvedených kotlích je tedy spalován uhelný prášek (viz výše kapitola 8.1.2.1); c) Kotle fluidní. Charakteristickým rysem spalování ve fluidní vrstvě je podstatně delší doba zdržení paliva v ohništi s tím, že částice paliva mají větší rozměry, než je tomu u práškových kotlů [4]. V současné době se využívá jak atmosférického, tak přetlakového fluidního spalování paliv. 3. Podle použitého paliva rozeznáváme kotle pro spalování pevných (především černé a hnědé uhlí, příp. lignit), kapalných (např. těžké topné oleje) a plynných paliv (zemní či jiný plyn včetně odpadních plynů z technologií). 4. Podle použitého tlaku rozdělujeme kotle na: a) Kotle s talkem podkritickým. Kotle s podkritickým tlakem rozdělujeme na nízkotlaké (s tlakem do 1,6 MPa), středotlaké (s tlakem od 1,6 do 4,9 MPa), vysokotlaké (s tlakem od 4,9 do 12,8 MPa) a velmi vysokotlaké (s tlakem od 12,8 do 22,1 MPa);

126


b) Kotle s tlakem nadkritickým. Kotle s nadkritickým tlakem mají tlak nad 22,1 MPa. 5. Podle vodního oběhu jsou: a) Kotle s přirozeným vodním oběhem; b) Kotle s nuceným vodním oběhem, u kterých je voda tlačena oběhovým čerpadlem systémem varných trubek (varnic). Např. se jedná o kotle La Mont a Löffler; c) Průtočné kotle, u kterých je voda protlačována paralelně řazenými trubkami, ve kterých se voda postupně ohřívá, odpařuje a přehřívá (kotle Benson – viz obr. 8.7, Sulzer, Ramzin).

Obr. 8.7 Schéma Bensonova průtočného kotle: 1 – vstup napájecí vody, 2 – ohřívák vody, 3 – výparník, 4 – přechodník, 5 – přehřívák, 6 – vstřikovací regulátor, 7 – přehřívák, 8 – výstup páry, 9 – hořáky

6. Podle vodního obsahu se kotle dělí na: a) Kotle s velkým vodním obsahem (kotle plamencové, žárotrubné a kombinované); b) Kotle s malým vodním obsahem (kotle strmotrubné a sálavé). 7. Kotle speciální: a) S nepřímou výrobou páry; b) S přetlakovým ohništěm; c) Kotle na odpadní teplo, ve kterých se využívá odpadní teplo z různých technologických procesů na výrobu páry; d) Elektrické kotle, vytápěné elektrickým proudem.

8.1.4 Působení tepelné energetiky na životní prostředí I přes provedená opatření zatěžuje tepelná energetika významně životní prostředí znečišťujícími látkami, zejména oxidy síry, oxidy dusíku a tuhými znečišťujícími látkami a také oxidem uhličitým, který se podílí na ovlivňování klimatu. A/

Působení na jednotlivé složky životního prostředí [4]: 127


1. ovzduší: - prach, - SO2, - NOx, - CxHy, - emise fluóru a chlóru, - emise těžkých kovů. 2. vodní hospodářství závodů: - odpadní vody závodů (charakteristika, složení, množství), - procesy čištění odpadních vod. 3. odpady, vliv provozu na půdní fond: - mokré skladování popílku - suché skladování popílku - stabilizace popílku - rekultivace 4. hlučnost provozu energetických závodů 5. vliv provozu závodů na produkci jiných odvětví B/ Opatření ke zmírnění následků provozu energetického hospodářství na životní prostředí jsou obecně následující: 1. zachycování tuhých emisí (odprašování) 2. zachycování plynných emisí: a) odsiřování: - spalin, - uhlí. b) denitrifikace spalin: - primární opatření, - sekundární opatření. c) snižování emisí skleníkových plynů (CO2): - zvyšování tepelné účinnosti, - jímání CO2 a jeho další zpracování. 4. zákonné nástroje pro životní prostředí 5. investice do životního prostředí 6. strategická opatření ke snížení negativního působení energetiky na životní prostředí: -

zásadní snížení energetické náročnosti v rámci hospodářství ČR, vyšší hospodárnost ve spotřebě všech druhů energie, změny struktury výroby energie směrem k ekologicky výhodnějším prvotním zdrojům.

8.1.4.1 Emise Skutečnost, že uhlí představuje velmi významnou část naší energetické základny spolu s jeho převážně nízkou kvalitou (převládá hnědé uhlí s výhřevností mezi 9 až 14 MJ/kg, 128


přičemž převažuje spotřeba uhlí kolem spodní hranice výhřevnosti) a značným podílem balastních složek (obsah síry, popela a vody), způsobuje značné environmentální problémy [5]. V této souvislosti je si nutno uvědomit, že například spálením 1 tuny uhlí s obsahem 3 % síry se bez odsiřovacího zařízení vyprodukuje 60 kg SO2. Vedle oxidů síry vznikají při spalování tuhých paliv další druhy škodlivin a to prach, oxidy uhlíku a oxidy dusíku. Pokud se týká obsahu pevných částeček, tj. prachu, v odcházejících spalinách, pak jeho množství a vlastnosti budou záviset jednak na druhu použitého paliva (obsahu prchavých látek, vlhkosti a popela, mineralogického složení popela, spékavosti, stupni rozdrobení apod.), jednak na podmínkách spalování (druhu spalovacího zařízení, teplotě spalování, součiniteli přebytku vzduchu, podmínkách proudění spalin apod.). Snížení emisí prachových částeček je možné dodržováním určitého ustáleného režimu spalování a vhodnou volbou odprašovacího zařízení s důrazem na podstatné zvýšení účinnosti zachycení tuhých částic. Spalování všech druhů fosilních paliv je dále zdrojem znečištění ovzduší oxidy uhlíku, které se nepříznivě projevují svým vlivem na zadržování slunečního záření při zemském povrchu (skleníkový jev). V důsledku vysokých teplot v ohništích i nezbytnosti spalování nízkovýhřevných paliv se zvýšenými hodnotami součinitelů přebytku vzduchu dochází rovněž k oxidaci dusíku za vzniku oxidů dusíku NOx. Množství vzniklého oxidu přitom závisí významně na teplotě spalování (viz tabulka 8.1 [5]). Tab. 8.1 Závislost koncentrace NOx ve spalinách na teplotě spalování Teplota [°C]

20

427

527

1 538

1 640

1 760

1 870

Koncentrace NOx, [mg/m3]

123

36,9

246

3 200

5 000

9 500

16 000

Vzhledem k tomu, že reakce okysličování dusíku je reakcí vratnou, při klesajících teplotách může dojít ke zpětnému rozpadu vytvořených oxidů dusíku na původní složky. Při jejich vzniku i rozkladu hraje důležitou úlohu i rychlost procesu a poměr obsahu kyslíku a dusíku v plynné směsi. Uvedené je důvodem značné složitosti děje a nemožnosti jeho přesného teoretického vyčíslení. V současnosti se proto více využívá matematickostatistických hodnot. Před rokem 1990 bylo snížení dopadů energetiky na životní prostředí řešeno především výstavbou vysokých komínů a instalací filtrů na tuhé emise, z dnešního hlediska s neadekvátní účinností, které měly zajistit snížení koncentrace tuhých emisí v okolí elektráren. Výše poplatků za znečišťování ovzduší byla extrémně nízká a závisela na výšce komína. Vedle emisí sloučenin síry rostly se zvyšující se výrobou elektřiny také tuhé emise znečišťujících látek. Důsledkem bylo např. odumírání lesů v Krušných horách, Jizerských horách, Krkonoších apod. Docházelo k příhraničnímu znečištění, typickým reprezentantem byl „Černý trojúhelník“ v severních Čechách. Na konci 80. let se stacionární energetické zdroje podílely na celkových emisích SO2 97 %, na emisích NOx 76 % a na emisích tuhých látek cca 96 % [1]. Po roce 1990 prošla energetika významnými změnami, spojenými se snižováním jejího vlivu na životní prostředí. Znečišťování ovzduší se výrazně snížilo odstavením zastaralých elektrárenských provozů a instalací účinných zařízení k zachycování škodlivin 129


emitovaných do ovzduší, zvláště pak oxidů síry. Zákon č. 309/1991 Sb., o ochraně ovzduší před znečišťujícími látkami, zavedl přísné emisní limity. Termín pro dosažení limitů byl stanoven k 31.12.1998. Zákon ovlivnil rozhodnutí ČEZ, a.s. odstavit v průběhu let 1991 – 1998 celkem 2 030 MWe výkonu v hnědouhelných elektrárnách a rekonstruovat dalších 6 400 MWe výkonu, což přineslo významné snížení sledovaných emisí. Kotle jednotlivých elektráren byly postupně odstaveny a modernizovány, probíhala také výstavba odsiřovacích zařízení s cílem snížit emise SO2, které spolu s NOx způsobují acidifikaci. V letech 1990 až 2006 se v ČR významně snížily emise SO2 z energetických zařízení na 12 %, emise tuhých znečišťujících látek (TZL) na 7 %, emise NOx, na 30,8 % a emise CO2 na 74,1 % (k roku 1990) - viz graf 8.1 [1]. Graf 8.1 Vývoj emisí z energetiky v ČR

Na celkové produkci emisí oxidu siřičitého v ČR se energetika podílí cca 63 % a v případě emisí oxidů dusíku činí její podíl 31,5 % (rok 2006). Vyšší podíl na emisích oxidů dusíku má pouze doprava. Hodnocení škodlivosti jednotlivých typů emisí prochází změnami. V současnosti se klade důraz na CO2 a ostatní skleníkové plyny všeobecně, jejichž zvýšené koncentrace v ovzduší působí na změnu klimatu. Vzhledem k tomu, že energetika je v ČR z velké části založena na spalování fosilních paliv, je podíl tohoto sektoru na celkových emisích skleníkových plynů převažující.

8.1.4.2 Odpadní vody Energetika se významně podílí na odběrech vody. Užitková voda je odebírána především z povrchových vod. Podzemní užitková a pitná voda je odebírána zejména pro osobní spotřebu zaměstnanců. Podíl povrchových vod odebraných pro účely energetiky představuje více než 50 % celkového odběru vody (u odběru podzemních vod je tento podíl necelé 1 %). Odebraná užitková voda je využívána jednak pro účely technologické a pro chlazení technologických agregátů, jednak pro účely odlučovaní škodlivin z plynné fáze, dopravu popílku a pro skladování (zneškodňování) popílku v tzv. odkalištích. Pro čištění těchto odpadních vod se používají v zásadě stejné postupy a zařízení jako při čištění odpadních vod z odkališť úpraven uhlí, či při čištění ostatních průmyslových odpadních vod. Znečištění vypouštěných odpadních vod, včetně tepelného znečištění, nepřesahuje 130


hodnoty stanovené ve vodoprávních rozhodnutích pro jednotlivé elektrárny.

8.1.4.3 Odpady Skutečnost, že uhlí představuje velmi významnou část naší energetické základny se projevuje také v oblasti odpadů. Odkaliště elektráren a tepláren zaujímají celkovou plochu kolem 2 000 ha zemědělské a lesní půdy. Tuhé odpady z energetického průmyslu mají zcela jiný charakter než z většiny ostatních průmyslových odvětví, jak co do složení, tak i způsobu zneškodňování a možností využití. Hlavní druhy odpadů z energetického průmyslu jsou ze všech typů výroby energie (tepelné elektrárny, teplárny, kotelny) shodné, tj. popel, popílek a škvára, resp. struska [5]. Nepříznivé vlivy popílku jsou chemické a zejména mechanické. Z chemických vlivů je to především jeho sklon k cementování. U vod vzrůstá působením popílku jejich tvrdost a alkalita. Z mechanických účinků je to hlavně vysoká brusnost zrníček popela, které vyvolávají často oční záněty. Částice o velikosti 0,2 ÷ 5 µm pronikají do plic a při vyšším obsahu SiO2 způsobují zaprášení plic (silikózu). Také rostlinné kultury trpí zanášením nadměrným množstvím popílku. Některé rostliny sice stačí zpracovat roční vrstvu popílku 2 ÷ 5 mm vysokou (tj. 1 500 ÷ 400 t/km2), většina rostlin však pod vrstvou popílku hyne, ovocné stromy mají nižší výnosy, zelenina a píce posypané popílkem jsou nepoživatelné. Zrníčka větší než 5 µm znečišťují okolí do značně vzdálenosti od zdrojů. Hlavní použití popílku je ve stavebnictví, kde lze popílek využívat jak v průmyslové výrobě stavebních hmot, tak i ve stavební výrobě (stavební práce na stavbách). V podmínkách našeho stavebnictví se dosud nedaří prosazovat vlhčené popílky a popel do zemních prací jako náhradu za přírodní těžké kamenivo při budování hutněných zásypů a násypů. Technicky nejrozšířenějším způsobem využívání popílku je jeho zpracování při výrobě pórobetonu, kde kapacita jeho výroby již plně kryje potřeby našeho stavebnictví. Nadějná je i možnost využívání popílku v cihlářské výrobě. Popílek a struska zde slouží jako ostřivo, které zlepšuje podmínky při sušení a příznivě ovlivňuje i jakost konečného výrobku. Největší rezervy v oblasti výroby stavebních hmot jsou v rozšíření použití popílku k výrobě cementu. V řadě průmyslových zemí již jeho využívání představuje významná ekonomický přínos, u nás zatím není příliš rozšířeno. V současné době se rozvíjí využití popílku jako částečné náhrady cementu při výrobě betonu. Přídavkem 50 kg kvalitního popílku na 1 m3 betonové směsi lze dosáhnout úspory až 20 kg cementu třídy 250. Obecně je stupeň využívání popílku u nás zatím velmi malý. V současné době se u nás využívá ve stavebnictví, zemědělství a rekultivacích a při získávání cenných surovin méně než 7 % z celkového množství. Škvára a struska se běžně používá jako stavební materiál u nás i v zahraničí po mnoho let. U nás je provozu několik závodů postupně zpracovávajících staré haldy škváry, které se tvořily po desítky let, k přípravě betonových směsí pro různě druhy škvárového betonu a to k výrobě výplňových, izolačních nebo nosných betonových prvků. Škvára a struska je rovněž vhodná pro terénní a silniční úpravy, v železničním stavitelství a v průmyslu stavebních hmot k výrobě tvárnic a stavebních dílců. Energetika patřila historicky u nás vždy mezi významné producenty odpadů, což souvisí zejména se skladbou prvotních energetických zdrojů (PEZ). Proto také produkce odpadů z energetiky v průběhu 90. let přibližně odpovídala produkci elektrické energie v elektrárnách spalujících hnědé uhlí. Zvýšení této produkce přineslo odsíření elektráren. 131


Odpady z odsiřování spalin jsou postupně certifikovány jako produkty, nejčastěji pro oblast stavebnictví. Zejména z tohoto důvodu v roce 2005 klesla produkce odpadů z energetiky na polovinu produkce roku 2004. Zatímco v roce 2002 se energetika na celkové produkci odpadů podílela více než 20 %, v roce 2005 byl její podíl již méně než 10 % celkové produkce veškerých odpadů. Údaje o produkci odpadů z energetiky a srovnání s produkcí dalších odvětví udává graf 8.2 [1]. Graf 8.2 Produkce odpadů z energetiky a srovnání s ostatními odvětvími (tis. tun)

8.1.5 Technologie pro snižování plynných emisí z energetiky Nejzávažnějšími plynnými emisemi z tepelných elektráren jsou oxid siřičitý (SO2) a oxidy dusíku (NOx), které lze zachycovat pomocí desulfurizačních a denitrifikačních zařízení. V současnosti se klade důraz také na skleníkové plyny, zejména oxid uhličitý (CO2).

8.1.5.1 Odsiřování Odsiřování spalin je dnes jediným (ve velkém měřítku užívaným) postupem snižování emisí síry z energetiky. Je možno zde zařadit celou řadu metod, které spočívají na nejrůznějších chemických či fyzikálně-chemických principech. Používané metody lze rozdělit na [4]: ·

regenerativní - aktivní látka cirkuluje mezi absorpcí nebo adsorpcí a regenerací: - výhody:

malá spotřeba aktivní látky, která se do procesu dodává pouze na krytí ztrát. Velmi výhodný je produkt odsíření, jímž je ve všech případech čistý oxid siřičitý, - nevýhody: větší složitost technologického zařízení. ·

neregenerativní - aktivní látka po reakci s oxidem siřičitým proces opouští jako produkt odsíření: - výhody:

menší složitost technologického zařízení,

- nevýhody:

velká spotřeba aktivní látky, problémy s uplatněním produktu odsíření (nejedná se o čistý oxid siřičitý).

Dále je možno rozdělit používané desulfurizační metody na: 132


·

procesy mokré - spaliny přicházejí do kontaktu s vodním roztokem nebo suspenzí aktivní látky: - výhody:

velká účinnost odsiřování spalin,

- nevýhody: nízká teplota odsířených spalin, které je nutno přihřívat, vyšší investiční náklady. ·

procesy suché - během těchto procesů teplota spalin neklesá pod rosný bod vody: - výhody:

vysoká teplota spalin po odsíření, které není nutno přihřívat za účelem rozptylu do atmosféry, malá investiční náročnost,

- nevýhody:

malá účinnost odsíření (mimo použití u fluidních ohnišť nevyhovuje současným požadavkům), zvýšené nároky na některé technologické části (elektrofiltry), problémy s produktem odsíření.

Metody suché [4] 1.

Suchá aditivní vápencová metoda. Princip suché aditivní vápencové metody spočívá v dávkování jemně mletého vápence, příp. dolomitu do spalovacího prostoru (jemnost mletí v obou případech by měla být pod 60 μm). Zde dochází k vázání oxidů síry na vápenatý (dolomitový) kationt. Při obvyklém 1,5 až dvojnásobku oproti stechiometrii se účinnost pohybuje kolem 30 %, výjimečně lze dosáhnout 40 až 50 %,

2.

Fluidní spalování s přídavkem vápence. Charakteristickým rysem fluidního spalování je podstatně delší doba zdržení paliva a tím i aditiva v horké zóně a též nižší teplota hoření (800 ÷ 850 °C). Zejména dlouhá doba zdržení má příznivý vliv na stupeň zreagování vápence. Při optimálním mletí a přebytku proti stechiometrii kolem 1,5 až 2,2 činí účinnost odsíření 85 ÷ 95 %,

3.

Rozprašovací absorpce (obr. 8.8) představuje přechod od suché aditivní metody k metodám mokrým: Jejím principem je nastřikování vápenného mléka do horkých spalin, během kterého dochází k absorpci oxidu siřičitého a částečně k oxidaci na síran vápenatý a současně k odpaření vody, takže v následně zařazeném elektroodlučovači se zachycuje směs síranu a siřičitanu vápenatého s popílkem a současně s nezreagovaným CaO. Při aplikaci 1,8 násobku stechiometrie se udává až 80 % odsíření (prakticky bývá však většinou nižší).

4.

Proces Bergbau - Forschung je založen na sorpci oxidu siřičitého na aktivním koksu, jehož katalytickým působením současně probíhá oxidace kyslíkem přítomným ve spalinách na oxid sírový, který spolu s vlhkostí vytváří kyselinu sírovou. Celá metoda je velmi komplikovaná a náročná na energii a spotřebu aktivního koksu. Problémy jsou i s korozí. Proces byl před lety realizován pouze na úrovni malé referenční jednotky v SRN.

133


Obr. 8.8 Schéma rozprašovací absorpce: 1 – rozprašovací sušárna, 2 – elektrofiltr, 3 – zásobník CaO, 4 – hašení vápna, 5 – mísicí nádrž, 6 – nástřik. nádrž, 7 – zásobník produktu

Vzhledem k nízké účinnosti odsíření (max. kolem 80 %) jsou již dnes z hlediska legislativních požadavků uvedené suché metody nevyhovující. Důležitou roli rovněž sehrává nevyřešené využití produktu odsíření. Toto je zvlášť palčivé u rozprašovací absorpce, kde je využití směsi síranu a siřičitanu vápenatého, vápna a popílku zvláště problematické, i když účinnost odsíření je poměrně vysoká. Uvedené výhrady se ovšem netýkají fluidního spalování s přídavkem vápence, které je perspektivní, a počet zařízení neustále roste. Skupina ČEZ, a.s. např. v současné době provozuje devět fluidních kotlů – viz dále tabulka 8.2 [10]. Katalytické metody Katalytické metody by bylo možno zařadit mezi suché metody odsíření, ale pro svoji specifiku jsou zařazeny raději odděleně. Jedná se o následující metody [4]: 1. Metoda Cat-ox. 2. Proces Kyioura. 3. Proces Chiyoda. 4. Metoda Haldor-Topsøe. Společným znakem těchto metod je katalytická oxidace oxidu siřičitého na sírový a jeho následné odstranění ze spalin ve formě kyseliny sírové nebo síranu (vápenatého či amonného). Takto přesně pracují procesy Cat-ox a Kyioura (obr. 8.9), kde dochází k oxidaci SO2 při teplotě 450 °C na vanadovém katalyzátoru. Horké, dokonale odprášené spaliny se z elektroodlučovače vedou přímo do katalytického reaktoru. Odtud se vedou do ekonomizéru a ohřívače vzduchu, za nímž mají teplotu 230 °C. Pak vstupují do absorbéru, kde se SO3 vypírá horkou kyselinou sírovou (proces Cat-ox), která se ze dna absorbéru odvádí, chladí a recirkuluje. Mlha kyseliny se zachycuje ve speciálním odlučovači, produkovaná H2SO4 má koncentraci až 85 %. Spaliny odcházejí s teplotou kolem 100 °C. U procesu Kyioura se po ochlazení na 240 °C přivádí amoniak, který s plynným SO3 a mlhou kyseliny sírové vytváří síran amonný, jenž se odlučuje v elektroodlučovači.

134


Obr. 8.9 Schéma procesu Cat-ox: 1 – elektrofiltr, 2 – katalytický reaktor, 3 – ekonomizér, 4 – regavo (ohřívač vzduchu), 5 - absorbér

Výhodou obou metod (Cat-ox i Kyioura) je poměrná jednoduchost zařízení a nižší provozní náklady při účinnosti odsíření kolem 90 %. Nevýhodou je vysoká náročnost na materiály a zejména nutnost dokonalého odprášení spalin, poněvadž popílek má negativní vliv na životnost katalyzátoru. U procesu Kyioura je problematické uplatnění síranu amonného. U procesu Chiyoda se spaliny nejprve ochladí vodou za současného odloučení popílku. V dalším stupni se vypírá oxid siřičitý zředěnou kyselinou sírovou. Vzniklý roztok kyseliny siřičité se oxiduje vzduchem v kapalné fázi na železném katalyzátoru na kyselinu sírovou, která se neutralizuje vápencem na sádrovec. Jedná se o proces s vysokou účinností odsíření (97 %), technologie je jednoduchá. Nevýhodou je omezená životnost katalyzátoru při spalování uhlí, náročnost na materiály a potřeba čistého vápence. Metoda Haldor-Topsøe využívá klasické katalytické oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový. Rozdíl je v dalším zpracování, které je založeno na speciálním režimu chlazení (teplota leží mezi rosným bodem vody a kyseliny sírové). Metoda je poměrně jednoduchá, umožňuje získávat koncentrovanou kyselinu sírovou (94%). Potíže mohou působit pouze vysoké nároky na materiál. Metody mokré [4] 1. Vápno - vápencové metody (např. proces Saarberg - Hölter - Lurgi), 2. Magnezitová metoda, 3. Metoda Wellman – Lord, 4. Proces Walther. V průběhu vývoje bylo navrženo množství různých způsobů desulfurizace spalin, z nichž převážnou část lze zařadit do skupiny metod mokrých. Mokré vápno-vápencové metody představující další vývojový stupeň aditivní metody. Celá technologie prošla složitým vývojem, který se rozdělil do dvou směrů podle praktické potřeby dvou hlavních protagonistů tohoto vývoje - Spojených států a Japonska. Zatímco v Japonsku, které má nedostatek přírodního sádrovce, byl vývoj veden směrem k získání technicky využitelného sádrovce jako produktu odsíření, ve Spojených státech byla preferována technologie produkující odpadní kal, tj. směs siřičitanu a síranu vápenatého a nezreagovaného CaO. Tento kal byl po předchozím odstranění ve vodě rozpustných látek deponován. Problémy s touto tzv. fixací kalu nakonec vedly ke sjednocení obou trendů, tj. k produkci sádrovce. Samotná metoda spočívá v absorpci SO2 v suspenzi vápence (CaCO3) nebo vápna (CaO). Odpadním produktem je zmíněný síran vápenatý dihydrát (energosádrovec). Účinnost odsíření u dnes používaných zařízení se pohybuje od 94 % [10]. 135


Jednotlivé vápno-vápencové metody se od sebe liší většinou pouze v detailech aditivem (používá se při oxidaci siřičitanu na síran - používají se aditiva anorganická a organická), způsobem vedení plynu a kapaliny v absorbéru, způsobem dělení síranu a siřičitanu, způsobem odvodňování sádrovce a pod. Jako příklad vápencové metody je možno uvést proces Saarberg - Hölter - Lurgi (obr. 8.10). Charakteristickými rysy tohoto procesu jsou použití kyseliny mravenčí jako aditiva a speciální konstrukce absorbéru, spočívající v kombinaci souproudé a protiproudé absorpce.

Obr. 8.10 Schéma procesu Saarberg – Hölter – Lurgi: 1 – elektrofiltr, 2 – absorbér, 3 – regenerační výměník (spaliny - spaliny), 4 –filtrace a zpracování sádrovce, 5 – příprava roztoku,

Jako surovina se v současné době používá prakticky výhradně vápenec, který proti vápnu kromě ceny má ještě výhodu v nižším pH roztoku. Při použití vápna má totiž prací roztok pH kolem 7,5 a to vede ke srážení siřičitanu a špatné oxidaci na síran. Vápenec se používá jemně mletý (90 % pod 60 μm), mele se za mokra v kulových mlýnech. Jeho spotřeba je většinou jen nepatrně vyšší než odpovídá stechiometrii (1,03 až 1,07). Kromě vápence se spotřebovává část aditiva, které se ztrácí z části pracího roztoku, odtahovaného s krystaly sádrovce. U jednotky 200 MWe se např. počítá s úbytkem cca 60 kg kyseliny mravenčí (HCOOH) za hodinu - proces SHL. Procesní voda se spotřebovává především při odparu roztoku v absorbéru, část odchází s odtahovanými krystaly jako voda volná a krystalická. Pro jednotku 200 MWe se počítá 70 m3/h i více. Produkovaný sádrovec (síran vápenatý dihydrát) se nejprve zbaví větší části roztoku v usazováku nebo nověji v hydrocyklónu, odkud se přivádí na vakuový filtr nebo do odstředivek. Zde se ještě promyje vodou na zbytkový obsah chloridů pod 100 mg/kg a konečně dosuší na obsah volné vody ve výši cca 10 %. Konečný produkt se jako tzv. energosádrovec dále suší, případně briketuje. Většina elektrárenských bloků, provozovaných Skupinou ČEZ, a.s., je dnes odsiřována mokrou vápno-vápencovou metodou (viz tabulka 8.2 [10]). Dále jsou provozovány fluidní kotle a pouze dva práškové kotle po 110 MWe jsou odsiřovány polosuchou metodou (rozprašovací absorpce), přičemž se připravuje výměna této technologie za vápnovápencovou metodu. Během deseti let, od roku 1993 do roku 2003, došlo po výstavbě a uvedení odsíření na všech elektrárnách Skupiny ČEZ, a.s. ke snížení emisí oxidu siřičitého z původního množství 719 149 tun na 58 346 tun (z 2,3281 kg SO2/GJ na 0,1886 kg SO2/GJ) 136


[10]. Tab. 8.2 Instalovaná odsíření kouřových plynů z kotlů Skupiny ČEZ

Magnezitová metoda představuje na rozdíl od vápno-vápencových metod ve své základní variantě proces regenerativní. Principem je absorpce oxidu siřičitého do suspenze oxidu hořečnatého (MgO). Při regeneraci se krystaly siřičitanu hořečnatého tepelně rozkládají na oxid hořečnatý, který se vrací do procesu, nebo na elementární síru. Rozklad se provádí při teplotách nad 800 °C v redukční atmosféře, ve které se oxidací siřičitanu vzniklý síran hořečnatý redukuje rovněž na SO2 a MgO. Nevýhodou metody je potřeba velmi kvalitního magnezitu a velká energetická náročnost. Jako výhodu lze uvést spolehlivost, účinnost odsíření přes 90 % a bezodpadovost. Přestože bylo ve světě realizováno několik úspěšně pracujících jednotek, a proces má, resp. mělo ve svém výrobním programu několik světových firem, nenašel tento proces příliš široké uplatnění v energetice. Výjimku představuje čištění menších objemů sirnatých spalin, vznikajících např. při zpracování ropy s vyšším obsahem síry. Rozdíly mezi technologiemi jednotlivých firem byly vcelku zanedbatelné a lze je rozdělit do dvou skupin - proces GESI (General Engineers Environmental Services) a UEaC (United Engineers and Constructors). Liší se kromě detailů hlavně v různém způsobu provedení kalcinace (ve fluidní nebo rotační peci). Přibližně na principu UEaC byl projektován i způsob NIIOGAZ, který byl podle dokumentace z bývalého SSSR postaven pro jednotku 200 MWe v naší elektrárně Tušimice II. Pro různé provozní problémy a nedokonalost technických řešení se však toto zařízení nepodařilo uvést plně do provozu. Následně bylo ve studené rezervě a poté demontováno. Odsiřovací zařízení na tomto principu se pro energetické účely již mnoho let nestaví (viz též výše). Princip metody Wellman - Lord je velmi jednoduchý a lze jej popsat rovnicí: SO2 + H2O + Na2SO3 « 2 NaHSO3 Reakce je zvratná a za vyšší teploty probíhá opačným směrem, což je principem 137


regenerace pracího roztoku, která se provádí v odparce, z níž odchází SO 2 o koncentraci 80 až 90 % a krystalický siřičitan sodný. Nežádoucí vedlejší reakcí je oxidace na síran, který je nutno z roztoku získávat krystalizací a vzniklé ztráty sodného iontu krýt přídavkem hydroxidu sodného nebo sody. Podstatou procesu Walther je mokrá amoniakální vypírka, jejímž produktem je síran amonný. Produkt odsíření sestává převážně ze síranu amonného, malého množství dusičnanu a dalších amonných solí. V určitém období se uvažovalo o použití tohoto produktu jako méně hodnotného hnojiva, což je dnes z hlediska environmentální legislativy nepřijatelné. Realizace čpavkových metod v masovém měřítku by měla za následek produkci takového množství síranu amonného, pro které by nebylo možno nalézt uplatnění. V poslední době získala tato metoda poněkud na významu v souvislosti s jejím doplněním o denitrifikační stupeň.

8.1.5.2 Denitrifikace Zatímco emise oxidů síry jsou již po dlouhou dobu přísně sledovány, a technická řešení jejich omezování dosáhla vysoký stupeň dokonalosti, emise oxidů dusíku stály dlouho na okraji zájmu. Teprve s odhalením jejich škodlivosti (je srovnatelná, ale spíše vyšší než u oxidů síry) došlo k intenzívnímu výzkumu mechanismu jejich tvorby a možností snižování jejich emisí. Při spalovacích pochodech se tvoří oxidy dusíku v zásadě třemi základními mechanismy [4]: ¨ ¨ ¨

oxidací dusíku ze spalovacího vzduchu za vysoké teploty (tzv. vysokoteplotní NOx), oxidací chemicky vázaného dusíku v palivu (tzv. palivové NOx), z chemicky vázaného dusíku radikálovými reakcemi na rozhraní plamene (tzv. promptní NOx).

Při všech těchto mechanismech vzniká oxid dusnatý (NO), který pak při přítomnosti kyslíku dále oxiduje na NO 2. Rychlost této oxidace je úměrná koncentraci NO a při relativně nízkých koncentracích ve spalinách je velmi pomalá, takže na celkovém obsahu NOx ve spalinách se NO2 podílí nejvýše 10 %. Vysokoteplotní NOx závisí hlavně na teplotě a dále na koncentraci kyslíku a době zdržení v horké zóně. Z tohoto poznání vyplývají také základní směry omezování tvorby NOx během spalovacího procesu: ¨ ¨ ¨

snížení teploty hoření, snížení lokální koncentrace kyslíku, zkrácení doby zdržení v pásmu vysoké teploty.

Palivové NOx vznikají oxidací dusíku chemicky vázaného v palivu. Procento nezreagovaného dusíku roste s rostoucím obsahem dusíku v palivu a při spalování uhlí se pohybuje mezi 10 až 25 %. Promptní NOx představují vlastně jen určitou formu NOx palivových, tvoří se radikálovými reakcemi na okraji plamene a jejich podíl na celkovém obsahu NOx je zanedbatelný. Pokud jde o spalování kapalných paliv, pro tvorbu vysokoteplotních NOx platí stejné závěry. Palivové NOx se projevují výrazněji pouze u těžších frakcí (TTO nebo mazut), kde se dusíkaté sloučeniny vyskytují ve větší míře. Při spalování plynu vzhledem k úplné absenci 138


dusíkatých sloučenin se celý problém redukuje na tvorbu vysokoteplotních NOx. Snižování emisí NOx úpravou spalovacího procesu (tzv. primární opatření) Tato opatření vycházejí plně z výše uvedených poznatků o mechanismu tvorby NOx. Ve světle těchto zkušeností je zřejmé, že na tvorbu NOx má vliv již samotný typ spalovacího zařízení a způsob jeho provozování, dále pak některá následná opatření, která jsou významná zejména u stávajících zařízení [4]. Vždy platí, že tato primární opatření ke snížení NOx jsou podstatně levnější než následná denitrifikace spalin (sekundární opatření). Proto byla primární opatření uplatněna v 90. letech v rámci naší energetiky. Jak již bylo uvedeno, je pro tvorbu NOx významný již samotný typ topeniště, jeho konstrukce a stav. Podle klesajících emisí NOx lze uhelné kotle seřadit takto (jedná se o zařízení bez použití denitrifikačních metod): · · · ·

výtavné (1 600 až 2 800 mg/m3), granulační se stěnovými hořáky (1 000 až 1 700 mg/m3), granulační s tangenciálními hořáky (800 až 1 200 mg/m3), fluidní (do 800 mg/m3, ale většinou se jedná o mnohem nižší hodnoty).

Rozhodující vliv u těchto topenišť má teplota hoření, která je nejvyšší u výtavných kotlů, a rychlost uvolňování tepla v zóně hoření, která je nejnižší u fluidních kotlů. V případě spalování s nízkým přebytkem vzduchu (dosáhne se snížení teploty plamene) a při snížení předehřevu spalovaného vzduchu jde o nenáročné zásahy nevyžadující žádné úpravy na zařízení. Efekty těchto zásahů nejsou příliš velké a provází je nevýhody, jako snížení tepelné účinnosti, ztráty nedopalem či problémy hoření. Navíc u velkých elektrárenských kotlů, které mají spalovací poměr optimalizován, nejdou použít vůbec. Tyto problémy nejsou tak významné při spalování plynu, pro které je tento způsob vhodnější. Nestechiometrické spalování představuje dávkování spalovaného vzduchu ve dvou úrovních. V první fázi proběhne spalování za nedostatku vzduchu, a tudíž při nízké teplotě, v druhé fázi se zbytek paliva a zplodiny nedokonalého spalování spálí v relativním přebytku vzduchu. Dá se říci, že tento způsob je podstatou speciálních hořáků na nízký obsah NOx, a lze jej s určitými úpravami realizovat na mnoha stávajících zařízeních (pokud tak již nebylo učiněno). Denitrifikační metody (sekundární opatření) Tyto metody lze rozdělit opět na suché (včetně metod katalytických) a na metody mokré. Suché denitrifikační metody: 1. Selektivní katalytická redukce (SCR), 2. Selektivní nekatalytická redukce, 3. Redukce NOx na aktivním koksu, 4. Radiační metoda. 5. Proces NOx out. Ze všech uvedených suchých denitrifikačních metod je nejrozšířenější selektivní katalytická redukce (SCR). Princip této metody spočívá v reakci NOx s plynným čpavkem, který je k tomuto účelu do spalin dávkován, na dusík. Reakce probíhá při teplotách nad 300 °C na katalyzátoru. Čpavek se přidává v malém přebytku proti stechiometrii. (Pozn.: 139


Metoda SCR se v miniaturizované podobě dnes používá také pro denitrifikaci spalin vznětových motorů u automobilů – viz dále kap. 9). Ostatní metody - selektivní nekatalytická redukce i mokré procesy - nejsou zatím schopné konkurovat. Význam však nabývají postupně procesy současného odstraňování síry a dusíku (už u normálních odsiřovacích procesů se předpokládá snížení emisí NOx o 30 %). Při aplikaci mokrých způsobů odstraňování NOx hraje důležitou roli rozdílný charakter obou oxidů. NO se chová jako inertní plyn, tzn. že nemá snahu přecházet do roztoku. Naproti tomu NO2 je reaktivní a ve vodě dobře rozpustný. Vzhledem k výrazně převyšujícímu podílu NO ve spalinách je proto nutné použít takové postupy, při nichž je NO převeden na NO2, nebo kde se využívá schopnosti NO vytvářet komplexní soli. Přehled mokrých denitrifikačních metod: 1. Proces Saarberg - Hölter – Lurgi, 2. Kombinovaný způsob Walther, 3. Proces Chiyoda 102 Thoroughbred, 4. Proces CIBA - Geigy. Závěrem je nutno konstatovat, že ve smyslu environmentálních požadavků je třeba vyžadovat zejména co nejvyšší účinnost příslušné metody. Dále zde hraje důležitou roli nezávadnost odpadních produktů, včetně odpadní vody. Jinak bychom totiž přenesli otázku znečišťování z ovzduší do půdy a vody, což je nepřípustné. Významnou roli hraje také otázka uplatnění produktů.

8.1.5.3 Redukce oxidu uhličitého Redukce významného skleníkového plynu CO2 v oblasti energetiky spočívá především ve zvyšování tepelné účinnosti energetických procesů. V zemích OECD pracují uhelné tepelné elektrárny s účinností cca 38 % [8]. Nové nadkritické, resp. superkritické tepelné elektrárny (pracují s nadkritickou teplotou a nadkritickým tlakem páry - nad 22,1 MPa) dosahují tepelné účinnosti 43 až 45 %. Ultrasuperkritické (ultrakritické) mohou dosáhnout účinnosti i více než 50 %. Ve světě pracuje přes 400 superkritických (nadkritických) tepelných elektráren [9].

8.2 Jaderná energetika Celkový instalovaný výkon jaderných elektráren činil k 31.12.2006 v České republice 3 760 MWe, což je 21,5 % z celkového instalovaného výkonu u nás (17 508 MWe) [6]. Nicméně podíl elektřiny vyrobené v jaderných elektrárnách činil v roce 2006 cca 30,9 % (26 047 mil. kWh) [6]. Z uvedených údajů je zřejmé, že jaderná energetika hraje v České republice ve výrobě elektrické energie významnou roli.

8.2.1 Jaderná elektrárna Ve světě pracuje cca 440 jaderných energetických bloků. V České republice pracují 4 tlakovodní reaktory typu VVER - 440 v Dukovanech a dva bloky typu VVER - 1000 v Temelíně.

140


Jaderná elektrárna se skládá z hlavního výrobního bloku, chladicích věží a dalších pomocných provozů (čisticí stanice chladicí vody, hospodářství s čerstvým a vyhořelým palivem, dieselagregát atd.). Hlavní výrobní blok v sobě ukrývá primární a sekundární okruh (obr. 8.11) [12].

Obr. 8.11 Hlavní výrobní blok jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem (JE Temelín): 1 – reaktor, 2 – hlavní cirkulační čerpadlo, 3 – parogenerátor, 4 – kompenzátor, 5 – separátor – přihřívák, 6 – vysokotlaký díl turbíny, 7 – nízkotlaký díl turbíny, 8 – kondenzátor, 9 – čerpadlo kondenzátu, 10 – regenerace, 11 – napájecí čerpadlo, 12 – elektrický generátor, 13 – transformátor, 14 – chladicí věž, 15 – čerpací stanice, 16 – ochranná obálka (kontejnment)

Primární okruh je u jaderných elektráren s tlakovodními reaktory (PWR pressurized water reactors) zpravidla celý uložen v ochranné obálce - kontejnmentu z předpjatého betonu. Skládá se z vlastního reaktoru, bazénu vyhořelého paliva, kompenzátoru objemu, parogenerátorů a hlavních cirkulačních čerpadel (obr. 8.12). V parogenerátoru se pomocí chladicí vody primárního chladicího okruhu ohřívá voda sekundárního okruhu a mění se na páru (obr. 8.13).

141


Obr. 8.12 Uspořádání primárního okruhu se dvěma parogenerátory: 1 – tlaková nádoba reaktoru, 2 – parogenerátor I, 3 – oběhové čerpadlo I, 4 – tlaková nádrž, 5 – parogenerátor II, 6 – oběhové čerpadlo II, 7 – tlakovodní potrubí, 8 – přívod napájecí vody, 9 – výstup páry [2]

Obr. 8.13 Parogenerátor pro jadernou elektrárnu s tlakovodním reaktorem: 1 – přívod tlakové vody z reaktoru, 2 - odvod tlakové vody do reaktoru, 3 – odstředivé odlučovače vlhkosti, 4 – žaluziové odlučovače vlhkosti, 5 – výstup páry [2]

Sekundární okruh vede páru z parogenerátoru do turbíny, která pohání elektrický generátor. Pára odcházející z turbíny se chladí v kondenzátorech prostřednictvím třetího chladicího okruhu. Elektrické napětí je vyvedeno od generátoru přes transformátor do elektrické přenosové sítě (obr. 8.11). Chladicí voda z kondenzátorů se vede do chladicích věží, kde se z výšky asi 15 m rozstřikuje a chladí protitahem proudícího vzduchu. 142


8.2.1.1 Jaderné reaktory Existuje mnoho různých typů jaderných reaktorů. Nejrozšířenějším typem jsou tlakovodní reaktory (PWR - pressurized water reactors), které představují 2/3 všech jaderných reaktorů na světě. Tyto reaktory pracují také v jaderné elektrárně Dukovany a Temelín. Přehled hlavních typů jaderných reaktorů: 1. Lehkovodní reaktory (LWR) – obr. 8.14:

- tlakovodní reaktory (PWR), - varné reaktory (BWR),

2. Těžkovodní reaktory (HWR), 3. Vysokoteplotní plynem chlazené a grafitem moderované reaktory (HTGR) – obr. 8.15, 4. Grafitem moderované a lehkou vodou chlazené varné reaktory (LWGR) - (např. RBMK – 1000), 5. Rychlé množivé reaktory (FBR) – obr. 8.16. Tepelná účinnost jaderných elektráren s různými typy reaktorů je uvedena v tabulce 8.3. Tab. 8.3 Tepelná účinnost elektráren s různými reaktory Typ reaktoru Těžkovodní reaktor Lehkovodní reaktor Rychlý množivý reaktor chlazený sodíkem nebo heliem Vysokoteplotní reaktor

Tepelná účinnost [%] 29 32 ÷ 34 42 ÷ 44 39 ÷ 41

Lehkovodní reaktory (LWR): Do této skupiny jaderných energetických reaktorů se zahrnují reaktory používající obyčejnou lehkou vodu (upravenou však pro energetické účely – viz výše kap. 8.1.2.4) ve funkcích moderátoru a chladiva. Podle konstrukce, režimu provozu a parametrů chladiva se tyto reaktory dělí na: l l

tlakovodní (Pressurized Water Reactors - PWR), kde je chladivo pod tak velkým tlakem, že se v prostoru ativní zóny reaktoru pára tvořit nemůže, varné (Boiling Water Reactors - BWR), kde dochází k tvorbě páry přímo při průchodu páry aktivní zónou reaktoru. Parogenerátory zde nejsou používány, nicméně bezpečnost reaktoru je nutně nižší (pára pohánějící turbínu prochází přímo aktivní zónou reaktoru).

Schematické znázornění tlakovodního a varného lehkovodního reaktoru je uvedeno na obrázku 8.15.

143


Obr. 8.14 Lehkovodní reaktory (LWR): a – tlakovodní reaktor s parní turbínou v sekundárním okruhu, b – varný reaktor s přímým parním okruhem (parogenerátor odpadá), 1 – parogenerátor, 2 – přihřívák páry [2]

Popišme si dále tlakovodní reaktor (PWR), který je používán v jaderné elektrárně Temelín (jedná se o modifikovaný reaktor VVER - 1000). Palivem je oxid uraničitý (UO2) ve formě tabletek seřazených do palivových proutků. Proutky tvořené zavařenými trubkami ze zirkoniové slitiny tvoří palivovou kazetu. Vsázka paliva v reaktoru má hmotnost cca 92 tuny a jednou ročně se vymění asi 1/4 až 1/3 vyhořelého paliva za čerstvé. V palivu dochází ke štěpné reakci. Jádra atomu uranu se štěpí pomalým neutronem na dvě lehčí jádra a dva nebo tři další neutrony. Štěpné úlomky odlétají velkou rychlostí a díky jejich kinetické energii se ohřívá chladivo. Vylétající neutrony jsou rychlé, a proto aby mohly rozštěpit další jádra uranu, musí být zpomaleny tzv. moderátorem, což je voda. Průběh štěpné reakce se řídí tzv. regulačními tyčemi. Tyče obsahují látku, která pohlcuje neutrony, tzv. absorbátor (bór, kadmium). Pomocí zasouvání a vysouvání tyčí se řídí počet volných neutronů, které se účastní dalších štěpných reakcí. Řetězová štěpná reakce se tak dá zpomalit, nebo úplně zastavit. Chladivem i moderátorem zároveň je u tlakovodních reaktorů obyčejná, lehká voda (upravená pro energetické účely – demineralizovaná voda). Je udržována pod tlakem cca 15,7 MPa a její teplota při výstupu z reaktoru se pohybuje kolem 320 °C. Reaktor je tvořen tlakovou nádobou se silnými stěnami (200 mm) z nerezové oceli. Má hmotnost 800 tun a rozměry: výška 10,9 m, průměr 4,5 m. I s nadstavbou, kterou tvoří regulační tyče a jejich pohony, je celý reaktor vysoký asi 20 m. Aktivní zóna, v níž jsou umístěny palivové kazety, má výšku 3 m a průměr 3,5 m.

Obr. 8.15 Reaktor chlazený CO2 s parní turbínou v sekundárním okruhu (HTGR): 1 – parogenerátor, 2 – přihřívák páry [2]

144


Obr. 8.16 Rychlý množivý reaktor chlazený sodíkem se sodíkovým sekundárním okruhem a s parní turbínou v terciárním okruhu (FBR): 1 – parogenerátor, 2 – přihřívák páry [2]

8.2.1.2 Jaderný palivový cyklus Uran se těží buď v hlubinných nebo povrchových dolech klasickou technikou, nebo chemicky tak, že se vyluhuje z hornin kyselinou. V chemických úpravnách se ruda rozemele a třídí, louží se kyselinou. Extrahované sloučeniny uranu se srážejí a suší. Vzniká uranový koncentrát U3O8 s obsahem přírodního uranu alespoň 65 %, kterému se pro intenzivní žlutou barvu říká žlutý koláč. Následuje rafinace a obohacování uranu izotopem 235U, aby se jeho obsah zvýšil z přírodních 0,7 % na 2,5 % až 4 % (pro tlakovodní reaktory v JE Temelín je doporučeno obohacení 3,7 %). Obohacený uran ve formě oxidu uraničitého se lisuje do tablet. Tablety se spékají za vysokých teplot a vkládají se do trubek ze zirkoniové slitiny. Zavařením těchto trubek vznikají palivové proutky. Svazek takových palivových proutků tvoří palivovou kazetu. V reaktoru jaderné elektrárny probíhá v palivu řízená řetězová štěpná reakce. Palivo "vyhořívá" - spotřebovává se uran, uvolňuje se energie a vznikají štěpné produkty. Po vynětí z reaktoru odpočívá vyhořelé palivo několik let u reaktoru ve speciálním bazénu, kde ve vodě chladne a ztrácí část své radioaktivity. Pak se přesune do meziskladu. Zde odpočívá dalších několik desítek let. Některé země vyhořelé palivo přepracovávají a získávají tak z něho další palivo. Zbytky po přepracování se uloží jako odpad. Jiným způsobem likvidace vyhořelého paliva je jeho konečné uložení v tvrdých krystalických horninách nebo solných ložiscích hluboko pod zemí.

8.2.1.3 Hospodaření s vyhořelým palivem Jaderné palivo v aktivní zóně vyhořívá 3 až 4 roky. Každý rok se část nahradí novým palivem a méně vyhořelé palivo se přestěhuje do středu aktivní zóny, kde je vyhořívání intenzivnější. Při vyměňování paliva se odstraní víko reaktoru, nad reaktor se umístí speciální nadstavba a celý prostor se zaplní vodou, která slouží jako stínění proti záření. Speciálním zavážecím strojem se pak vyjmou vyhořelé palivové články a pod vodou přemístí do bazénu poblíž reaktoru. Zde vyhořelé palivo odpočívá několik let (zpravidla 4 ÷ 5 let, tuto dobu je možno výrazně prodloužit). Postupně chladne a ztrácí radioaktivitu. Po uplynutí této doby se vyhořelé palivo (stále pod vodou) přemístí do speciálních kontejnerů a ty se převezou do meziskladu. Mezisklady mohou být mokré (palivo je uloženo pod vodou, která ho chladí a stíní; je to podobné uspořádání, jaké je v bazénu vyhořelého 145


paliva u reaktoru), nebo suché (chladicím médiem je vzduch). Mezisklad může být nadzemní nebo podzemní, nebo mohou kontejnery stát na volném prostranství. V meziskladu odpočívá vyhořelé palivo asi 40 let. Z meziskladu lze palivo kdykoliv vyzvednout a odvézt, např. k přepracování nebo trvalému uložení. Novou metodou, jak naložit s vyhořelým palivem je technologie ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technology). Pomocí silného lineárního urychlovače se tříštivou reakcí vyrobí množství neutronů, kterými se pak štěpí jaderné zbytky v reaktoru. Přitom vzniknou bud' prvky s krátkým poločasem rozpadu, nebo dokonce prvky neradioaktivní. Zároveň se vyvíjí velké množství tepla, které lze využít opět pro výrobu elektřiny. Trvalá úložiště jsou připravována v hluboko položených podzemních prostorách určených speciálně k tomuto účelu, výjimečně v podzemních solných dolech (u nás nejsou k dispozici). Několikanásobné bezpečnostní bariéry brání styku vyhořelého paliva s okolním prostředím. Jsou to zejména obaly a schránky, v nichž je palivo umístěno, speciální těsnící materiály a zejména vlastnosti horniny, v níž je úložiště vybudováno.

8.2.2 Působení jaderné energetiky na životní prostředí Vliv jaderné elektrárny na životní prostředí je především spojen s bezpečností jejího provozu a s produkcí a následným nakládáním s různými druhy radioaktivních odpadů a vyhořelého jaderného paliva.

8.2.2.1 Radioaktivní odpady z palivového cyklu jaderných elektráren Typy vznikajících radioaktivních odpadů (RAO) u palivového cyklu jaderných elektráren jsou patrné z obrázku 3.18. V uranových rudách je uran v radioaktivní rovnováze s radionuklidy své rozpadové řady [5]. Pokud je ruda v původním stavu, jsou možnosti kontaminace životního prostředí velmi omezené a projevují se významněji jen existencí radioaktivních minerálních vod, které ovšem nejsou považovány za odpad. Hornickým zásahem do přirozené struktury ložiska dochází k uvolnění především části radonu, který jednak kontaminuje ovzduší (zejména přímo v dole), jednak je zdrojem tvorby radioaktivních povlaků, jejichž základem je radium D. Vytěžená hlušina, která samozřejmě obsahuje i jistý podílu uranu, však není zdrojem významných problémů. K výraznému narušení minerální struktury a tím i k uvolnění radioaktivních komponent rudy dochází až v dalším stadiu zpracování rudy, které probíhá zpravidla v tzv. chemických úpravnách. Uran je loužen z jemně rozemletých rud karbonátovými nebo kyselými roztoky. Většina radionuklidů zůstává v tzv. louženci, který je ukládán na odkalištích. Louženec má charakter vysloveně radioaktivního odpadu a tomu musí odpovídat lokalizace, konstrukce a pomocné vybavení odkališť jejich monitorovací a zabezpečovací systém. Také nebilanční vody musí být dekontaminovány. V současné době je riziko z těchto odpadů hodnocenou jako vyšší než riziko, jehož zdrojem jsou odpady z provozu jaderných elektráren. RAO z výroby palivových materiálů a jaderného paliva prakticky nemají význam (u nás se jaderné palivo nevyrábí). Odpady, pokud vznikají, jsou téměř beze zbytku recyklovány, takže příslušné technologie lze považovat za bezodpadové. Pokus se týká odpadů z provozu jaderných elektráren, pak zdrojem radioaktivní kontaminace těchto odpadu jsou dva. Prvním jsou nehermetičnosti palivových článků, které umožňují průnik produktů štěpení do aktivní 146


zóny reaktoru, ze které se pak dostávají nejprve do chladiva primárního okruhu a s ním pak i do dalších míst. Únikovými cestami jsou tzv. organizované úniky (záměrně odebírané části objemu chladiva, nutné pro regulaci obsahu bóru v chladivu), dále neorganizované úniky (různými netěsnostmi), dekontaminační roztoky, používané před revizemi a opravami, a konečně měniče iontů z ionexové smyčky primárního okruhu. Druhým zdrojem kontaminantů je vysoký neutronový tok v aktivní zóně, který je příčinou neutronové aktivace materiálů v této zóně. Vzniklé radionuklidy přecházejí zčásti do chladiva s ním pak i dále. Při dekontaminaci povrchů, kontaminovaných zejména při neorganizovaných únicích chladiva a také při zpracování vzorků chladiva, vznikají různé typy kapalných i pevných odpadů. Kapalné odpady jsou shromažďovány cestou samotného kanalizačního systému a před dočasným uskladňováním v nerezových nádržích zahušťovány na odparce. Koncentráty kapalných RAO jsou nejvýznamnějším typem RAO z provozu jaderných elektráren. Jejich základními makrokomponentami jsou soli kyseliny borité (z chladiva) a dusičnany (z elučních roztoků iontových stanic a z dekontaminačních roztoků); dále obsahují různé komponenty dekontaminačních roztoků (např. kyselinu citronovou). Roční produkce kapalného koncentrátu se např. v jaderné elektrárně Dukovany pohybuje kolem 150 m3 na jeden 440 MWe blok při středním obsahu solí 200 kg/m3, kyseliny borité 80 kg/m3 a měrné aktivitě pod 5.109 Bq/m3. Dalším typem odpadů, s nimiž se setkáváme při provozu jaderných elektráren, jsou plynné radioaktivní odpady, uvolňované jako plynné štěpné produkty; tyto jsou vedeny vzduchotechnickými systémy na tzv. zpožďovací kolony. Jsou to sorpční kolony, jejichž účelem je zpomalit průchod radioaktivních plynů tak, aby jejich radioaktivita poklesla pod povolenou aktivitu plynných výpustí. Účinnost těchto systémů je dostatečná a jejich životnost je delší než životnost elektrárny. Prochází jedině tritium, které je rovněž součástí plynných odpadů, ale jeho množství jsou tak malá, že dosahují jen zlomku povolených výpustí. Pro vyhořelé palivo není k dispozici okamžité racionální využití. Dříve nebo později se však bude muset zpracovat, protože obsahuje příliš cenné komponenty, zejména nevyužitý štěpný materiál a štěpný materiál sekundární. Palivo bude po přechodném uskladnění (viz výše), jehož účelem je nutný pokles radioaktivity k usnadnění manipulace, zřejmě odesíláno k přepracování do zahraničí. Je však nutné počítat s tím, že spolu se separovanými cennými složkami budou do ČR vraceny i zpracované (vitrifikované) odpady. Bude proto nutné postavit pro ně také trvalé úložiště.

8.2.2.2 Radioaktivní odpady z anomálních stavů a z likvidace jaderných elektráren U každé jaderné elektrárny nutno uvažovat se stavem, kdy dochází k její likvidaci. V tomto případě musí být provedeno množství dekontaminačních prací, většinou s použitím drastičtějších prostředků, než při běžném provozu elektrárny (tzv. tvrdá dekontaminace). I tak zůstane zúžené množství zejména kovového odpadu, který nelze dostatečně dekontaminovat a je nutné jej považovat za odpad radioaktivní [5]. Druhým typem situací, při nichž mohou vznikat RAO jiného složení, jiných aktivit a v jiných množstvích, než při normálním provozu jaderné elektrárny, jsou různé anomální provozní události. Jejich charakter je proměnný od drobných provozních poruch až po maximální projektovou havárii. S menšími poruchami musí každá jaderná elektrárna počítat; 147


RAO, které při nich vznikají, se svým charakterem obvykle příliš neliší od běžných provozních odpadů. Druhým extrémem, sice velmi málo pravděpodobným, ale povinně uvažovaným v projektu, je maximální projektová havárie. Byla by následkem úplné ztráty chladiva a projektový odhad množství a aktivity následně vzniklých RAO může být např. až 1 000 m3 kapalných RAO o solnosti řádu 10 kg/.m3 a měrné aktivitě, přesahující měrnou aktivitu koncentrátu z běžného provozu až o několik řádů. Elektrárna musí být vybavena i pro zneškodnění takových odpadů. Dlouhodobá strategie České republiky v oblasti odpadů z jaderné energetiky je formulována v dokumentu Koncepce nakládání s radioaktivními odpady a vyhořelým jaderným palivem (usnesení vlády č. 487 ze dne 15.5.2002). Vyhořelé jaderné palivo je v současné době skladováno v tzv. meziskladech (mezisklad vyhořelého jaderného paliva v jaderné elektrárně Dukovany a nová výstavba meziskladu probíhá v jaderné elektrárně Temelín). Dozor nad bezpečným ukládáním radioaktivního odpadu v souladu s požadavky na ochranu člověka a životního prostředí před nežádoucími vlivy těchto dopadů má Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO), která byla zřízena na základě atomového zákona. Atomový zákon č. 18/1997 Sb. upravuje legislativní podmínky týkající se jaderné energie a ionizujícího záření v oblasti radiační ochrany a v oblasti jaderné chemické a biologické ochrany vykonává Státní úřad pro jadernou bezpečnost (SÚJB).

8.3 Obnovitelné zdroje energie Úloha obnovitelných zdrojů (OZE) aktuálně vzrůstá. Podpora využití OZE je ustanovena zejména v zákonu č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektrické energie z OZE, a je prováděna především podporu výkupních cen elektrické energie z OZE, z dostupných údajů je patrné, že v posledních 10 letech nastal nejvyšší poměrný nárůst výroby elektřiny z OZE v kategorii využití biomasy (nárůst o 142 %) a u elektrické energie pocházející z vodních elektráren (o 43 %). Zvyšování podílu energie produkované z OZE je důležitým nástrojem minimalizace negativních vlivů energetiky na životní prostředí. V roce 2006 produkce elektrické energie i tepla z obnovitelných zdrojů energie vzrostla následovně: · ·

Hrubá výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů se podílela na tuzemské hrubé spotřebě elektřiny 4,9 %. Hrubá výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů se podílela na celkové tuzemské hrubé výrobě elektřiny 4,2 %.

Množství energie z OZE zaznamenalo v roce 2006 nárůst o 10%. Přitom výroba elektrické energie z OZE meziročně vzrostla o 12,3 % a dosáhla produkce 3,5 TWh. Hlavní oblastí využití OZE však zůstává výroba tepelné energie. Produkce tepelné energie z OZE vzrostla v roce 2006 o 3,3 % a dosáhla produkce 47 PJ. V současnosti jsou v České republice nejvyužívanějšími obnovitelnými zdroji energie (OZE) vodní energie a energie biomasy (zejména dřevní). Menší objem výroby elektřiny z OZE v roce 2003 byl způsoben poškozením většiny větších vodních elektráren povodní v srpnu 2002 a velkým suchem. Produkce elektřiny z větrných elektráren dosáhla v roce 2005 49 GWh s meziročním 148


zvýšením o 130 %. I přes zvýšení produkce avšak podíl větrné dosáhl v roce 2006 pouze 1,4 % na celkové produkce energie z OZE a 0,05 % na hrubé domácí spotřebě elektřiny. V roce 2005 pokryla výroba elektrické energie z OZE 4,5 % hrubé domácí spotřeby elektřiny v roce 2006 stoupl podíl na 4,9 %, což znamená oproti roku 2005 navýšení o 0,4 %. Využití obnovitelných zdrojů k výrobě elektrické energie se zvyšuje relativně pomalu. Indikativní cíl Státní energetické koncepce pro rok 2005, kdy bylo plánováno 5-6 % OZE na hrubé spotřebě elektřiny, naplněn nebyl. Česká republika se jako členský stát Evropské unie zavázela ke zvýšení výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Indikativní cíl jako závazek vůči EU byl stanoven ve výši 8 % podílu na hrubé spotřebě elektřiny v roce 2010. V roce 2005 byl přijat zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře využití výroby elektřiny z OZE. Ten vytváří pro využití OZE takové podmínky, které mají pro elektřinu vyrobenou z těchto zdrojů zajistit místo na trhu. Cena elektřiny by dle tohoto zákona měla být stanovena tak, aby se investice do dodaného obnovitelného zdroje, včetně přiměřeného zisku, do určité doby vrátily (15 roků). V podílu OZE na celkové spotřebě elektrické energie se Česká republika řadí mezi státy EU s nízkým podílem. Problémem je malá dostupnost potenciálu OZE v ČR, kde nejsou tak velké možnosti pro vodní elektrárny, jako např. v Norsku a Rakousku, a pro větrné elektrárny, jako např. v Německu. Ve využití biomasy je však potenciál srovnatelný s ostatními zeměmi střední Evropy. Největší podíl na výrobě tepelné energie z OZE má v ČR pevná biomasa, ostatní OZE se na výrobě tepla podílejí daleko menší měrou. Rozhodujícím faktorem při odhadu výroby tepla z OZE je spotřeba biomasy v domácnostech. Teplo vyrobené z biologicky rozložitelné části spalovaných komunálních odpadů (BRKO) se podílí 28 % na celkové výrobě tepla z OZE. Dosud velmi malý význam (cca 1,1 %) má výroba tepla z bioplynu. K získání energie je také možno využít spalování odpadů v zařízeních, která mají souhlas příslušného krajského úřadu k zneškodňování odpadu s využitím získané energie. V tomto případě se jedná o druhotný zdroj tepla.

8.3.1 Vodní elektrárny 8.3.1.1 Rozdělení vodních turbín Vodní turbíny jsou poháněny pohybovou energií vody. Voda protéká nejdříve pevnými rozváděcími kanály, v nichž se buď celá tlaková energie, nebo jen její určitá část, mění v energii pohybovou. Voda vytékající v jistém úhlu z rozváděcích kanálů vtéká do obráceně zakřivených oběžných kanálů, v nichž tlakem proudu na zakřivené lopatky působí točení oběžného kola [3]. Mění-li se celá tlaková energie vody v rozváděcích kanálech v energii pohybovou, vytéká z nich voda rychlostí c = Ö2gH za nulového hydrostatického přetlaku. Proto se při průtoku vody následujícími oběžnými kanály tlak vody nemění, takže tlak vody při výtoku z oběžného kola je stejný jako při vtoku. Proto tyto turbíny nazýváme rovnotlaké (příp. stejnotlaké). Rychlost vody proudící po lopatce (relativní) má stejnou velikost od vtoku do kola až k výtoku, neboť zde není přetlak, který by vodu urychloval. Relativní rychlost mění pouze směr, což je způsobeno zakřivením lopatky. Mění-li se v rozváděcích kanálech pouze část tlakové energie v pohybovou, má voda při výtoku z rozváděcích kanálů ještě zbývající tlakovou energii. Při průtoku následujícími oběžnými kanály se tato zbývající tlaková energie mění v pohybovou, takže hydrostatického 149


tlaku vody od vtoku do oběžných kanálů k výtoku ubývá; naopak relativní rychlost po lopatce se směrem k výtoku zvětšuje. Absolutní rychlost je v obou případech při výtoku z oběžného kola menší než při vtoku, neboť voda odevzdala svou energii oběžnému kolu. Poněvadž u těchto druhých turbín voda protéká oběžnými kanály za přetlaku, nazýváme je přetlakové. Rovnotlaké turbíny se označují také jako akční a přetlakové jako reakční. Kromě uvedeného zásadního rozdělení se rozlišují vodní turbíny též podle směru, kterým přitéká a odtéká voda z oběžného kola vzhledem k hřídeli turbíny, přičemž se však nepřihlíží k otáčení vody kolem hřídele. Protéká-li voda oběžným kolem rovnoběžně s osou hřídele, nazýváme turbínu axiální. Protéká-li voda kolmo ke hřídeli, nazýváme turbínu radiální. Mění-li voda směr proudění v prostoru oběžného kola z radiálního na axiální, nazýváme takovou turbínu radiaxiální. Radiální turbína může mít rozváděcí kolo buď vně kola oběžného, takže voda teče směrem dostředivým a turbínu nazýváme centripetální, resp. s vnějším vtokem nebo je rozváděcí kolo uvnitř oběžného kola, kdy mluvíme o turbíně centrifugální neboli s vnitřním vtokem. Voda může též protékat rozváděcím i oběžným kolem šikmým ke hřídeli; taková turbína se nazývá kuželová nebo diagonální. Na obr. je naznačena turbína tangenciální, u nichž voda na oběžné kolo přitéká jako volný paprsek ve směru tečny k oběžnému kolu.

Obr. 8.17 Turbíny radiální (a - c), radiaxiální (d – e - Francisovy), diagonální (f – Dériazova)

Pokud jde o polohu hřídele, mohou mít veškeré uvedené druhy turbín hřídel vodorovný nebo svislý. Vtéká-li voda do oběžného kola na celém obvodu, jde o turbínu s plným vtokem, vtéká-li jen na část obvodu, jde o turbínu s částečným vtokem neboli turbínu parciální. Částečný vtok se volí jen u rovnotlakých turbín; přetlakové turbíny by v tomto případě měly příliš špatnou účinnost.

150


Obr. 8.18 Turbína tangenciální (Peltonova)

Dnes se používají převážně jen turbíny těchto systémů: · · · · ·

Turbína Francisova (původně z roku 1849), což je radiální nebo radiaxiální turbína přetlaková, centripetální (obr. 8.17). Turbína Peltonova (z roku 1880), tangenciální stejnotlaká turbína parciální (obr. 8.18). Turbína propelerová a Kaplanova (z roku 1919), přetlaková axiální s radiálním rozvodným kolem, přičemž Kaplanova turbína má natáčivé oběžné lopatky (obr. 8.19). Turbína Dériazova (z roku 1955), diagonální, s natáčivými lopatkami oběžného kola. Méně rozšířené jsou turbíny Bánkiho, Reiffensteinova a Kviatkovského, hodící se jen pro malé výkony.

Obr. 8.19 Turbíny axiální (c - e - Kaplanovy)

151


8.3.1.2 Vztahy mezi spádem, průtokem, výkonem a účinností vodních turbín Klesne-li množství vody o hmotnosti 1 kg o H metrů tak, že dospěje do spodní polohy nulovou rychlostí, vyková přitom toto množství vody práci g [N] . H [m] = gH [J]. Protéká–li každou sekundu množství vody Q [m3/s], pak při výškovém rozdílu H [m] ve smyslu zemské tíže je za každou sekundu vykonána práce, neboli odevzdán výkon Pth [W]: Pth = ρgQH

[kg m2/s3],

kde ρ je měrná hmotnost vody [kg/m3], Q [m3/s] u turbín nazýváme krátce průtok a H [m] spád. Největší průtok, který je vůbec turbína schopna propustit, se nazývá hltnost. Tento výkon Pth, který nazýváme teoretický, neobdržíme z vodního motoru celý, protože přeměna hydraulické energie v mechanickou je spojena se ztrátami. Efektivní výkon na spojce motoru, který označíme Pef, bude menší než Pth, takže platí Pef = h Pth, kde h je koeficient < 1, nazývaný účinnost. Efektivní výkon pak bude: Pef = ρgQH . h, kde ρ = 1 000 kg m-3 a dělíme-li výraz 1 000, získáme Pth = ρgQH/1000

[kW].

Efektivní výkon pak je Pef = ρgQH . h/1000

[kW].

Účinnost h je celkovou účinností vodního motoru a pro turbínu je asi 0,8 až 0,9 podle druhu a velikosti stroje (větší turbíny mají větší účinnost) a mění se se zatížením.

8.3.1.3 Vliv vodních elektráren na životní prostředí Provoz vodních elektráren nemá zásadně negativní vliv na životní prostředí. U velkých vodních nádrží nicméně dochází k většímu výparu vody, což často vede ke klimatickým změnám v dané oblasti. Bezpečnost ryb a ostatních vodních živočichů lze ošetřit příslušnými technickými opatřeními. Jiná je již situace při budování velkých vodních děl. Umístění takovýchto staveb znamená velkoplošné zásahy do krajinného rázu, které jsou bohužel nevratné. V našich krajinných podmínkách je např. velmi těžké umístit i nové přečerpávací vodní elektrárny, které jsou jinak z energetického hlediska optimální. Je nutno si uvědomit, že stávající environmentální legislativa by největší pravděpodobností vůbec neumožnila např. výstavbu přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně, která znamenala závažný zásah do krajinného rázu přímo v Chráněné krajinné oblasti Jeseníky. Na druhé straně je velká škoda, že ani v posledních letech nebyly obnoveny všechny malé vodní elektrárny na našich řekách, které byly v minulosti úspěšně provozovány a posléze (nejčastěji po roce 1950) uzavřeny. Většinou je k dispozici stavební část (v různě 152


zachovalém stavu) a strojní vybavení chybí. Je však nutno zdůraznit, že stavební část malé vodní elektrárny většinou představuje 9/10 nákladů z celkového investičního nákladu na výstavbu malé vodní elektrárny. Obnova malých vodních elektráren pochopitelně nemůže v žádném případě zajistit rozhodující část výroby elektrické energie u nás, nicméně je to energie naprosto čistá, která může být při nízkých provozních nákladech dodávána po velmi dlouhou dobu.

Obr. 8.20 Řez vodní elektrárnou (1 – alternátor, 2 – Kaplanova turbína, 3 – závěsné ložisko na víku turbíny, 4 – česlice, 5 – čisticí stroj, 6 – stavidla, 7 – portálový jeřáb)

8.3.2 Větrné elektrárny 8.3.2.1 Technické řešení větrných elektráren Dále je popsána větrná elektrárna společnosti Vestas Wind Systems A/S, typ VESTAS V90-2.0 MW. Tyto elektrárny jsou produkovány ve velkém měřítku a v současnosti jsou stavěny jak v zemích Evropské unie, tak mimo ni (v USA, Mexiku, Austrálii atd.). Je nutno dodat, že větrné elektrárny ostatních výrobců se v základních parametrech výrazně neodlišují od strojů společnosti VESTAS, která nicméně patří k výrobcům s největšími zkušenostmi v oboru. Větrná elektrárna VESTAS V90-2.0 MW má délku lopatky rotoru 45 m (průměr rotoru je 90 m - viz obr. ) a je vybavena systémem OptiSpeed®. Pomocí tohoto systému může rotor pracovat s variabilním počtem otáček. Jde o pomaloběžný stroj s otáčkami v rozmezí 9 ÷ 153


14,9 ot./min. Zapínací rychlost větru je 2,5 m/s, nominální rychlost větru je 13 m/s (viz graf 8.1), vypínací (maximální) rychlost větru je 21 m/s. Po překročení této rychlosti dojde k automatickému zabrzdění a odstavení stroje. Graf 8.3 Výkonová křivka větrné elektrárny (VESTAS V90)

Větrná elektrárna je regulována nakláněním listů (pitch) návětrně od věže běžícím trojlistým rotorem s aktivním směrováním po větru. Je vybavena zařízením OptiTip®, zvláštním regulačním systémem naklápění firmy VESTAS. Pomocí zařízení OptiTip® jsou úhly nastavení listů rotoru stále regulovány, takže je úhel nastavení listů vždy optimálně přizpůsoben příslušným větrným podmínkám. Tímto je optimalizována výroba energie a minimalizován vývoj hluku. Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidové pryskyřice vyztužené skelným vláknem (laminát). Každý list rotoru se skládá ze dvou polovin, které jsou slepeny s nosným profilem. Zvláštní ocelové vložky k ukotvení spojují listy rotoru s ložiskem listu rotoru. V případě, kdy je to požadováno, může být dodána technologie s vyhřívanými listy rotoru. Mechanická energie je od rotoru přenášena hlavním hřídelem přes převod na generátor. Převodovka je kombinovaná s planetovým a čelním ozubením. Přenos výkonu z převodovky na generátor se uskutečňuje pomocí kompozitní spojky nevyžadující údržbu. Generátor je speciální čtyřpólový, asynchronní s vinutým rotorem. Brzdění větrné elektrárny je prováděno nastavením listů rotoru do praporu. Parkovací kotoučová brzda se nalézá na vysokorychlostním hřídeli převodu. Veškeré funkce větrné elektrárny jsou kontrolovány a řízeny řídicími jednotkami založenými na bázi mikroprocesorů. Tento systém řízení provozu je umístěn v gondole. Změny úhlu nastavení listů rotoru jsou aktivovány přes momentové rameno hydraulickým systémem, který umožňuje listům rotoru rotovat axiálně o 95°. Čtyři elektricky poháněné převodovky se starají o směrování po větru otáčením pastorků, které zasahují do zubů velkého otočného věnce, který je upevněn na vrcholu věže. Ložiskový systém směrování po větru je systém kluzného ložiska se zabudovanou frikcí a samosvornou funkcí. Kryt gondoly vyrobený z plastu vyztuženého skelným vláknem chrání veškeré komponenty uvnitř gondoly před deštěm, sněhem, prachem, slunečním zářením atd. Centrálně

154


umístěný otvor umožňuje ke gondole přístup z věže. Uvnitř gondoly je umístěn údržbový jeřáb. Kuželová ocelová trubková věž (tubus) je vysoká buď 105 metrů, nebo 80 metrů. Průměr pozemní příruby je 4,15 m, průměr vrcholové příruby pak 2,3 m. Je dodávána s povrchovou úpravou v zelenošedé barvě. Věž je zakotvena do základu ve formě železobetonové desky o průměru cca 16 m, výšky 1,9 m (na základové spáře v hloubce 3 m). Základ bude uložen pod terénem a překryt zeminou o mocnosti cca 1 metr. Celková hmotnost technologické části větrné elektrárny (bez základu) činí 331 tun (gondola 68 t, rotor 38 t, stožár 225 t). Větrná elektrárna je konstruována pro teploty okolí od -20 °C do +55 °C. Mimo této teplotní oblasti musí být provedeno speciální opatření. Vedle věže větrné elektrárny je umístěna kontejnerová betonová trafostanice (většinou se staví jedna trafostanice pro tři stroje). Transformátor je olejový, dvouvinuťový v kontejnerovém provedení. Převod je z 690 V na 34 kV, nominální výkon je 1,6 MVA. Někteří výrobci umisťují trafostanice přímo do věže větrné elektrárny.

8.3.2.2 Výpočet elektrického výkonu větrné elektrárny Výpočet je možno provést na základě známých vztahů pro výpočet větrného (Pvě) a následně elektrického (Pel) výkonu:

Pvě = kde

c3 .r .S 2

Pel = 0,30 ÷ 0,35 Pvě,

c …. rychlost větru (m/s), ρ …. měrná hmotnost vzduchu (kg/m3), S …. plocha rotoru (m2), d …. průměr rotoru (m).

8.3.2.3 Vliv větrných elektráren na životní prostředí Při posuzování vlivů záměrů z oblasti větrné energetiky na životní prostředí je nutno sledovat zejména následující faktory: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

hluk, vliv na krajinný ráz, vliv na tahové cesty a hnízdění ptáků, vliv na faunu, flóru a ekosystémy, stroboskopický efekt, vlivy na půdu a povrchové a podzemní vody, další vlivy. Hluk

V případě větrných elektráren je nutno se zaměřit na hluk technologický, jehož zdrojem je převodové ústrojí a vlastní generátor větrného motoru. V souvislosti s konstrukčními změnami by měl být v blízké budoucnosti hluk z převodových ústrojí značně 155


snížen, nicméně v současnosti je s ním nutno počítat. Hodnocení hluku je prováděno pomocí hlukové studie, která hodnotí hluk u nejbližší okolní zástavby. Někdy se stává, že není dodržena přípustná ekvivalentní hladina hluku v nejhlučnější hodině v noční době ve venkovním chráněném prostoru. V těchto případech je nutno omezit režim větrných elektráren z vyššího výkonu na výkon nižší, s čímž souvisí i snížení akustického výkonu (např. ze 109,4 dB na 102,0 dB). V některých případech je nutno ovšem přikročit i k vypínání některých strojů v noční době [13, 14]. Dopravní hluk, vznikající v době výstavby a provozu větrných elektráren, je časově omezen a je většinou méně významný. V období výstavby je nutno zabezpečit odvoz výkopové zeminy o objemu cca 770 m3 a dovoz betonu o objemu cca 490 m3 na jeden stroj a dovoz vlastního technologického zařízení [13, 14]. V období provozu se jedná pouze o jednu až dvě cesty dodávkového vozidla týdně. Vliv dopravního hluku a jeho změny v souvislosti s výstavbou a následně i provozem větrných elektráren se projeví hlavně v denní době v okolí příjezdové komunikace, po které bude doprava probíhat. Jelikož výpočtové body, ke kterým bývá proveden výpočet hluku ze stacionárních zdrojů, jsou často od této komunikace značně vzdáleny, je nutno změny hlukové situace popsat v hlukové studii změnou ekvivalentních hladin hluku v normované vzdálenosti od komunikací (např. 7,5 m od osy nejbližšího jízdního pruhu). Vliv na krajinný ráz Pojem krajinný ráz zavedl do praxe zákon č. 114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny. Krajinný ráz je v něm definován (§ 12) jako přírodní, kulturní a historická charakteristika určitého místa či oblasti. Krajinný ráz je chráněn před činností snižující jeho estetickou a přírodní hodnotu. Zásahy do krajinného rázu, zejména umisťování a povolování staveb, mohou být prováděny pouze s ohledem na zachování významných krajinných prvků, zvláště chráněných území, kulturních dominant krajiny, harmonického měřítka a vztahů v krajině. Pokud jde o vliv na krajinný ráz, lze v případě respektování opatření, která řeší zájmy ochrany zdraví před nepříznivými účinky hluku a zájmy ochrany přírody, vliv na krajinný ráz označit za dominantní aspekt související s posuzovaným typem záměru. Je nesporné, že realizace větrných elektráren představuje nepřehlédnutelný zásah do krajinného rázu. Z hlediska ochrany krajinného rázu je třeba především zjistit, zda-li zamýšlená stavba neleží na území přírodního parku. Ten ze zákona představuje jedno z nejcitlivějších území v ochraně krajinného rázu a stavba větrné elektrárny by na takovém místě neměla být realizována. Přírodní parky představují krajinu, v níž jsou soustředěny významné estetické a přírodní hodnoty a pro jejíž zachování byly zřízeny (dle § 12 odst. 3 zákona č. 114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny, ve znění pozdějších předpisů). Předmětem jejich ochrany je výhradně ochrana krajinného rázu. Za účelem posouzení vlivu na krajinný ráz je obvykle za pomocí počítačové animace zpracovávána vizualizace větrných elektráren, při které je využito fotografií stávající krajiny – viz obr. 8.21 a 8.22 [13, 14].

156


Obr. 8.21 Mapa fotovizualizovaných pohledů na větrné elektrárny

Obr. 8.22 Pohled na fotovizualizovanou větrnou elektrárnu (výřez P4 – viz obr. 8.20)

Místem krajinného rázu, dotčeného posuzovanými stavbami větrných elektráren (tedy plochy, ze kterých mohou být větrné elektrárny potenciálně vidět), je většinou rozsáhlá oblast. Za místo krajinného rázu, tedy území, které může být zkoumanou stavbou pohledově ovlivněno, je bráno z hlediska dálkových pohledů u okruhu silné viditelnosti 2 až 5 km a u okruhu zřetelné viditelnosti 10 km - dle MP č. 8/2005 (Metodický pokyn MŽP č. 8, částka 6, červen 2005). Z těchto kruhů jsou vyňaty plochy, které jsou zastíněny utvářením georeliéfu. Poměrně často je vyslovována otázka, zda by nebylo možné vyrobit stejný objem elektrické energie větrnými elektrárnami i při případném snížení jejich věží a zmenšení 157


průměrů rotorů, neboť takto by byl méně ohrožen krajinný ráz. Výpočty je možno provést na základě známých vztahů pro výpočet větrného (Pvě) a následně elektrického (Pel) výkonu (viz výše kap. 8.3.2.2). Z výsledků výpočtů však plyne, že při snížení výšky stožáru větrné elektrárny ze 100 metrů na 70 metrů (při rychlostech větru c = 8,5 m/s a c = 6,5 m/s) a při použití rotoru o průměru 90 metrů by elektrický výkon klesl ze 100 % (výška stožáru 100 m) na 45 % (výška 70 m). Při použití rotoru o průměru 50 metrů (místo 90 m) by elektrický výkon klesl na 31 % (výška stožáru 100 m), resp. na 14 % (70 m) – [13, 14]. Je tedy zřejmé, že při snížení výšky stojanu nebo při zmenšení průměru rotoru větrné elektrárny by došlo ke značné ztrátě na zisku elektrické energie, přičemž by se muselo vybudovat prakticky obdobné zařízení se všemi negativními dopady na životní prostředí (emise hluku, zábor půdy – základy zařízení, přístupové komunikace, energetická infrastruktura atd.) jako při realizaci zařízení větrné elektrárny o výšce stojanu 100 metrů a průměru rotoru 90 metrů. Přitom vliv na krajinný ráz by byl u menších zařízení v podstatě stejný, pouze by tato zařízení vypadala, jako by byla umístěna ve větší vzdálenosti od pozorovatele, než by tomu bylo u zařízení větších (vyšší výška stojanu a větší průměr rotoru). Vliv na tahové cesty a hnízdění ptáků, vliv na faunu, flóru a ekosystémy Z literatury není znám podstatný negativní vliv větrných elektráren na ptactvo. Z výsledků výzkumu vlivu větrných elektráren na avifaunu v Nizozemí (Winkelman, 1992) vyplývá, že nebyl zaznamenán prokazatelný vliv elektráren na hnízdící ptactvo a ptactvo přilétající do blízkosti elektráren za potravou. Z dlouhodobého pozorování 87.000 ptáků v blízkosti elektráren se ve většině případů (97 %) ptáci vyhnuli elektrárnám zcela, pouze zbytek volil průlet rotorem. Ten končívá většinou bez střetu s lopatkou, i když k zásahu dojde, nemusí nutně končit těžkým zraněním nebo smrtí ptáka. Existence tlakového pole před otáčející se lopatkou vytváří bariéru, která často ptáka odpudí. Zkušenosti z pozorování chování ptáků v blízkosti větrných elektráren jsou i z našeho území. Např. v Krušných horách v blízkosti obce Dlouhá Louka byl v letech 1993 a 1994 (Šťastný et al., 2000) proveden podrobný výzkum hnízdních společenstev ptáků ve třech nejvýznamnějších biotopech (v lese, na louce a v chatové osadě) před výstavbou větrné elektrárny a poté po její výstavbě. Výsledky prezentované ve studii jsou dokladem, že provoz větrné elektrárny významným způsobem neovlivňoval hnízdní společenstva ptáků. Možná rizika spojená s činností větrných elektráren (především kolize ptáků a netopýrů se zařízením) nejsou na základě podrobných průzkumů větší než ta, která jsou spojena s provozem jiných podobných staveb (vysoké věže, vodiče elektrického napětí, silnice apod.). Navíc lze dodat, že při použití vhodných technických řešení není důvod očekávat ve většině případů výraznější zhoršení stavu území navrhovaného pro stavbu větrných elektráren z hlediska zájmů ochrany přírody. Nicméně je vhodné, aby větrné elektrárny byly navrhovány mimo významné tahové cesty a hnízdiště ptáků. Tuto skutečnost je možno ověřit zpracováním studie, která zhodnotí vliv navrhovaných větrných elektráren na ptáky a další obratlovce. Stavby větrných elektráren bývají v drtivé většině případů situovány mimo skladebné části územního systému ekologické stability, mimo plochy s vyšším stupněm ekologické stability, resp. mimo lokality, kde se vyskytují přírodě blízké ekosystémy. Rovněž případný vliv na zvláště chráněná území a biotopy zvláště chráněných druhů živočichů bývá nevýznamný. Za účelem vyloučení nepříznivých vlivů na flóru a faunu je vhodné zpracovat biologické (floristické a faunistické) hodnocení dotčených lokalit. 158


Stroboskopický efekt Stroboskopický jev je děj, kdy otáčející se předměty osvětlované periodicky proměnným světlem se zdánlivě nepohybují. V případě provozu větrných elektráren se však jedná spíše o možný efekt světelných záblesků a zastiňování pohyblivým stínem za slunečního svitu. Světelné záblesky z listů rotoru je možno eliminovat matnou povrchovou úpravou listů rotoru (např. v šedé barvě). Pokud bychom uvažovali, že se rotor u dnes běžně používaných větrných elektráren pohybuje v rozsahu 8 až 17 otáček za minutu, pak by frekvence záblesků byla na úrovni cca 0,4 Hz až 0,9 Hz. Tedy na úrovni, jež je bezpečně mimo rozsah kmitočtu 5 až 30 Hz, při kterém by mohlo u senzitivních osob v blízkosti větrné elektrárny přicházet v úvahu riziko tzv. fotosenzitivní epilepsie. Zastiňování pohyblivým stínem může být v případě větrných elektráren reálně pozorováno při optimálních světelných podmínkách v rozsahu do cca 250 až 300 metrů od větrné elektrárny. Ve větších vzdálenostech je již prakticky zanedbatelné. Vzhledem k tomu, že většina posuzovaných větrných elektráren bývá lokalizována ve vzdálenosti nad 500 metrů od obytného území, jeví se tento jev jako nevýznamný. Vlivy na půdu a povrchové a podzemní vody Pro jednu větrnou elektrárnu se běžně počítá se záborem zemědělského půdního fondu v rozsahu 0,10 až 0,13 ha, z čehož vlastní zastavěná plocha pro stroj je v rozsahu cca 202 až 256 m2 [13, 14]. Většinou se jedná o půdy s převážně podprůměrnou produkční schopností, s jen omezenou ochranou. Po ukončení provozu větrných elektráren se ve většině případů předpokládá rekultivace pozemků pro event. zemědělské využití, u zpevněných příjezdů se často předpokládá jejich další využívání pro vjezdy na pozemky z přilehlých komunikací.

Literatura (kap. 8): [1] VOLAUFOVÁ, Lenka et al. Hospodářství a životní prostředí v České republice po roce 1989. Praha: CENIA, 2008. ISBN 978-80-85087-67-3. [2] ČERNÝ, Václav et al. Parní kotle a spalovací zařízení. Praha: SNTL, 1975. 528 s. [3] MAYER, Jiří et al. Energetické stroje. Praha: SNTL, 1969. 556 s. [4] LAPČÍK, Vladimír. Oceňování antropogenních vlivů na životní prostředí. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1996. 128 s. ISBN 80-7078-316-8. [5] HERČÍK, Miloslav, LAPČÍK, Vladimír, OBROUČKA, Karel. Ochrana životního prostředí pro inženýrské studium. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1994. 243 s. [6] Statistická ročenka životního prostředí České republiky 2007. Praha: Ministerstvo životního prostředí, 2007. 641 s. ISBN 80-7212-472-5. [7] VORÁČEK, Vladimír et al. Rukověť EIA. Praha: AD VITAM, 1993. [8] RYBÁR, Radim, KUDELAS, Dušan. Tradičné zdroje energie I. Košice: Fakulta BERG Technickej univerzity v Košiciach, 2007. 122 s. ISBN 978-80-8073-799-3. [9] The Coal Resource – A Comprehensive Overview of Coal. Richmond-upon-Thames: World Coal Institute, 2006. 159


[10] Odsiřování spalin v elektrárnách Skupiny ČEZ. Praha: TOP Partners, s.r.o., 2006. [11] DUCHOŇ, Bedřich, PECHA, Ivo, ŽENÍŠEK, Josef. Energetika. Skriptum VŠE v Praze. Praha: SPN, 1982. 303 s. [12] MYNÁŘ, Petr. Jaderná elektrárna Temelín, změny stavby. Dokumentace o hodnocení vlivů na životní prostředí. Brno: INVESTprojekt, s.r.o., 2000. 378 s. [13] LAPČÍK, Vladimír. Posuzování vlivů větrných elektráren na životní prostředí v České republice. In: Acta Montanistica Slovaca, ročník 13 (2008), číslo 3, s. 381 – 386. BERG, Technická univerzita Košice. Recenzovaný časopis. [14] LAPČÍK, Vladimír. Oznámení ve smyslu přílohy č. 3 k zákonu č. 100/2001 Sb., v platném znění, na záměr „Větrné elektrárny Potštát - Lipná“. Ostrava, říjen 2006. 75 s., 21 příloh, fotodokumentace (10). [15] UN–ECE Task Force Management on By-Products/Residues Containing Heavy Metals and/or Persistent Organic Pollutants. Status Report compiled by HACKL, A.E., SAMMER, G., WINTER, B. Wien: Umweltbundesamt, 2001. [16] www.cez.cz

160


9 Doprava Vliv dopravy na životní prostředí je určován zejména typem dopravních prostředků a dopravních cest; základními činiteli jsou [1]: ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨

vedení trasy komunikace a její uspořádání (intravilán, extravilán, průtah, obchvat, segregace tras dopravních systémů, nadzemní či podzemní vedení apod.), technický stav komunikací, způsob pohonu vozidel, způsob směrového vedení vozidla (kolejové, nekolejové), technický stav vozidel, způsob a technika řízení a organizace dopravy, disciplína účastníků dopravního procesu.

Porovnáme-li dopravu silniční, leteckou, železniční a vodní ve vztahu k životnímu prostředí, dojdeme k následujícím závěrům: Silniční doprava: Motory automobilů emitují především CO, NOx a CxHy (je udáváno až 160 i více uhlovodíkových škodlivin, z nichž většina se vyskytuje v miligramovém či ve stopovém množství; rozhodující škodlivinou je v případě silniční dopravy benzén, příp. benzo(a)pyrén). Přestože všechna moderní vozidla jsou vybavena katalyzátory, koncentrace výše uvedených škodlivin je zejména ve městech na rušných křižovatkách vysoká. Silniční doprava se podílí na tvorbě NOx v přízemní vrstvě z cca 60 %, což je obdobná hodnota jako ve všech vyspělých zemích naší planety. Rušné křižovatky měst vykazují rovněž vysokou intenzitu hluku, který je největším problémem rovněž ve všech zemích Evropské unie. Ohromné rozlohy dálnic, parkovišť a odstavných ploch ohřívají v teplých dnech nadměrně vzduch, napomáhají vzniku inverzních jevů, srážkovou vodu odvádějí ihned do řek. Jen mimoměstské komunikace u nás zabírají více než 100 tis. ha půdy. Silniční doprava trvale „obohacuje“ naše vody a půdu ropnými produkty, saponáty atd. Letecká dop rava: Jediné tryskové letadlo (dopravní) spotřebuje při přeletu Atlantiku průměrně 35 tun kyslíku. Složení emisí leteckých motorů je podobné emisím ze silniční dopravy. I když dochází k lepšímu spalování, v přepočtu na jednu osobu nejsou výsledky nijak povzbudivé. Zplodiny reaktivních motorů nadzvukových letadel reagují ve vysokých vrstvách atmosféry s ozónem. Částečky obsažené ve výfukových plynech jsou účinnými kondenzačními jádry. V místech s hustým leteckým provozem vzrostla oblačnost o více než 10 %. Letiště zabírají ohromné plochy zemědělské půdy. Na hlukových mapách jsou vyznačena nejtmavší barvou. Mamutí nádrže pohonných hmot umístěné pod zemí jsou velkou potenciální hrozbou pro půdu a vody, i když jejich současné zabezpečení je ve vyspělých zemích na vysoké úrovni. Železniční dop rava: Vztah železniční dopravy k životnímu prostředí lze charakterizovat v tom smyslu, že se jedná o ekologicky a energeticky velmi vhodný druh dopravy. Podle evropských statistik činí poměr spotřeby energie na železnici k silniční dopravě přibližně 1 : 6 a k letecké dopravě 1 : 17. Bylo vypočítáno, že na vybudování dálnice se spotřebuje 3 až 4krát více energie a materiálu než pro kapacitně odpovídající železnici. Po běžně vybavené středoevropské dvojkolejné trati lze při běžných dnešních rychlostech přepravit nejméně 20.000 cestujících za hodinu, přičemž dálnice o stejné kapacitě by musela být 132 m široká. Na druhé straně i železniční doprava svým provozem určité škody na životním prostředí stále způsobuje (jsou však 10 až 100krát nižší než škody, které by vznikly, kdyby současné přepravní výkony železnice převzala doprava silniční). 161


Vodní doprava: Vodní doprava patří mezi energeticky málo náročný druh dopravy. Dříve bylo udáváno, že při provozu jedné motorové lodi nebo vlečného člunu se dostane do vodního toku za jeden měsíc 100 až 200 litrů oleje. Tato hodnota se v posledních letech výrazně snížila, nicméně vždy je nutno s nějakými úkapy počítat. Vodní ekosystémy jsou rovněž postihovány napřimováním a regulací toků (zrychlení toku, kumulace vln), hlukem, výfukovými plyny, činností lodního šroubu atd. Říční doprava je poměrně náročná na infrastrukturu, loděnice, překladiště; ostatně i některé přístavy zabírají značné plochy. Z dosud uvedených skutečností plyne, že nejproblematičtějším druhem dopravy z hlediska dopadu na životní prostředí je doprava silniční, kde rozhodujícím hnacím agregátem je spalovací motor. Základní projevy negativního vlivu dopravy na životní prostředí lze shrnout na působení v oblasti: ð ð ð ð ð ð ð ð

hluku, vibrací a otřesů, exhalací a mikrolimatu, prašnosti, nehodovosti a úrazovosti, znečišťování vody, záboru zemědělské a lesní půdy a plošných nároků v urbanizovaném území, estetiky a psychických účinků.

9.1 Exhalace spalovacích motorů Výfukové plyny motorových vozidel obsahují téměř 164 (některé prameny udávají i větší počet) složek, a to jak anorganických, tak organických. Jsou to zejména (týká se starších vozidel bez katalyzátoru) [1]: - anorganické - oxidy uhlíku CO a CO2 - oxidy dusíku NOx, resp. NO2 - oxidy síry SOx - tetraethylolovo Pb(C2H5)4; - organické - alifatické, aromatické a heterocyklické uhlovodíky CxHy - aldehydy C-CHO, - fenoly, ketony a dehty - polycyklické aromatické uhlovodíky - saze (čistý uhlík) aj. Pozn.: Tetraethylolovo Pb(C2H5)4 se od roku 2001, kdy je distribuován pouze bezolovnatý benzín, v palivech pro motorová vozidla a následně ve výfukových plynech prakticky nevyskytuje. Obdobně v posledních letech významně poklesl obsah síry v motorové naftě. Působení těchto látek na živou přírodu je třeba hodnotit z hledisek: Ø Ø Ø

genetických, kde největší pozornost je věnována sloučeninám s mutagenními, případně i kancerogenními účinky (polycyklické uhlovodíky, oxidy dusíku ap.), toxických, vyvolávají-li látky otravy nebo i smrt (vdechování oxidu uhelnatého, oxidu usíku, srážení tělních bílkovin formaldehydem ap.), ekologických, které sledují abiotické faktory ve vztahu k motorové, zejména silniční dopravě. Zde představují velké nebezpečí nasycené uhlovodíky a oxidy dusíku. Pro svoji 162


lehkou reaktivnost se spolu s intenzivním slunečním zářením, klimatickými a geomorfologickými faktory podílejí na vzniku oxidačního (fotochemického) smogu. Působí i jako kondenzační jádra. Škodlivé látky ze silniční motorové dopravy působí na organismus buď přímo (jako CO) nebo nepřímo potravinovými řetězci (polycyklické uhlovodíky ap.). V řadě případů dochází k synergickému působení několika škodlivin, které svou účinnost vzájemně zvyšují nebo naopak omezují. Celkově lze říci, že množství exhalátů ze silniční dopravy je řádově 40krát vyšší nežli všech ostatních doprav dohromady.

9.2 Možnosti snižování emisí ze silniční dopravy Motorová vozidla vždy patřila k největším znečišťovatelům životního prostředí. V České republice došlo po roce 1989 ke značnému útlumu těžkého průmyslu a zároveň k odsíření tepelných elektráren, takže v letech 1987 až 1997 byly emise SO2 u těchto velkých zdrojů sníženy o 68 % a emise NO x o 50 %. Současně však velice vzrostl počet osobních i užitkových automobilů a po vstupu České republiky do Evropské unie vzrostla významně i tranzitní nákladní automobilová doprava přes naše území, takže se celkově zvýšil objem emisí škodlivých látek ze silniční dopravy. Je tedy nutno technickými opatřeními neustále snižovat emise spalovacích motorů [2].

9.2.1 Emisní limity pro spalovací motory Od začátku roku 1993 platil ve všech zemích Evropské unie předpis EU1, který platil od října 1993 také v České republice. Předpis EU1 vycházel z předpisu US-83 Federal, který vznikl ve Spojených státech amerických a platil také v Kanadě a v řadě dalších států. Předpis US-83 Federal uváděl limity emisí CxH y, CO a NO x [1] ve výfukových plynech (tab. 9.1) a limit úniku C xH y z celého vozidla. Součástí předpisu byla i metodika měření těchto emisí, která obsahuje křivku jízdního testu, používané zkušební zařízení, zatížení zkušebních válců atd. Metodika měření odparných emisí C xHy z vozidla a palivové soustavy je popsána v tzv. SHED testu, který zaručuje minimalizaci úniku uhlovodíků ze zaparkovaných automobilů, projevující se nejvýrazněji v uzavřených velkokapacitních parkovištích. Tab. 9.1 Limity emisí ve výfukových plynech - osobní vozy se zážehovými motory (podle různých starších předpisů)

CO Emisní limit EHK R 15 – 04 EHK RX (B) STUFE C US-83 Federal (EU1)

58 45 30 19

Škodlivina CxHy +NOx g/test 19 15 8 5

NOx

6

Pozn.: Uvedené hodnoty emisních limitů v tab. 9.1 jsou míněny na test. Test je přesně stanovený jízdní režim odpovídající dráze 4 km „jetý“ na zkušebně.

Od roku 1996 v zemích Evropské unie a od roku 1997 v České republice platil předpis EU2, který je přísnější než předpis předchozí. Od roku 2001 platil v zemích Evropské unie emisní předpis EU3 a od roku 2005 platí předpis EU4. Pro zcela nové 163


modely osobních vozů přicházející na evropský trh bude od 01.09.2009 povinné plnění limitů EU5. Osobní vozidla, která do prodeje přijdou dříve, musí emisní normu EU5 plnit od 01.01.2011. Pro terénní automobily pak bude platit tříleté přechodné období. Prvního září 2014 vejde v Evropské unii v platnost emisní norma EU6. Emisní limity EU2, EU3, EU4 a EU5 pro osobní vozy se zážehovými a vznětovými motory jsou uvedeny v tabulce 9.2 [6, 31]. Pozn.: Evropské emisní limity jsou pro osobní automobily označovány EU, pro nákladní automobily EURO. Tab. 9.2 Emisní limity EU2, EU3, EU4 a EU5 - osobní vozy se zážehovými a vznětovými motory do 6 sedadel a do celkové hmotnosti 2 500 kg

CO

CxHy

Škodlivina NOx g/km

2,20 1,00

Neudáno Neudáno

neudáno neudáno

0,50 0,70

neudáno 0,080

2,30 0,64

0,20 Neudáno

0,15 0,50

Neudáno 0,56

neudáno 0,050

1,00 0,50

Neudáno 0,30

0,08 0,25

0,10 neudáno

neudáno 0,025

1,00 0,50

Neudáno 0,23

0,06 0,18

0,10 neudáno

0,005 0,005

CxHy + NOx

Částice

Emisní limit EU2 Benzínové motory Naftové motory




9.2.2 Exhalace zážehových spalovacích motorů Výbavu vozidel se zážehovými spalovacími motory, které splňují normu EU1, resp. EU2 až EU5, tvoří emisní systémy s elektronicky řízenými procesy přípravy směsi a řízenými třícestnými (spíše trojčinnými) katalyzátory výfukových plynů (viz obr. 9.1) s využitím kyslíkových snímačů, tzv. sond lambda. Tyto sondy spolu s dalšími snímači, sledujícími otáčky motoru, teplotu směsi a chladicí kapaliny, postavení polohy škrticí klapky atd., poskytují informace řídícímu počítači a ten dává pokyny elektronicky řízenému zařízení pro přípravu směsi, které musí zajistit stechiometrický poměr vzduchu k benzínu (většinou se jedná o poměr 14,7 : 1). Víc vzduchu znamená nedostatečnou redukci oxidů dusíku, zatímco méně vzduchu nedostatečnou oxidaci oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Přesná příprava směsi pro moderní zážehové motory je dnes zabezpečována dvěma základními způsoby. Jedná se buď o využití jednobodového nebo vícebodového vstřikování paliva (před sací ventil každého válce motoru), které bylo ještě nedávno vyhrazeno dražším vozům s větším objemem motoru (většinou nad 2 l). V třícestném katalyzátoru se přeměňují oxidací a redukcí jedovaté a škodlivé látky na látky neškodné. Povrch nosiče katalyzátoru je nasycen vzácnými kovy - platinou a rhodiem. Platina povzbuzuje oxidaci uhlovodíků a oxidu uhelnatého na vodu a oxid uhličitý, rhodium podporuje změnu oxidů dusíku na dusík a vodní páry. Přívlastek „třícestný“ v názvu katalyzátoru je třeba chápat ve smyslu „zaměřující svoji působnost třemi směry“. To znamená na tři uvedené škodliviny - CO, CxHy a NOx. V současné době se stále více používá výraz „trojčinný“ katalyzátor. Minimalizace odparných emisí uhlovodíků z vozidla (viz SHED test) je zabezpečena vyvedením odvětrání palivové soustavy do nádobky s aktivním uhlím. 164


Obr. 9.1 Schéma třícestného (trojčinného) katalyzátoru s vyznačením základních chemických reakcí

Dnes se u mnoha vozů používají dva i více katalyzátorů. Jeden bývá umístěn těsně za motorem a druhý ve druhé části výfukového potrubí pod vozem (např. vozy firem Mercedes a Porsche). Některé automobilky používají také dvě lambda sondy (před a za katalyzátorem). Vozidla vybavená třícestným katalyzátorem musí podle předpisů EU i US-83 Federal zaručit splnění emisních limitů po dobu ujetí nejméně 80 000 km. Dobře zahřátý třícestný katalyzátor (na zhruba 450 °C) redukuje 90 až 98 % škodlivin. Zahřátí katalyzátoru bývá zajištěno u drahých vozů jeho elektrickým vyhříváním na provozní teplotu po spuštění motoru (např. vozy Mercedes-Benz starší řady S). Další možností, jak zkrátit zahřívací fázi katalyzátoru, je zavedení tříventilové techniky, kdy jsou použity dva sací ventily pro dobrou plnicí účinnost a jeden výfukový ventil plněný sodíkem. Eliminací druhého výfukového ventilu proti čtyřventilovému rozvodu se zmenší povrch výfukového kanálu až o 30 %, takže tepelné ztráty jsou nižší a teplota spalin narůstá zhruba o 70 °C. Katalyzátor se tak dříve zahřeje na provozní teplotu. Vyjdeme-li z nového jízdního cyklu ES, který zahrnuje studený start, snižují se škodlivé emise asi o 40 %. Toto řešení je použito u šestiválcových motorů Mercedes-Benz [7] do V s úhlem rozevření válců 90° (motory V6 E 320, E 280, E 240 u řady W 210). Koncern General Motors vyvíjí katalyzátory ADCAT, které budou schopny vykompenzovat „nezahřátí“. Základem je voštinové těleso se zeolitem, což je krystalický silikát, působící jako „molekulární síto“. Nespálené škodliviny jsou zadržovány tak dlouho, pokud se katalyzátor nezahřeje na takovou teplotu, kdy mohou být přeměněny. Potom pracuje jako běžný katalyzátor. Nicméně je nutno se zmínit i o dalších cestách vedoucích ke snižování emisí zážehových motorů. Jedná se především o snižování spotřeby paliva, což automaticky vede ke snížení emisí (dle směrnice 93/116/ES je dnes dokonce spotřeba vypočítávána na základě změřených emisí). Zde je nutno uvést zážehové motory s přímým vstřikem paliva (přímo do válců), označované jako GDI (Gasoline Direct Injection) či FDI (Fuel Direct Injection). Pro evropské trhy byl dodáván jako první vůz se zážehovým přímovstřikovým motorem model Mitsubishi Carisma [8]. Motor měl objem 1834 ccm a výkon 92 kW, resp. 125 koní a byl vybaven trojčinným katalyzátorem jako běžné zážehové motory. Výrobce udával snížení spotřeby paliva o 20 %, zvýšení výkonu o 10 % a snížení emisí CO2 o 20 %. V praxi se potvrdilo zvýšení výkonu a snížení spotřeby paliva, nicméně v oblasti emisí bylo dle evropských zkoušek dosaženo diskutabilních výsledků. Prvním evropským výrobcem, který zavedl přímé vstřikování u zážehových motorů byla firma Renault (motor 2,0 IDE o objemu 1998 cm3 a výkonu 103 kW/5500 ot/min; nejvyšší točivý moment 200 N.m při 4250 ot/min). Firma Renault dokázala odstranit Achillovu patu tohoto systému, spočívající v poměrně vysokých exhalacích NOx. Ty eliminovala recirkulací výfukových plynů (tedy principiálně stejně jako je tomu u vznětových 165


motorů). Zážehové motory s přímým vstřikováním paliva a s nízkými emisemi nyní vyrábí celá řada výrobců. Známé jsou např. motory s označením FSI koncernu Volkswagen, které pohánějí i některé modely dceřiné automobilky Škoda.

9.2.3 Exhalace vznětových spalovacích motorů Tuto skupinu motorů tvoří dosud výhradně motory naftové, o nichž dříve převládal názor, že jsou z ekologického hlediska výhodnější než zážehové, neboť zplodiny hoření naftového motoru obsahují jen v minimálním množství jednu z nejtoxičtějších složek výfukových plynů, oxidy dusíku (NOx). Skutečnost je však jiná. Množství oxidů dusíku nebývá ve spalinách vznětových motorů výrazně menší než u motorů zážehových, protože v hořícím paprsku paliva probíhá část spalování na hranici stechiometrického směšovacího poměru, tj. při l = 1, tedy vlastně při stejných teplotách jako u zážehových motorů. Problémem je i to, že oxidační katalyzátor (je používán např. firmami Mercedes-Benz, Volkswagen, Audi, Škoda, BMW a Peugeot u vozů se vznětovými motory) nesnižuje obsah NOx. Třícestné katalyzátory, používané u zážehových spalovacích motorů a snižující také emise NOx, nelze u vznětových motorů použít. V současné době je tedy snaha používat v maximální míře vznětové motory s co nejmenší spotřebou, protože tyto motory mají zároveň nižší emise škodlivých látek včetně NOx. Mezi takové motory jednoznačně patří vznětové motory s přímým vstřikem paliva (direct injection - DI, většinou za účelem zvýšení výkonu a točivého momentu vybavené turbodmychadlem - TDI), protože mají oproti klasickým vznětovým motorům s nepřímým vstřikem spotřebu o 15 % nižší, což se projevuje i v již zmíněné menší tvorbě emisí. Přeplňované rychloběžné vznětové motory s přímým vstřikem, určené pro osobní automobily, se staly fenoménem devadesátých let minulého století. Průkopnickou roli přitom sehrály konstrukce motorů firmy Audi, resp. koncernu Volkswagen. Vznětové motory s přímým vstřikem mají v současné době samotné vstřikování paliva řešeno třemi způsoby: · s radiálním rotačním vstřikovacím čerpadlem v drtivé většině případů doplněné o elektronický řídící systém EDC, · systém common-rail, · systém čerpadlo - tryska (sdružený vstřikovač). Podíváme-li se do historie, pak je nutno zmínit skutečnost, že automobilka DaimlerBenz do svých osobních vozů Mercedes-Benz 170 D začala montovat vznětové čtyřválce vybavené řadovými vstřikovacími čerpadly firmy Robert Bosch (nicméně prvním osobním vozidlem na světě se vznětovým motorem byl Mercedes-Benz 260 D z roku 1936 o výkonu 45 koní). Trvalo pak čtyřicet let, než se z ropné krize na začátku 70. let zrodil první menší automobil se vznětovým motorem, Volkswagen Golf 1,5 D. Jeho vznětový komůrkový motor (tedy s nepřímým vstřikem) byl vybaven tehdejší novinkou, rotačním vstřikovacím čerpadlem, vyvinutým rovněž firmou Bosch. Radiální rotační vstřikovací čerpadlo (viz dále obr. 9.2) umožňuje vytvoření lehčí vstřikovací soustavy s malými montážními rozměry, vhodné pro menší rychloběžné vznětové motory. Slučuje totiž dopravní i vysokotlaké čerpadlo, regulátor otáček a přesuvník vstřiku do malého kompaktního celku. V běžném rotačním čerpadle je pouze jeden válec a jediný píst ovládaný axiální vačkou. Tento typ čerpadel byl posléze (zpočátku hlavně pro vznětové turbomotory s přímým vstřikem) doplněn elektronickým systémem EDC, který se skládá ze tří funkčních bloků: soustavy snímačů, řídící jednotky a z členů, které veličiny řídicí jednotky mění na úpravu funkce vstřikování. Radiální rotační vstřikovací čerpadlo vyvine ve vysokotlaké části tlak až 157x103 kPa (1 600 barů). Např. rotační vstřikovací čerpadlo 166


šestiválcového vznětového motoru s přímým vstřikem firmy Volkswagen TDI V6 (120 kW, resp.163 k, 380 N.m při 1500 ot./min.) vyvozuje tlak 1500 barů (Škoda Superb I, Audi A6). Systém common rail (viz dále obr. 9.2). Tento systém vstřikování nafty plně využívá dnešních možností elektronizace techniky. Blíží se nejlepším typům elektronického vstřikování benzínu, a přitom pracuje s velmi vysokým tlakem paliva. Vysokotlaké čerpadlo udržuje tlak v masivním vstřikovacím potrubí, tzv. liště, která tvoří současně zásobník tlaku a má přesně omezenou roztažnost. Tato lišta je připojena k jednotlivým válcům jejich vstřikovači s magnetickými ventily. Signály pro přesný okamžik i dobu otevření vstřikovačů pak předává řídící jednotka motoru na základě snímání nejrůznějších veličin, podobně jako u EDC. Velkou výhodou tohoto systému je zjednodušení a unifikace se vstřikováním benzínu. Nevýhodou je potřeba bezchybné přesnosti, a tedy i výrobní náročnost dílů. Max. vstřikovací tlak zde dosahuje 132,5.103 kPa, tj. 1 350 barů. Systém common rail osazuje do svých vznětových motorů celá řada automobilek (Mercedes-Benz, BMW, Peugeot, VW/Audi, Renault, Toyota atd.). Třetí a vyšší generace systému common rail přechází místo ovládání vstřikovačů klasickými elektromagnety na piezoelektrické ventily, které spínají cca třikrát rychleji (<1 ms). Vysokotlaké přímé vstřikování systému common rail přineslo nejen další významné zkultivování běhu dieselových motorů, ale i další snížení emisí CO2 asi o 20 %, CO o 40%, CxHy o 50 % a nespálených částic o 60 %. Systém čerpadlo - tryska (tento systém je znám též jako Unit-Injector-System (UIS) nebo Pumpe-Düse, v poslední době je v naší odborné literatuře tento systém nazýván jako vysokotlaké vstřikování sdruženými vstřikovači - viz dále obr. 9.2). Z výše uvedeného plyne, že snahou konstruktérů vznětových motorů je zvýšit vstřikovací tlaky. Brzdou tohoto zvyšování se však může stát elasticita potrubí mezi čerpadlem a vstřikovačem. Potrubí se při větším tlaku nepatrně rozpíná, přičemž změna jeho vnitřního objemu snižuje špičky provozního tlaku, a tím zmenšuje přesnost dodávky. Navíc vysoké tlaky v potrubí přinášejí riziko praskání spojovacích trubiček a neúměrné náklady na jejich nezbytně vysoce kvalitní materiály. Tento problém dokáže vyřešit systém čerpadlo-vstřikovač. Každý válec má své vlastní jednoduché vstřikovací čerpadlo vestavěné přímo v trysce a poháněné vačkovým hřídelem motoru. Přesné dávkování i stanovení okamžiku vstřiku obstarává magnetický ventil připojený na elektronickou řídící jednotku motoru (motormanagement), podobně jako u systému EDC. Prvním motorem, kde se systém UIS uplatnil, je čtyřválec 1,9 litru (1896 cm3) Audi/VW, upravený z dosavadního provedení TDI. Jeho výkon vzrostl z 66 (210 N.m) na 74 kW (240 N.m), resp. z 81 kW (235 N.m) na 85 kW u motoru s VTG (proměnlivá geometrie rozváděcích lopatek turbodmychadla). Ještě zřetelnější je nárůst točivého momentu u další verze motoru s VTG (96 kW), a to na 310 N.m při 1900 ot/min [8]. Systém UIS dokáže zvýšit vstřikovací tlak až na 2050 barů. V činnosti systému se sdruženými vstřikovači (čerpadlotryska) je velmi důležitá fáze zvaná předvstřik. Ta ovlivňuje průběh hoření tak, že vysoké tlaky ve spalovacím prostoru se vytvářejí pozvolněji, takže hluk explozivního hoření je utlumen a minimalizuje se také podíl NO x ve výfukových plynech. Toto vstřikované množství je miniaturní (1 až 2 mm3) a dosahuje se ho mechanicko-hydraulickou cestou s mimořádně přesným dávkováním. Musí mít také zcela zřetelný odstup od hlavního vstřiku. Čím menší množství paliva se podílí na předvstřiku, tím menší jsou hydraulické ztráty. Přesné dávkování množství paliva u systému UIS je jedním z důvodů vysoké hospodárnosti těchto motorů. Jistou komplikací do budoucna je problematické využití tohoto systému při dalším zpřísňování emisních limitů pro vznětové motory, byť např. dnes motory s tímto systémem do objemu 2000 cm3 plní normu EU4 i bez filtru pevných částic (problémem bude splnění následných emisních limitů plynných škodlivin). Všechny výše uvedené moderní systémy vstřikování zásadním způsobem zlepšují účinnost vznětových motorů, zajišťují snížení spotřeby paliva a snížení emisí těchto 167


vznětových motorů.

Obr. 9.2 Schematické znázornění zařízení s přímým vstřikem paliva pro vznětové motory [19]

Nicméně jsou činěny i pokusy o snižování emisí NOx u vznětových motorů katalyzátory. Firmy Daimler AG a MAN pracovaly dlouhou dobu na katalyzátoru, který by u vznětových motorů snižoval NOx prostřednictvím dávkování amoniaku nebo močoviny do katalyzátoru. Při využití amoniaku jde vlastně o selektivní katalytickou redukci (SCR – Selective Catalytic Reduction), která je po chemické stránce dobře prozkoumána. Na detroitském autosalonu na jaře 2006 představil Mercedes-Benz vznětový motor 320 Bluetec, který je nyní údajně nejčistší jednotkou spalující naftu pro osobní automobily [9]. Konstruktéři firmy vytvořili „čistící kaskádu“ sestávající z oxidačního katalyzátoru, odlučovače pevných částic a systému selektivní katalytické redukce (SCR). První zařízení se vypořádává s oxidem uhelnatým a nespálenými uhlovodíky. Druhé si bere na starost mikroskopické saze (účinnost 98 %). Selektivní katalytické redukce pak s 80% účinností bojuje s oxidy dusíku. Používá k tomu 32,5% směs močoviny a vody známou pod obchodním označením AdBlue, která je vstřikována ze zvláštní nádržky, hydrolýzou se mění na amoniak a ten pak redukuje NOx. Systém je již aplikován nějakou dobu do některých užitkových vozidel Mercedes-Benz firmy Daimler AG. Cena jednoho litru močoviny je asi 15 Kč, její spotřeba činí 0,85 litru na 1000 km. Zařízení také zvyšuje o několik tisíc korun cenu automobilu. Kontrola je nutná každých 20 000 km. Problémem zůstávaly dlouhá léta tuhé částice, byť jsou velmi malé, protože jejich objem není celkově menší a jsou obzvlášť zdraví škodlivé [10]. Tento problém již dnes patří minulosti. Průkopníkem byl koncern PSA Peugeot Citroën, který koncem devadesátých let minulého století vyvinul systém FAP (filtr pevných částic). Tento systém zlikvidoval kouř „dieselmotorů“ a od roku 2000 zahájil „pátou éru“ jejich existence [11]. Základem systému FAP (viz dále obr. 9.3) je čištění zaneseného výfukového filtru (je vyroben z karbidu křemíku) spalováním zachycených částic za přítomnosti kyslíku. Normálně je k tomu zapotřebí teploty kolem 550 °C. Přidáváním speciálního aditiva s obchodním názvem Eolys 176 na bázi železa a céru do motorové nafty je možno teplotu spontánního spalování částic v zaneseném filtru snížit na 450 °C. Alespoň na tuto hranici je však třeba příležitostně zvýšit teplotu výfukových plynů, vstupujících do filtru. Toho se dosahuje dodatečným vstřikem do expanzního zdvihu, který prodlouží hoření ve válci a zvýší teplotu ve výfuku o 200 až 250 °C, a druhým dodatečným spalováním, vyvolaným oxidačním katalyzátorem (zvýšení teploty o 168


dalších 100 °C). Je tedy dosaženo požadovaných 450 °C a může nastat regenerace filtru spálením zachycených částic, která trvá asi dvě až tři minuty a dochází k ní vždy po 400 až 500 km provozu vozidla (sekvenční způsob spalování částic). U první generace FAP byla nutná výměna filtru, resp. jeho vyčištění po 80 tisících km, vylepšená přísada Eolys, zavedená od listopadu 2002, umožnila tento interval prodloužit na 120 tisíc km. Od roku 2005 zavedená třetí generace filtru FAP prodloužila interval na celou dobu životnosti vozu (resp. přes 240 tisíc km). Postupem času se systému FAP koncernu PSA a obdobným systémům využívajícím přísad, které snižují teplotu hoření částic, začalo říkat aditivní filtry pevných částic [12].

Obr. 9.3 Schematické znázornění původního systému FAP koncernu PSA [15]

Druhou možností je využití tzv. bezaditivního katalyzátoru s integrovaným filtrem pevných částic, v němž probíhá periodická regenerace bez potřeby aditiv každých 300 až 500 km [13]. Většina výrobců automobilů (Mercedes-Benz, BMW, VW/Audi, Renault, Opel, Mazda atd.) se rozhodla pro bezaditivní systém především pro jeho jednoduchost a nenáročnost na údržbu, neboť se v něm neusazuje tolik zbytkového popela jako u systému s aditivem. Regenerace však vyžaduje preciznější řízení spalování, ale moderní vstřikovací soustavy s vícenásobným vstřikováním v odstupech řádově desetin milisekund takové nároky již splňují. Většina těchto filtrů kombinuje průběžnou regeneraci se sekvenční. Průběžná čili pasivní regenerace probíhá pomalu a velmi plynule při teplotách mezi 350 a 500 °C bez vlivu na chod motoru. Sekvenční čili aktivní regenerace nastupuje zejména při delším provozu s malým zatížením v intervalech mezi 200 a 1200 km. Děje se tak umělým zvýšením teploty výfukových plynů ve filtru asi na 600 °C změnou vstřikování a regulací množství nasávaného vzduchu. Životnost filtrů se uvádí v rozsahu 150 až 225 tisíc km, pak je nutná výměna. Zajímavou kombinací filtru pevných částic a zařízení pro snížení emisí NOx je systém D-Cat (Diesel Clean Advanced Technology) firmy Toyota (viz dále obr. 9.4). Jedná se o vysoce sofistikovaný systém řízený počítačem. Jeho srdce tvoří katalyzátor DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction), který kombinuje filtr pevných částic a zásobníkový katalyzátor a slouží zároveň pro snížení emisí NOx. Katalyzátor tvoří vysoce porézní keramický nosič (z kordieritové hmoty) se 47 kanálky na cm2 a speciálním katalytickým povrchem s obsahem platiny. Za tímto katalyzátorem následuje ještě oxidační katalyzátor. V katalyzátoru DPNR se 169


během konvenčního spalování s chudou směsí ukládají molekuly NOx [14]. Tímto procesem uvolněné aktivní molekuly O2 průběžně oxidují katalyzátorem procházející pevné částice. V krátkých periodách, během nichž dodatečné vstřikování paliva do výfukového potrubí pátou tryskou (EPI – Exhaust Port Injection) vytváří v katalyzátoru DPNR stechiometrické prostředí, se uložené molekuly NOx redukují, čímž vzniká další aktivní kyslík pro oxidaci pevných částic. Při tom se teplota nosiče katalyzátoru zvýší na víc než 600 °C (je ale nutné ji přesným řízením spalování udržet pod 700 °C, kdy by již došlo k jeho poškození), takže se současně odstraní přebytečné zbytky sloučenin síry, obsažené v palivu.

Obr. 9.4 Soustava D-Cat firmy Toyota. Legenda: 1 - pátá vstřikovací tryska, 2 – katalyzátor DPNR, 3 – recirkulace výfukových plynů, 4 – čidla pro tlak, teplotu a zbytkový kyslík [18]

9.3 Alternativní paliva a pohony Jak již bylo uvedeno výše, vzrostl u nás v posledních letech značně počet osobních i užitkových automobilů a po vstupu České republiky do Evropské unie vzrostla významně i tranzitní nákladní automobilová doprava přes naše území, takže se celkově zvýšil objem emisí škodlivých látek ze silniční dopravy. Zejména ve městech je v době dopravních špiček stav čistoty ovzduší mnohdy kritický. Proto by měly být využívány mimo katalyzátorů i další technické možnosti v oblasti vozového parku silniční dopravy, které jsou ekologicky a mnohdy i ekonomicky výhodnější. Mezi tyto možnosti patří využití alternativních paliv a pohonů. Vozidla využívající alternativní pohony a paliva se dají rozdělit do tří skupin [17, 18] podle technické náročnosti úprav: Skupina I: Skupina I využívá spalovacích motorů v podstatě bez úprav [5]. Spadá zde využívání 170


alternativních kapalných paliv, jako jsou: · bionafta, · paliva s využitím alkoholů. Bionafta. Takto je označováno palivo na bázi metylesteru mastných kyselin (řepkový olej). Naproti tomu klasická motorová nafta představuje uhlovodíky z ropy. V zahraničí se používá 100% bionafta. U nás je bionafta směsí motorové nafty (70 %) a čisté bionafty (30 %). Kompromis je dán cenou - 100% řepkový olej nemůže cenou konkurovat. Třicetiprocentní objem řepkového oleje navíc zachovává dobré emise. Nejmodernější technologická zařízení na výrobu bionafty zahrnují velmi výkonné odstředivky, které zaručují normou předepsaný obsah nežádoucích oxidačních a polymerních produktů a vody v pohonné hmotě. Je nutno upozornit na skutečnost, že bionafta je špatně skladovatelná, přičemž se z ní vylučuje voda a organismy, které odbourávají klasickou naftu (problémy jsou tím menší, čím se vozidlo častěji používá). U nových osobních automobilů se vznětovými motory je nutno používat to palivo, které výrobce doporučuje (v drtivé většině případů se jedná o motorovou naftu) - jinak by při výskytu závady nemusela být uznána záruka. Výjimkou jsou automobily, které jsou již z výroby určeny pro provoz na bionaftu (dodává např. automobilka BMW; tyto vozy mají jiná těsnění a úpravy vstřikovacího čerpadla), nebo ty, u kterých takovýto provoz je v záručních podmínkách připuštěn. Paliva s využitím alkoholů. Při spalování alkoholu lze v zásadě použít klasický zážehový (tedy „benzínový“ motor) s minimálními úpravami (zvýšený kompresní poměr a předstih). Je nutno konstatovat, že nejde o žádnou převratnou myšlenku, protože alkohol sehrál významnou úlohu od třicátých let minulého století jako palivo závodních motorů. Ty se vyznačovaly enormním výkonem, ale také značnou spotřebou. Tzv. „lihobenzín“ byl používán také v Československu již v roce 1932 (za doby hospodářské krize), a to až do 30 % celkového objemu. První pokusy s využitím alkoholu u sériových vozů v poslední době probíhaly s metanolem, ale dnes se počítá s bioetanolem, vyrobeným z rostlinných produktů. Etanol má oktanové číslo 108, zatímco benzín Super Plus pouze 98 oktanů. Dnes se do benzínu přidává chemicky upravená forma etanolu, která zvyšuje jeho oktanové číslo (zlepšuje odolnost proti detonačnímu spalování, tzv. klepání). Podle normy je možno do benzínu přimísit až pět procent etanolu. Méně potěšitelná je ovšem jeho malá výhřevnost. Tu má litr benzínu v průměru 32,6 MJ/dm3, zatímco etanol pouze 21,2 MJ/dm3. Znamená to, že pro dosažení stejného výkonu je třeba dodat více paliva (v praxi se počítá se zvýšením spotřeby až o 30 %). Proti benzínu má však bioetanol jednu výbornou vlastnost, která se týká ochrany životního prostředí. Jeho spalováním se totiž nezvyšuje množství CO2 v atmosféře, neboť přibližně stejné množství CO2, vzniklé spalováním bioetanolu, odebraly rostliny, z nichž se bioetanol získává, z atmosféry během svého růstu. Navíc emise NOx jsou při spalování bioetanolu nižší [19]. Bioalkohol lze získat z obilí, cukrové řepy nebo třeba brambor. Alkohol (86%), vznikající obvyklým procesem, má pro použití ve spalovacím motoru příliš velký podíl vody, který je třeba další destilací a speciální technologií snížit pod jedno procento. Z obilí pěstovaného na ploše jednoho hektaru se získá asi 2 500 litrů bioetanolu. Ovšem použití čistého alkoholu jako paliva se v Evropě nepředpokládá, a tak se chemicky upravuje na přísadu do benzínu (ETBE) nebo se zpracuje na palivo s označením E85. To tvoří 85 % bioetanolu a zbytek je benzín kvůli snadnějšímu spouštění studeného motoru. Na starém kontinentu se bioetanol používá jako palivo pro automobilové motory nejvíce ve Švédsku, kde ho získávají ze slámy a štěpků. Směs E85 je tam k dostání již u téměř 171


tří stovek čerpacích stanic a prodává se asi o čtvrtinu levněji než benzín. Zájem Švédů o palivo E85 vyvolal pilotní projekt z let 1995 až 1996, v rámci kterého jezdilo 350 vozů Ford Taurus Flexi-Fuel dovezených z USA. Nyní např. firma Saab prodává doma polovinu svých vozů vybavených technologií Flexi-Fuel, umožňující jízdu nejen na benzín nebo bioetanol, ale také na jakoukoliv jejich směs. Také Ford již delší dobu úspěšně vyváží do Skandinávie vozy s adaptabilním palivovým systémem. Úprava motorů Ford Focus a Focus C-Max s technikou Flexi-Fuel zahrnuje použití tvrzených materiálů pro ventily a jejich sedla, nekorodujících dílů v palivovém systému a nový program řízení chodu motoru, který přizpůsobuje vstřik a zapalování dané směsi paliv. Vozy s možností tankovat různá paliva mají dnes v nabídce nejen Saab a Ford, ale např. také Volvo, Fiat, Chevrolet (v USA jezdí celkem 1,5 mil. vozů této značky poháněných palivem E85) a Volkswagen. Poslední jmenovaná automobilka s výrobními závody v Brazílii byla v podstatě přinucena se alkoholovému palivu přizpůsobit již před lety, protože v této latinskoamerické zemi jsou obě jeho verze značně oblíbeny. První z nich je tvořena benzínem s 22% podílem alkoholu, druhá je téměř čistým alkoholem [19]. Z usnesení vlády ČR č. 833 ze dne 06.08.2003 k programu „Podpora výroby biolihu pro jeho přimíchávání do automobilových benzínů a motorové nafty“ a rovněž ze směrnice EU č. 2003/30/EC ze dne 08.05.2003, která ukládá členským státům závazky zavést legislativu a učinit opatření ke zvýšení podílu biopaliv na trhu s palivy, vyplývá povinnost přimíchávat etylalkohol do motorových paliv. V tabulce 9.3 jsou uvedeny v procentech minimální cílové hodnoty podílu příměsi etylalkoholu stanovené v Evropské unii a v České republice. Pozn.: Některé cílové hodnoty byly rozhodnutím vlády ČR posléze změněny. Tab. 9.3 Minimální cílové hodnoty podílu příměsi etylalkoholu v benzínu či v motorové naftě (v %) Evropská unie K datu ▼

Česká republika

Minimální cílové hodnoty podílu příměsi (%)

1.1.2006

2,00

5,00

1.1.2010

5,75

10,00

1.1.2020

20,00

20,00

Skupina II: Skupina II vyžaduje víceméně jednoduchou přestavbu vozidla. Do této skupiny patří: · LPG (Liquefied Petroleum Gas - tekutý propan-butan), · CNG (Compressed Natural Gas - stlačený zemní plyn), · metan, resp. bioplyn. Používání tekutého propan-butanu (LPG) pro osobní vozidla vyžaduje již určitou přestavbu vozidla, která je však snadná, rychlá a finančně dostupná u osobních automobilů se zážehovými motory. Velice jednoduchá je také výstavba čerpacích stanic. Proto vozidla jezdící na LPG jsou již v některých zemích (Itálie, Francie, Holandsko) velice rozšířena. Pozoruhodný rozmach zaznamenává také Polsko, Belgie a Česká a Slovenská republika [20]. V Itálii se jezdí na propan-butan již několik desetiletí, přičemž v současnosti je tam v provozu s tímto pohonem zhruba 1,3 mil. osobních automobilů, k jejichž pohonu se ročně spotřebuje 1,2 mil. tun LPG. V Polsku jezdí na propan-butan 310 000 vozidel (3,3 % 172


z celkového počtu osobních automobilů) a je zde 1 500 čerpacích stanic LPG. Ve Francii je v provozu cca 130 000 osobních aut na propan-butan a existuje zde 1 100 plnících stanic LPG. Ve Francii v poslední době všichni významní výrobci, jako je Peugeot, Citroën i Renault, nabízejí některé své typy s alternativním pohonem na LPG, kdy jsou vozidla dovybavena instalací plynového zařízení přímo na výrobní lince (např. Renault Mégane Scénic 1,6, Laguna 1,8 a Kangoo RN 1,2 LPG). Na území České republiky je v provozu přes 400 plnících stanic LPG a počet osobních aut s tímto pohonem u nás stoupl téměř na 200 000. Italská firma Lovato vyrábí zajímavé technické zařízení, kterým je vstřikování plynu. Zatímco u všech systémů, používajících směšovače, je výkon motoru nižší oproti benzínové verzi cca o 6 %, u vstřikování plynu je výkon stejný nebo dokonce vyšší než u motoru poháněného benzínem (směs je homogennější). Využití stlačeného zemního plynu (CNG) vyžaduje, zejména u nákladních vozidel, nákladnější přestavbu (obvyklý vznětový motor nákladního vozidla musí být rekonstruován na zážehový). Nicméně řadu užitkových i osobních vozidel na pohon CNG vytvořili světoví výrobci motorových vozidel, jako BMW, Ford, VW, Daimler-Chrysler, Iveco, Mazda a Honda. Problematičtější je zatím i nedostatečná síť plnících stanic. Existuje ale zajímavá možnost mít vlastní malou kompresorovou stanici, která by byla napojena na běžné veřejné nízkotlaké plynové potrubí. Takové stanice s výkonem 3 m3/h (velké stanice mají výkon okolo 1000 m3/h) vyrábí švýcarská firma Sulzer pod názvem Fuel Maker. Sulzer jich prodal během posledních let cca 250 za rok (cena se pohybuje na úrovni 5 000 EURO). Největším trhem pro plnící stanice zemního plynu je v současné době Jižní a Severní Amerika, kde toto ekologické palivo podporují vlády ve většině zemí. Na CNG jezdí i vozidla Bílého domu včetně vozů amerického prezidenta. V používání CNG pro pohon autobusů vedou zejména Venezuela, USA, Argentina, Kanada, ale rychlý rozmach zažívá používání CNG i v Itálii, Holandsku, Velké Británii, Německu a Rusku. Automobilka BMW již v roce 1996 nabízela sériově dva osobní modely řady 3 a 5 (316 g compact a 518 g touring) pro pohon zemním plynem - CNG [24, 25]. Emise CO jsou u těchto vozů nižší při provozu na zemní plyn, než při spalování konvenčních paliv, emise uhlovodíků jsou nižší cca o 15 až 20 % a emise NOx jsou na stejné úrovni jako při spalování benzínu, ale např. zpětným vedením plynů se dají omezit. Používání zemního plynu pro pohon vozidel také významně potlačuje vznik skleníkového efektu, neboť při jeho spalování vzniká asi o 25 % méně CO2 než při spalování benzínu. Při provozu na zemní plyn klesá ovšem výkon motoru. Např. u modelu 316 g compact (řada E 36) klesl měrný výkon asi o 15 % (ze 75 na 64 kW), což je ale v běžném provozu přijatelné. Pozn.: Do zemního plynu se vkládají daleko větší naděje. Mluví pro něj mj. i dva handicapy propan-butanu (LPG). Jeho zásoby jsou totiž omezené (LPG jako zkapalněný ropný derivát je závislý na surové ropě) a provoz s ním je nebezpečný - je totiž těžší než vzduch, takže se drží při zemi a při poruše zařízení může unikat do kanalizace, v níž může explodovat. Dle platné legislativy (ČR) platí, že spalovací motory upravené na pohon stlačeným zemním plynem (CNG) nebo na pohon zkapalněným ropným plynem (LPG) musí z hlediska škodlivých emisí ve výfukových plynech splňovat maximální přípustné hodnoty stanovené pro daný motor před jeho úpravou. Tyto hodnoty musí být u dvoupalivových systémů splněny při použití obou paliv. Metan, jehož světové zásoby přesahují zásoby ropy, proti benzínu produkuje při spalování o 25 % méně CO2, o 95 % méně nespálených uhlovodíků a celkovou čistotou svých exhalací vyhovuje i světově nejpřísnějším kalifornským normám pro ekologicky zvlášť čistá vozidla ULEV (Ultra Low Emission Vehicles). V současné době vyrábí firma Fiat modelovou řadu Multipla ve variantách Bipower a Blupower. Vozy Multipla Bipower jsou poháněny 173


dvoupalivovými motory (benzín, metan). Verze Blupower je poháněna výhradně metanem. Tato verze je vybavena čtyřmi nádržemi na metan ze čtyřmilimetrové oceli o celkovém objemu 216 litrů (metan je stlačen na 20 MPa). Asi 4 litry stlačeného metanu nahradí 1 litr benzínu. Motor verze Blupower využívá optimálního vybavení pro spalování metanu, takže má kompresní poměr zvýšený na 12,5 : 1 a dosahuje 70 kW, resp. 133 N.m. Skupina III: U této skupiny se jedná již o velice náročnou přestavbu nebo od základu novou konstrukci [5]: · elektrický pohon, · hybridní pohon, · vodíkový pohon. Elektrický pohon. Budoucnost patří jednoznačně elektromobilům, které vlastně stály u zrodu automobilů. Svůj boj tehdy prohrály především v důsledku nedostatečné výdrže (dojezd) a infrastruktury (dobíjecí stanice). Vozidla používající k pohonu elektřinu jsou mimo závislé trakce (trolejbusy) poháněna elektrickou energií uchovávanou v akumulátorech. A to je kamenem úrazu, neboť přes neutuchající úsilí vědců a výzkumníků ani nejnovější akumulátory nemají schopnost uchovat, vzhledem k hmotnosti, příliš energie, takže elektromobily mají velice nízké výkony, zejména již zmíněný dojezd, který jen zřídka přesáhne hodnotu 150 km. Baterie jsou navíc stále příliš těžké, ekologicky rizikové a mají krátkou životnost. Přes výše uvedené skutečnosti se však již dnes pro specifické podmínky, zejména nemocnice, lázně, centra historických měst, sportovní areály a podobně, elektromobily, které se dají bez problémů provozovat i v uzavřených prostorách, začínají prosazovat. Velkou měrou tomu napomáhá také tzv. „kalifornský zákon“, který s předstihem již před několika lety nařizoval, aby od roku 1998 prodej nových vozidel s nulovými emisemi (ZEV - Zero Emission Vehicles) představoval 2 % z prodeje nových vozidel. V poslední době tedy přicházejí mnohé nejen americké, ale i evropské automobilky s elektrickými verzemi svých vozidel, jako je Peugeot 106 Electric, Citroën Berlingo Electric, Citroën Saxo Electric, Renault a další. Vzhledem k velké hmotnosti nejen klasických olověných, ale i niklkadmiových, sodíkoniklových, niklmetalhydridových nebo dalších vyvíjených typů akumulátorů, které jsou jen nepatrně lehčí než olověné, se elektrická vozidla uplatňují nejlépe v kategoriích vozidel nejlehčích. Lze tedy vytvářet poměrně úspěšně elektrické velocipédy, elektrické skútry, invalidní vozítka, zatímco přestavba osobního automobilu nepřinese většinou přílišný úspěch, byť je prováděna (viz výše). Výhodnější pro účely elektropohonu jsou speciálně konstruovaná velice lehká vozítka (Light Electric Vehicles). Jen pro srovnání, Opel Corsa s motorem 1,2 l a z něj vytvořený elektromobil (údaje v závorkách) mají následující srovnatelné parametry: pohotovostní hmotnost 860 kg (elektromobil 1 300 kg), celková hmotnost 1 340 kg (1 640 kg), nejvyšší rychlost 145 km/h (80 km/h) a dojezd 650 km (80 km), z čehož jsou zřejmé naprosto neoslnivé vlastnosti elektromobilů všeobecně. Největším problémem je tedy stále zásoba elektrické energie „na palubě“ vozidla. Dlouho se proto hledají možnosti, jak postavit elektromobil, aby byl výkonný a s dostatečnou výdrží, ale zároveň, aby nebyl odkázán na časté návštěvy dobíjecích stanic. Jednou z možností se zdá být využití tzv. palivových článků (fuel cells). Myšlenka získávání elektrické energie pomocí vodíku a kyslíku z palivového článku se zrodila v roce 1839, kdy ji načrtl anglický fyzik William Robert Grove. Princip je to jednoduchý, praxe je již složitější. Elektrochemická reakce, ke které dochází v palivovém článku, je opačným procesem rozkladu vody pomocí elektrického proudu, tedy elektrolýzy. Vodík a kyslík se v řízeném 174


procesu smíchávají, jediný vznikající odpadový produkt je voda, resp. vodní pára. Základními prvky takového článku jsou „vodíková“ elektroda (anoda), kyslíková elektroda (katoda) a elektrolyt. Elektrody jsou odděleny speciální polymerovou membránou (tkaná uhlíková vlákna potažená platinou), která plní roli katalyzátoru. Na anodě se vodík štěpí a kladně nabité kationty (H+) směřují elektrolytem k záporné katodě, přičemž procházejí membránou. V důsledku rozdílného počtu kladně a záporně nabitých částic vzniká mezi elektrodami napětí asi 0,7 V (záporné elektrony jsou odváděny vnějším okruhem jako elektrický proud). Na druhé straně membrány se kladně nabité ionty vodíku spojují se záporně nabitými ionty kyslíku a vzniká voda. Celý proces je prakticky nehlučný a nevyžaduje žádné pohyblivé součásti. Odpadní teplo je možno případně využít pro vytápění automobilu. Sestavením více takovýchto článků do série vzniká tzv. sada článků, která je schopna vyrábět dostatečné množství elektřiny pro napájení elektromotoru osobního automobilu. Vývoj této technologie postupuje velmi rychle. Zatímco před několika lety byl měrný výkon sady článků 0,26 kW na jeden litr zastavěného objemu (resp. 0,16 kW na jeden kilogram hmotnosti sady), je dnes tato hodnota už 1,1 kW/litr (0,47 kW/kg). Snahou je dosáhnout cílové hodnoty měrného výkonu 2 kW/litr. Moderní technologie pomáhají řešit i celou řadu dalších problémů spojených s vodíkem ve vozidle. Postupně se snižuje tlak, pod kterým se kyslík a vodík kompresorem vhánějí do článků, snižuje se hmotnost nádrží na vodík, snižují se jeho ztráty (v závislosti na tlaku v nádrži to představuje 1 až 3 % za den) a snižuje se také provozní teplota článků. Vývoj palivových článků probíhá již relativně dlouho. Např. u firmy General Motors jsou palivové články vyvíjeny už od roku 1964 [23]. První vlaštovkou byl GM Electrovan, experimentální minibus se 32 palivovými články GM/Union Carbide, napájenými z nádrží kapalného vodíku a kapalného kyslíku. V roce 1966 dosáhl rychlosti 110 km/h a údajně ujel až 240 km na jednu náplň. Další vývoj představují především úpravy velkoprostorového vozu Opel Zafira, u něhož se během pěti let celý systém pohonu výrazně zmenšil. U prvního provedení Zafiry s palivovými články, uvedené na autosalonu v Paříži v roce 1998, zabíral palivový systém celou zadní část karoserie (vůz byl dvoumístný); od verze HydroGen1 (2000) jsou vozy pětimístné a vše je ukryto v podvozku. Studie GM AUTOnomy a Hy-wire pak naznačily další možnosti s důsledným využitím elektronických ovládacích prvků. Různé vodíkové prototypy už ujely desítky tisíc testovacích kilometrů. V současnosti firma General Motors experimentuje s plně pětimístným vozem Opel HydroGen3 [23], který existuje ve dvou verzích, označených na zádi jako compressed 700 (dvě kompozitové nádrže stlačeného vodíku s pracovním tlakem 70 MPa) a liquid (jedna nádrž podchlazeného kapalného vodíku z nerezavějící oceli). Právě způsob skladování vodíku, jehož reakcí s kyslíkem (ze vzduchu) vzniká elektrická energie pro napájení trakčního elektromotoru, reprezentuje největší rozdíl v konstrukci obou typů. Plynný vodík, nejlehčí prvek naší planety, se skladuje opravdu obtížně. Nejprve je třeba zvýšit jeho hustotu, což se děje zkapalněním, či stlačením. Nevýhodou uchování v kapalném stavu je extrémně nízká teplota -253 °C, která vyžaduje účinnou izolaci nádrže. Přes všechna opatření se však po zastavení vozidla teplota v nádrži zvyšuje, vodík se odpařuje, musí se odvádět pojistným ventilem a v katalyzátoru se mění na vodu i bez spalování. Tento proces nelze zastavit, což znamená, že při delším parkování se nádrž samovolně vyprázdní. Teprve při denním využívání vozidla (minimum 25 km denně) se vodík neztrácí. Čím více se jezdí, tím systém pracuje účinněji. Malé proběhy ovšem znamenají velké ztráty. Víkendový řidič (2 x 50 km týdně) by se ztrátami až 25 % vodíku nebyl spokojen. Proto vznikla verze na stlačený vodík, která sice tuto nevýhodu eliminuje, ale dovoluje menší dojezd 270 oproti 400 km (nádrž na kapalný vodík). Vodík je stlačen na 70 MPa, nádrž je zdvojená master/slave cylinder (hlavní a pomocná) a téměř 80 % její ceny připadá na kompozitové materiály (uhlík/kevlar) pro sendvičovou vícevrstvou konstrukci. S dvojnásobnou bezpečností uvádí výrobce životnost 2,5 175


roku. U nerezových nádrží na kapalný vodík představují největší náklady (téměř 60 %) kryogenní ventily. U obou verzí jsou nádrže uloženy pod zadním sedadlem, které je o 25 mm výše než u sériové Zafiry. HydroGen3 s pohotovostní hmotností 1590 kg zrychluje z 0 na 100 km/h za 16 sekund a dosahuje největší rychlosti 160 km/h. Jednou ze zkoušek bezpečnosti bylo vypuštění a zažehnutí vodíku v tunelu, který během jedné minuty shořel mimo vůz, zatímco benzín by hořel dlouho a přímo ve voze, či na něm. U General Motors uvažují pouze s použitím čistého vodíku, výrobu vodíku reformací metanolu nebo benzínu ve vozidle zavrhli. Jako první na světě uvedla japonská automobilka Toyota koncem roku 2002 v omezeném počtu na japonský a americký trh automobil poháněný palivovými články [24]. V Japonsku je od června 2001 v provozu pět vozů, v USA jezdí dvě Toyoty FCHV-4 v rámci programu California Fuel Cell Partnership. Zkušebními testy se významně pokročilo ve spolehlivosti, jízdním dosahu a funkčnosti automobilu s palivovými články. Na základě těchto zkušeností vyvinula Toyota z dosavadního FCHV-4 nový typ FCHV, jehož základem je sportovně-užitkový vůz, prodávaný v Japonsku jako Toyota Kluger V a v USA jako Toyota Highlander. Hlavními problémy zůstávají především velmi vysoké výrobní náklady a výkon při teplotách pod bodem mrazu. Proto Toyota pro začátek zvolila velmi omezený vstup na trh formou ročního leasingu dvaceti vozů vládním institucím, výzkumným ústavům a energetickým společnostem v oblastech s poprodejním servisem a zajištěným zásobováním vodíkem. Pětimístný prototyp Toyota FCHV-4 je vybaven palivovými články vlastní konstrukce o výkonu 90 kW a v součinnosti se sekundárním akumulátorem NiMH napájejí elektromotor s permanentním magnetem (80 kW, 260 N.m). Vůz s pohotovostní hmotností 1850 kg jede největší rychlostí přes 150 km/h a má jízdní dosah kolem 250 km. Palivem je čistý vodík uskladněný ve speciálních nádržích pod tlakem až 25 MPa. Ve srovnání s vozem, poháněným zážehovým motorem, má Toyota FCHV-4 trojnásobnou účinnost a nulové emise. Přičte-li se však energeticky náročná výroba vodíku, nevypadá výsledek již tak dobře, neboť celkové emise CO2 dosahují u palivových článků při současném stavu technologií úrovně vznětových motorů. V rámci výzkumných prací s palivovými články bylo vyrobeno cca 130 prototypů automobilů a více než 30 autobusů. Zbytek tvořily další dopravní prostředky (lodě, skútry, invalidní vozíky, ponorky). Rozšíření automobilů vybavených palivovými články podmiňuje infrastruktura vodíkových čerpacích stanic. V této souvislosti lze např. zmínit firmu Shell Hydrogen (součást skupiny Royal Dutch Shell), která otevřela 24. dubna 2003 v islandském Reykjavíku vodíkovou čerpací stanici [25]. Jde o první veřejnou vodíkovou čerpací stanici Shell na světě. Vodík je na stanici přímo vyráběn elektrolýzou z vody. Zařízení značky Norsk Hydro je při práci viditelné prosklenými stěnami. Další vodíkové tankovací stání se objeví i ve Washingtonu a Tokiu, posléze také v Nizozemsku a Kalifornii. Pozn.: Problematika palivových článků je prezentována na tomto místě (tedy v rámci elektrického pohonu), protože výstupem je elektrický proud, který slouží k elektropohonu automobilu, byť je k provozu článků nutný vodík (nedochází však ke spalování vodíku v upraveném zážehovém motoru - viz dále). Hybridní pohon. Velmi zajímavé výsledky přináší vývoj vozidel s tzv. hybridním pohonem. Zde je především nutno uvést osobní automobil Toyota Prius s hybridním pohonem THS (Toyota Hybrid System), který se objevil v Japonsku v roce 1997 a už v polovině roku 1998 byl vyroben v počtu více jak 5000 exemplářů pro japonský trh [26]. Vozidlo bylo v té době poháněno zážehovým motorem se zvlášť účinným Millerovým cyklem o objemu 1 500 cm3 a výkonu 43 kW s točivým momentem 102 N.m při otáčkách 4000 min-1. Vozidlo bylo 176


dále vybaveno elektromotorem s permanentním magnetem, který nabízel od 0 do 940 otáček působivý točivý moment 305 N.m, a od 940 až do 2000 ot/min zase stálý výkon 30 kW. Přičteme-li špičku 43 kW spalovacího motoru (oba agregáty mohou pracovat současně), byla tedy k dispozici vlastně stovka koní. Je nutno poznamenat, že řídící počítačový systém u tohoto vozu řídí tok energie buď přímo od spalovacího motoru přes redukční planetový převod a variátor CVT, nebo přes generátor a elektromotor, popř. z akumulátorů přes elektromotor opět přímo na kola. Celý systém pracuje za všech okolností s výjimečnou hospodárností, o čemž svědčí velmi nízká spotřeba paliva - výrobce udával u první generace těchto vozů průměrnou spotřebu 3,6 l/100 km. Od roku 2000 se upravená verze vozu Toyota Prius prodávala ve Spojených státech a s pětiletou zárukou i v západní Evropě. Toyota vyrobila od roku 1997 do konce července 2003 přesně 147 894 hybridních automobilů, z toho přes 130 tisíc Priusů [27].

Obr. 9.5 Schéma systému pohonu Toyota Hybrid System II [27]: 1 – spalovací motor, 2 – rozdělování energie (planetový převod), 3 - generátor, 4 - trakční elektromotor, 5 – elektronická řídící jednotka, 6 - akumulátory

V dubnu 2003 měla světovou premiéru nová generace tohoto vozu - Toyota Prius II [28]. Tento hybridní automobil povyrostl na úroveň střední třídy (délka 4 445 mm) a dostal úplně novou dvouprostorovou karoserii nových, důsledně aerodynamických tvarů (součinitel odporu vzduchu cx = 0,26). Systém pohonu je obdobný jako u předchozí generace, u této generace se nazývá THS II (Toyota Hybrid System II - viz obr. 9.5 a 9.6). Jako první sériové auto tento automobil používá ovládání škrtící klapky, převodovky a brzd systémem drive-bywire (bez mechanické vazby). Kapalinou chlazený řadový zážehový čtyřválec, uložený vpředu napříč, má výkon 57 kW (77 k) při 5000 ot/min a točivý moment 115 N.m při 4000 ot/min [27]. Zážehový motor je uložen společně s trakčním elektromotorem a generátorem elektrické energie (střídavý synchronní). Trakční střídavý synchronní elektromotor s permanentními magnety má při napětí 500 V výkon 50 kW (1200 až 1540 ot/min) a točivý moment 400 N.m (0 až 1200 ot/min). Vůz je vybaven akumulátory Ni-MH o celkovém napětí 201,6 V (168 článků po 1,2 V).

Obr. 9.6 Princip funkce Toyota Hybrid System II [27]

177


V současnosti se prodává již třetí generace vozu Toyota Prius (III). Celkem se dosud na světě prodalo přes 1 mil. 100 tisíc vozů řady Prius (12/2008). V roce 2005 byl představen první vůz 4x4 s hybridním pohonem RX 400h firmy Lexus, která je dceřinou značkou firmy Toyota. Tento hybridní model vychází ze známého vozu SUV Lexus RX 300, od kterého se z vnějšku hybridní Lexus RX 400h liší upravenými nárazníky a zadními světly. Ovšem pod plechovým kabátem zmizelo u pohonu téměř vše, co by připomínalo klasickou automobilovou techniku. Použitá technika koncepce Hybrid Synergy Drive (HSD – viz obr. 9.7) je hodně podobná technice z typu Prius II. Je však ještě promyšlenější, o něco komplikovanější, a především dále kultivuje celou plejádu možných jízdních režimů.

Obr. 9.7 Schéma hybridního pohonu vozu Lexus RX 400h [29]

Velice zjednodušeně vzato, téměř nehlučný rozjezd obstarává synchronní elektromotor (123 kW při 4500 ot/min, 333 N.m při otáčkách 0 až 1500/min) propojený s předními koly [29]. V případě prudšího sešlápnutí plynového pedálu dostává prostor i synchronní elektromotor (50 kW při 4610 až 5120 ot/min, 130 N.m při 0 až 610 ot/min) pohánějící kola zadní nápravy. Poté se decentně a nenápadně zapojí i zážehový šestiválec (3311 cm3, 155 kW [211 k] při 5600 ot/min, 288 N.m při 4400 ot/min), který kryje jak požadovaný výkon, tak podle potřeby roztáčí generátor (109 kW při max. 13 000 ot/min; generátor současně plní funkci spouštěče) pro eventuální dobíjení baterií. Brzděním se pak přeměňuje kinetická energie vozu na elektrickou. Největší kombinovaný výkon hybridní soustavy je 200 kW (272 k) a točivý moment 750 N.m. Sada chlazených akumulátorů Ni-MH pod zadním sedadlem má celkové napětí 288 V (30 modulů po osmi buňkách 1,2 V). Během normální jízdy jsou poháněna jen kola přední nápravy. Pouze v případě, že chce řidič s vozem na kluzkém povrchu zrychlit a některé z předních kol má tendenci k prokluzu, se automaticky zapojí elektromotor, který pohání kola zadní nápravy. Naprosto jednoznačné je u vozu Lexus RX 400h bezpečné splnění limitů škodlivin dle normy EU4. Zatímco u tří sledovaných složek jsou jejich horní hranice v g/km 1,0 (CO), 0,1 (HC) a 0,08 (NOx), hybridní Lexus RX 400h se dostal na 0,30 (CO), 0,03 (HC) a téměř neměřitelné množství NOx. U CO2 byla naměřena hodnota 192 g/km. 178


Nejnovějším přírůstkem koncernu Toyota v oblasti hybridních vozů je luxusní dynamický sedan Lexus GS 450h, který používá vylepšenou techniku z SUV Lexus RX 400h. Tato technika byla výrazně upravena pro potřeby sedanu s pohonem zadních kol. Zážehový šestiválec o objemu 3,5 l má výkon 218 kW a točivý moment 368 N.m, elektromotor pak je o výkonu 147 kW (točivý moment 275 N.m). Hybridní vozy Toyota nepatří do kategorie bezemisních elektromobilů ZEV ani téměř bezemisních vozidel NZEV (Near ZEV), přináší však významné snížení všech škodlivin včetně hluku, a to bez omezení ostatních užitných hodnot. Zatím největším soupeřem je firma Honda, která se rovněž zabývá vývojem a výrobou hybridních automobilů. Až sedmiletý náskok, který mají japonské automobilky Toyota a Honda před evropskými výrobci automobilů v oblasti hybridních pohonů, je dostatečným důvodem k tomu, aby se vývoj hybridních automobilů v Evropě i v Americe výrazně zrychlil. Snaha co nejdříve dohnat náskok Japonců je zřejmá i z již uzavřených kooperačních dohod mezi automobilkami (např. BMW, Daimler-Benz, General Motors, Volkswagen). Automobilka Mercedes-Benz (Daimler-Benz) vyvinula již dvě zcela funkční studie hybridních vozů na bází třídy S (W 221). Jedná se jak o „klasický“ hybrid (tedy se zážehovým motorem), tak i o hybridní vůz se vznětovým motorem 320 CDI, který je navíc vybaven redukcí oxidů dusíku metodou SCR (Bluetec – viz výše). Vodíkový pohon. Německá firma MAN vyrobila již před několika lety prototyp autobusu, poháněného kapalným vodíkem, který byl podroben provozním zkouškám v Mnichově a Erlangenu. Zkoušky vozidel poháněných vodíkem jsou velice náročné, neboť největším problémem vodíkového pohonu je vysoké riziko výbuchu při sebemenší netěsnosti a smísení se vzduchem. Dle německých statistických údajů pochází v současné době 52 % emisí NOx, 50 % emisí CO, 71 % emisí CxHy a 17 % emisí CO2 z městské dopravy. Proto nahrazení klasických kapalných pohonných hmot plynnými palivy, jejichž emise jsou podstatně příznivější, má pro dopravu budoucnosti zásadní význam (vodík má i při spalování v zážehovém motoru daleko nejpříznivější emise). Rovněž je nutno vzít v potaz omezené zásoby kapalných i plynných fosilních paliv, což u vodíku nehrozí (jeho zásoby při získávání z vody jsou prakticky nevyčerpatelné). Vodík vyžaduje pro udržení v kapalné fázi teploty hodně pod -200 °C, což vyžaduje použití speciálních dobře izolovaných, tzv. kryogenních nádrží. Tyto nádrže zkapalněného vodíku používá i již zmíněný prototyp vodíkového autobusu firmy MAN, který vznikl z linkového autobusu MAN SL 202 [30]. Jsou použity tři nádrže po 190 litrech s dvojitými stěnami, mezi kterými je vyčerpán vzduch (vodík v kapalné fázi má tlak 3,5 baru při teplotě minus 253 °C, tepelná ztráta nádrže činí 3 °C během 24 hodin). Vzhledem k tomu, že u autobusu se předpokládá každodenní využívání vozidla s delším kilometrovým proběhem, nemělo by docházet ke ztrátám vodíku odpařováním jako u osobních automobilů s palivovými články (viz výše). Motor autobusu pracuje podle potřeby buď na vodík, nebo na benzín (jedná se tedy o zážehový motor přestavěný z motoru vznětového). Ve výfukové soustavě je použit katalyzátor pro vodíkový provoz a trojčinný katalyzátor pro benzínový provoz. Autobus MAN skvěle plnil emisní normy. Při benzínovém režimu vykazoval hodnoty emisí CxHy, CO a NOx pouze 0,2, 2,1, a 1,8 g/kWh a při vodíkovém režimu dokonce jen 0,04, 0,0 a 0,4 g/kWh. Pozoruhodná je nulová hodnota CO, což je typická a známá vlastnost vodíku jako paliva.

Literatura (kap. 9): [1] LAPČÍK, Vladimír. Oceňování antropogenních vlivů na životní prostředí. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU, 1996. 128 s. ISBN 80-7078-316-8 179


[2] LAPČÍK, Vladimír. Možnosti snižování negativních vlivů silniční dopravy na životní prostředí. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - TU Ostrava (recenzovaný vědecký časopis), číslo 1, rok 2000, ročník XLVI, řada hornicko-geologická, s. 45 - 56. ISBN 80-7078-777-5, ISSN-0474-8476. [3] LAPČÍK, Vladimír. Alternativní pohony v silniční dopravě. In: Životní prostředí hutnictví železa a hutní druhovýroby v roce 2003 (sborník přednášek, Hotel Javor, Řeka u Třince, 29.-30.05.2003). Meetings and Courses, květen 2003, s. 20 - 27. ISBN 80-248-0268-6. [4] LAPČÍK, Vladimír. Autovrakoviště v procesu posuzování vlivů na životní prostředí. EIA – Posuzování vlivů na životní prostředí, IPPC, SEA (časopis), č. 1/2004, roč. IX, s. 8-12. ISSN 1211-7296. [5] LAPČÍK, Vladimír. Vývoj v oblasti alternativních pohonů automobilů. In: Životní prostředí hutnictví železa a hutní druhovýroby v roce 2007 (sborník konference, Loucký klášter ve Znojmě, 13.-14.09.2007). Ostrava: VŠB-TU, září 2007, s. 24 - 35. ISBN 978-80-2481577-0. [6] SKŘIVÁNEK, J. Ústní sdělení. Ministerstvo dopravy a spojů České republiky, Praha, 1999. [7] BISKUP, P. Mercedes-Benz V6 a tři ventily. Automobil Revue, 4, 1997, s. 28. [8] SCHLEITH, A. Weichenstellung. Auto Zeitung, 2, 1998, s. 26-30. [9] Nejčistší diesel. Auto TIP, 2, 2006, s. 41. [10] FRIEDRICH, A. Gehört die Zukunft dem Diesel? Auto Bild, 43, 1998, s. 32. [11] JOZÍF, M. Pátý věk vznětových motorů. Automobil Revue, 6, 1999, s. 33. [12] OLIVÍK, P. Filtry pevných částic (1). Automobil Revue, 1, 2004, s. 50 - 51. [13] OLIVÍK, P. Filtry pevných částic (2). Automobil Revue, 2, 2004, s. 50 - 51. [14] OLIVÍK, P. Toyota D-Cat. Automobil Revue, 2, 2004, s. 59. [15] Superkatalyzátor: Ještě krůček k dokonalosti. Auto TIP, 14, 2006, s. 42. [16] Vstřikovací systémy vznětových motorů. Auto TIP, 4, 2004, s. 34 - 35. [17] LAPČÍK, Vladimír. Možnosti využití alternativních pohonů v silniční dopravě. In: Doprava a technologie k udržitelnému rozvoji (6. mezinárodní konference, hotel Thermal, Karlovy Vary, 4.-6.6.2003). Společnost pro trvale udržitelný rozvoj, pobočka Karlovy Vary, červen 2003, s. 77 - 82. ISBN - není. [18] LEPŠÍK, V. Alternativní paliva a pohony v ČR v roce 1998. AutoProfi, 12, 1998, s. 15. [19] BISKUP, P. Etanolová alternativa. Automobil Revue, 6, 2006, s. 52 - 53. [20] LEPŠÍK, V. Auta na LPG se stále více prosazují i u nás. AutoProfi, 12, 1998, s. 18-19. [21] Duales System. Auto Zeitung, 4, 1997, s. 42-43. [22] GREGORA, Otakar. Na zemní plyn. Automobil Revue, 4, 1996, s. 32-33. [23] HYAN, Tom. S vodíkem na silnici. Automobil Revue, 3, 2003, s. 10-11. [24] OLIVÍK, P. První komercializace. Automobil Revue, 11, 2002, s. 43. [25] Vodík na postupu. Auto TIP, 9, 2003, s. 8. [26] JOZÍF, Milan. Toyota Prius - zelená jízda. Automobil Revue, 8, 1998, s. 6-7. 180


[27] HYAN, Tom. Umění nemožného. Automobil Revue, 2, 2004, s. 14 - 15. [28] Pojízdná laboratoř. Auto TIP, 10, 2003, s. 5. [29] BISKUP, P. První hybrid 4x4. Automobil Revue, 10, 2005, s. 18 - 20. [30] LEPŠÍK, V. Vodíkový autobus - nejčistší řešení. AutoProfi, 12, 1998, s. 24-25. [31] Euro 5: všechno o nové normě pro výfukové plyny. Auto TIP, 19, 2008, s. 46.

181


10 Che mický průmysl 10.1 Velkoobjemové anorganické výroby základních chemikálií Výroba základních anorganických sloučenin je systematicky propojena (provázána) ve smyslu následných výrob, od nejjednodušších sloučenin po další výrobu sloučenin. Tyto souvislostí vyplývají z následujícího obrázku 10.1.

Obr. 10.1 Výroba základních anorganických sloučenin

Z uvedeného schématu vyplývá provázanost a následnost velkoobjemové výroby anorganických látek.

10.1.1 Výroba technických plynů Technické plyny jsou určeny pro rozmanité užití v průmyslu, laboratořích, medicíně a mnoha dalších odvětvích. Výroba kyslíku, dusíku a vzácných plynů (O2, N2 , Ar, He) Tyto plyny se vyrábějí ze vzduchu a to jeho zkapalněním. Zkapalnění vzduchu se provádí za vysokého tlaku a ochlazení. Vzduch se stlačí kompresory a jeho ochlazení se provede adiabatickou expanzí. Takto zkapalněný vzduch se vede na rektifikační kolonu, kde se frakční destilací získává kyslík, dusík, argon a hélium – neonová směs.

182


Výroba vodíku (H2) Vodík se vyrábí zejména tepelným štěpením (krakováním) zemního plynu (metanu). Proces štěpení probíhá katalyticky za vysokých teplot a to v případě předchozí konverze zemního plynu i za účasti vodní páry. Výroba chlóru (Cl2) Chlór je vedlejším produktem při výrobě hydroxidu sodného (NaOH), nebo hydroxidu draselného (KOH). Tyto produkty vznikají elektrolýzou koncentrovaných roztoků chloridu sodného (NaCl) nebo chloridu draselného (KCl). Chlór se při elektrolýze vylučuje na anodě. Výroba oxidu uhličitého (CO2) Oxid uhličitý se získává absorpcí z plynů, které obsahují oxid uhličitý. Nejčastěji jsou to odpadní plyny z výroby vápna, které se vyrábí z vápence jeho termickým rozpadem (žíháním) ve vápenkách. Absorpce se provádí buď v roztoku uhličitanu draselného, nebo v organických absorpčních činidlech. Následně je oxid uhličitý z těchto činidel desorbován zahřáním těchto nasycených roztoků. Je čištěn, stlačován a distribuován jako kapalina v tlakových nádobách.

10.1.2 Výroba amoniaku (NH3) Amoniak je jednou ze základních látek tzv. průmyslu dusíku, kde jsou vyráběny nejenom anorganické, ale i organické chemické látky. Je surovinou pro výrobu kyseliny dusičné a následně k výrobě dusíkatých hnojiv, kromě toho je důležitou surovinou pro výrobu širokého spektra organických látek (aminosloučeniny, nitrosloučeniny, amidy). Je vyráběn syntézou vodíku (vodík je vyráběn zejména konverzí metanu) a dusíku za přítomnosti katalyzátorů (na bázi oxidů železa s různými aktivátory). Syntéza probíhá většinou za tlaku 30 MPa a teploty okolo 500 °C. Schéma výroby je patrné z obrázku 10.2.

Obr. 10.2 Výroba amoniaku

183


10.1.3 Výroba kyselin Kyselina sírová (H2SO4) Kyselina sírová vzniká absorpcí oxidu sírového ve vodě, který se vyrábí z oxidu siřičitého. Oxid siřičitý je vyráběn zejména oxidaci síry kontaktním způsobem. Oxid sírový se absorbuje ve vodě ve věžových absorbérech. Oxidace oxidu siřičitého na oxid sírový se provádí zejména kontaktním způsobem na katalyzátorech (katalyzátor na bázi oxidu vanadu). Rozpustnost oxidu sírového ve vodě je dokonalá. Pokud se po dosažení koncentrace 100 % kyseliny sírové dále pokračuje v absorpci oxidu sírového, dochází k jeho rozpouštění a vzniká tak roztok oxidu sírového (20 až 30%) v kyselině, což je označováno za oleum. Schéma výroby kyseliny sírové je uvedeno na následujícím obrázku 10.3.

Obr. 10.3 Výroba kyseliny sírové

Kyselina dusičná (HNO3) Kyselina dusičná je vyráběna absorpcí oxidu dusičitého ve vodě. Oxid dusičitý vzniká oxidaci amoniaku ve dvou fázích. Napřed probíhá oxidace amoniaku kyslíkem za vzniku oxidu dusnatého. Tento proces oxidace se provádí na katalyzátorech, při teplotě cca 800 až 900 °C. Katalyzátorem jsou síta z platiny (rhodia a iridia). V další fázi procesu je oxid dusnatý oxidován na oxid dusičitý. Tato oxidace již probíhá v absorpčních věžích, kde cirkuluje absorbent – voda. Před vstupem nitrózních plynů do absorpčních věží se dávkuje vzduch, který nitrózní plyny oxiduje na oxid dusičitý. Po absorpci získáme 55 až 65% kyselinu. Schéma výroby je uvedeno na následujícím obrázku 10.4.

184


Obr. 10.4 Výroba kyseliny dusičné

Kyselina chlorovodíková (HCl) Kyselina chlorovodíková je vyráběna absorpcí chlorovodíku ve vodě. Chlorovodík je možné získat přímou syntézou chlóru a vodíku. Rovněž je možné využít i odpadního chlorovodíku, který vzniká při různých chemických reakcích, zejména při chloraci organických látek. Kyselina fluorovodíková (HF) Kyselina fluorovodíková je vyráběna absorpcí fluorovodíku ve vodě. Fluorovodík se získává z kazivce jeho reakcí s kyselinou sírovou v kalcinační peci za teplot asi 200 °C. Kyselina fluorovodíková leptá sklo a proto procesní zařízení i skladovací nádoby nemohou být ze skla. Používá se nejčastěji plast. Schéma výroby je patrné z obr. 10.5.

Obr. 10.5 Výroba kyseliny fluorovodíkové

185


10.1.4 Výroba hydroxidů (louhů) a karbidů Výroba hydroxidu sodného a draselného (NaOH, KOH) Rtuťová elektrolýza Sůl Vyčerpaná solanka Přesycení solanky Srážení

Dechlorace solanky

Filtrace

Voda

Kyselina chlorovodíková

ELEKTOLÝZA

Plynný chlor

Rtuť

Vodík Chlazení Odstranění rtuti

Filtrační zbytek Vyčištěná solanka

Předehřev

Kyselina chlorovo díková

Roztok louhu

Surová solanka Srážecí činidla

Amalgám Rozklad amalgamy

Chlazení

Chlazení

Sušení Komprese

Odstranění rtuti

Zkapalnění

Skladování Odpařování

Hydroxid sodný

Vodík

Chlór

Obr. 10.6 Výroba chlóru a hydroxidu sodného elektrolýzou chloridu sodného

Hydroxid sodný a draselný jsou vyráběny z příslušných chloridů elektrolýzou nasycených roztoků chloridů (solanky). Používají se v zásadě tři typy elektrolyzérů (s rtuťovou katodou, s diafragmou dělící prostor katody a anody a membránový postup). Hlavní náklady výroby tvoří elektrická energie. Elektrolýzou chloridu sodného, nebo chloridu draselného vzniká roztok hydroxidu sodného, nebo draselného. Jako vedlejší produkt se uvolňuje chlór (viz technické plyny - výroba chlóru). Schéma výroby je uvedeno na obrázku 10.6. Výroba karbidu vápníku (CaC2) Karbid vápníku je vyráběn tavením vápna s koksem nebo s antracitem v elektrických obloukových pecích při teplotách okolo 2 200 °C. Tavenina karbidu vápníku je v intervalech vypouštěna z pece (odpich). Výroba je značně energeticky náročná. Azotací karbidu vápníku se při teplotách okolo 1 200 °C vyrábí kyanamid vápenatý (označován jako dusíkaté vápno). Používá se pro výrobu organických dusíkatých sloučenin, plastů, pryskyřice a lepidel. Dále se používá jako průmyslové hnojivo. Schéma výroby je uvedeno na obrázku 10.7.

186


Obr. 10.7 Výroba karbidu vápníku

Výroba karbidu křemíku (SiC) Karbid křemíku (karborundum) se vyrábí elektrochemickou redukcí z oxidu křemičitého. Redukovadlem je uhlík (koks, antracit), kterým se redukuje křemenný písek. Redukce je vedena v odporové peci za teplot 2 000 až 2 500 °C. Po odpichu taveniny a jejím ochlazení se krystalický produkt drtí a používá k výrobě brusných papírů a past. Rovněž je používán jako žáruvzdorný materiál (tvárnice, kelímky atd.) a pro výrobu topných tyčí elektrických odporových pecí.

10.1.5 Výroba průmyslových hnojiv Průmyslově vyráběná hnojiva doplňuji živiny do intenzivně využívaných zemědělských půd. Především jde o doplnění základních prvků, což je dusík (N), fosfor (P) a draslík (K). Kromě toho se doplňují i některé další, tzv. stopové prvky. Dnes jsou požívaná jednosložková (obsahují jen jednu základní živinu) a vícesložková hnojiva. Dusíkatá hnojiva Mezi dusíkatá hnojiva patří dusičnan amonný (ledek amonný), který se vyrábí neutralizací kyseliny dusičné amoniakem. Reakce je silně exotermní, takže dojde k odparu 187


vody a hnojivo je granulováno. Dusičnany jsou výbušné látky. Dalším je dusičnan vápenatý, jenž je vyráběn reakcí kyseliny dusičné s vápencem. Síran amonný odpadá z chemické části koksoven při čištění koksárenského plynu. Při hnojení se využívá amonných iontů, nevýhodou je kyselá reakce hnojiva. K hnojení se používá i kapalný amoniak, do půdy ho lze vpravit injektáží. Mezi dusíkatá hnojiva je nutno uvést i močovinu, což je organické hnojivo, vyráběné tlakovou syntézou oxidu uhličitého a čpavku. Hnojení se aplikuje postřikem vodného roztoku. Fosforečná hnojiva Fosforečná hnojiva využívají aniontu kyseliny fosforečné, vázaného na kationt tvořící ve vodě rozpustnou sůl. Nejznámějším hnojivem této skupiny je superfosfát. Tento je vyráběn z přírodně se vyskytujícího apatit (fosforečnanu vápenatého), který je ve vodě nerozpustný. Proto se apatit podrobí reakci s kyselinou sírovou, za vzniku ve vodě rozpustného hydrofosforečnanu vápenatého. Proces probíhá za teplot přesahujících 100 °C. Vlhkost se odpaří a po vyzrání se superfosfát granuluje. Apatit je základem výroby nejenom kombinovaných hnojiv, ale i dalších sloučenin, jak vyplývá ze schématu na obrázku 10.8. Draselná hnojiva Mezi draselná hnojiva patří chlorid draselný a síran draselný. Tato hnojiva jsou ve vodě dobře rozpustná a i přes tuto vlastnost jsou z půd málo vyplavována. Hořečnatá a vápenatá hnojiva Vápník je součástí některých hnojiv (např. superfosfátu). Jinak se používá vápenec (uhličitan vápenatý). Hořčík je součásti dolomitu (uhličitan vápenato – hořečnatý). Vápenec a dolomit se v drcené formě používají zejména na snižování kyselosti půd (důsledek kyselých emisí). Aplikace hnojiva se provádí zejména letecky.

Obr. 10.8 Výroba fosforečných hnojiv

188


10.1.6 Výroba pigmentů Pigmenty jsou práškové anorganické, nebo i organické látky, které slouží jako plniva pro nátěrové hmoty. Slouží jako krycí látky, mohou mít antikorozní účinky a mají charakteristickou barvu. Nejdůležitějšími bílými pigmenty jsou litopon, titanová a zinková běloba a blanc fixe, barevnými pigmenty jsou železité barvy, minium a ultramarín. Titanová běloba (TiO2) Titanová běloba je chemicky oxid titaničitý a je nejkvalitnějším bílým pigmentem. Surovinou pro výrobu je nerost ilmenit, což je oxid titanu a železa. Ilmenit se upravuje kyselinou sírovou, hydrát separovaného oxidu titaničitého se kalcinuje, mele a třídí. Barnaté pigmenty – litopon, blanc fixe Litopon, bílý pigment, je směsí síranu barnatého (cca 30 %) a sulfidu zinečnatého (cca 70 %). Patří mezi nejpoužívanější bílé pigmenty. Vyrábí se konverzí sulfidu barnatého s roztokem síranu zinečnatého. Blanc fixe je pigment vyráběný srážením roztoku chloridu barnatého roztokem síranu sodného nebo kyselinou sírovou. Tento pigment je stálý, ale má nižší kryvost. Používá se společně s barevnými pigmenty v papírenském průmyslu a při výrobě fotografických papírů. Železité pigmenty Železité pigmenty jsou oxidy železa a patří mezi nejlevnější a nejrozšířenější. Vyrábí se zpravidla ze síranu železnatého (zelená skalice) vysrážením vápnem a oxidací vzniklého hydroxidu železa na hydratovaný oxid. Ten se dále suší, případně kalcinuje, což má, kromě postupu srážení, vliv na barvu oxidu. Je vyráběna železitá žluť, červeň a čerň.

10.1.7 Výroba cementu a vápna Ze silikátového průmyslu patří mezi nejvýznamnější výroba cementu a vápna. Výroba cementu Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápence a hydraulické složky, např. vysokopecní struska, bauxity, hlíny atd. Dle způsobů výroby se cementy dělí na křemičitanové a hlinitanové. Nejběžnější křemičitanové cementy (jejichž představitelem je portlandský cement, p – cement) obsahují přes 60 % oxidu vápenatého. Cementy vyráběné ze surovin s vyšším obsahem křemičitanů (vyráběných ze strusek, např. struskoportlandský a vysokopecní cement) se využívají zejména u pozemních staveb. Hlinitanové cementy (a – cementy) mají obsah oxidu vápenatého pod 60 %, základní složkou je zejména hlinitan vápenatý (CaO . Al2 O3). Jsou rychle tuhnoucí a používají se rovněž při výrobě žárobetonů. Cement se vyrábí mletím slínku, který je vyráběn výhradně v rotačních pecích. Suroviny se před vstupem do rotační pece melou a homogenizují. Proces přípravy surovin může být za mokra nebo polomokrý, nejvíce se prosazuje suchý proces s vícestupňovým výměníkem a předkalcinací na surovinové straně. Tento postup je výhodnější s ohledem na využití tepla. Suchým procesem je v Evropě vyráběno cca 80 % slínku, předpokládá se však přestavění mokrých procesů na suché. Kalcinace surovin v rotační peci probíhá za teplot až nad 1 400 °C. Surovinová strana rotační pece je výše položena než konec pece, kde je umístěn hořák a kde vypadává produkt – slínek. Otáčením pece se surovina dopravuje od surovinové strany na stranu produktu. Teplota kalcinace roste, dochází k postupným fyzikálním a chemickým přeměnám. Na konci kalcinace před výstupem z rotační pece (na straně hořáku) 189


dochází k částečnému spékání (natavení cca z 30 %). Tento poloprodukt je nutno rychle ochladit vzduchem v chladičích slínku. Ochlazený slínek se mele v kulových mlýnech, skladuje v silech a expeduje v cisternách nebo se dávkuje do pytlů. Postup výroby cementu je schematicky uveden na obrázku 10.9. Výroba vápna Vápno se vyrábí termickým rozkladem (pálením) vápence nebo dolomitického vápence. Pálení se provádí v šachtových nebo rotačních pecích. Optimální teplota, při které se vápence rozkládají na oxid vápenatý a oxid uhličitý, je závislá na druhu vápence. Reakce, která vede k maximálnímu podílu oxidu vápenatého, je v rozmezí cca 800 až 900 °C. Vyšší teploty pak vedou ke zpětné reakci s nižší výtěžností CaO. Reakci vypáleného vápna s vodou vzniká tzv. hašené vápno (hydroxid vápenatý), jako hlavní složka malty. Vápna s vyšším podílem jemného oxidu křemičitého se nazývají hydraulická vápna a tuhnou i pod vodou. Schéma výroby vápna je uvedeno na obr. 10.10.

Obr. 10.9 Výroba cementu

10.1.8 Výroba skla Sklo je v podstatě amorfní tavenina křemičitanů. Nejčastěji se jedná o křemičitan sodný, draselný, vápenatý, případně jejich kombinaci, nebo užití dalších přísad (oxidů olova, bóru, hořčíku, barya, zinku, zirkonu, fosforu atd.). Sklovin je tedy celá řada druhů. Mezi základní patří křemičité, draselnovápenaté, draselnoolovnaté, sodnovápenné a další speciální skloviny. Hlavní suroviny (sklářské písky, uhličitany atd.) se mísí s pomocnými surovinami (čeřiva, barvící látky atd.), melou se a je připravena směs, tzv. sklářský kmen. Ten se pak taví ve sklářských plynových nebo elektrických pecích rozmanitých konstrukcí při teplotách 1 400 190


až 1 450 °C. Tavení skla sice probíhá již za nižších teplot (1 000 až 1 200 °C), avšak při vyšší teplotě má sklovina nižší viskozitu a dochází k jejímu čeření – uvolňování bublinek reakčních plynů z taveniny. Sklo se formuje za pracovních teplot cca okolo 1 000°C.

Obr. 10.10 Výroba vápna

Formování se provádí lisováním, foukáním, válcováním, odstřeďováním, litím, tažením atd. Po zformování skla na výrobek je nutno jeho řízené ochlazování. Ochlazení je nezbytné k odstranění vnitřního pnutí ve skleněném výrobku. Proces řízeného chlazení probíhá ve speciálních sklářských pecích, především kontinuálních, kde je po jednotlivých 191


sekcích a časových úsecích sklo postupně ochlazováno.

10.1.9 Výroba keramických hmot Výroba keramických hmot zahrnuje širokou škálu produkce od cihel, krytinových tašek, hrnčířského zboží, zdravotní keramiky, porcelánu, chemické kameniny, žáruvzdorných materiálů (dinas, šamot) a jiných výrobků z jílů, hlíny a kaolínů. Technologický postup výroby je přibližně podobný. Vytěžená surovina (jíl, hlína, kaolín a jiné silikátové suroviny) se homogenizuje, upravuje se zrnění, plastická konzistence a formuje se na tvar výrobku. Způsob formování je různorodý: od lisování, přes lití suspenze do forem až po ruční tvarování na hrnčířském kruhu. Meziprodukt se suší a po vysušení dochází k výpalu v pecích. Pece bývají různých konstrukcí, teplota výpalu je okolo 900 °C (může být i vyšší kvůli požadované tvrdostí střepu). Pokud se povrch výrobku opatřuje glazurou (porcelán, hrnčířské zboží atp.), dochází po výpalu k nanášení kapalné glazovací směsi (složení je rozmanité dle požadované barevnosti, struktury atd.) a k výpalu druhému, kde se nasáklá glazovací směs slije s porézní hmotou a uzavře povrch. Zároveň se zvýší pevnost výrobků.

10.1.10 Metalurgie neželezných kovů Neželezné kovy jsou vyráběny specifickými technologiemi, avšak rámcově lze jejich výrobu rozdělit na procesy pyrometalurgické a hydraulické. Významný segment je rovněž výroba neželezných kovů z druhotných surovin. Výroba hliníku (Al) Hliník se vyrábí elektrolýzou oxidu hlinitého v tavenině kryolitu (systematicky hexafluorohlinitan sodný, Na3[AlF6]), který je používán především jako tavidlo pro snížení teploty tání bauxitu. Oxid hlinitý je vyráběn z nerostů zvaných bauxity. Tyto nerostné suroviny obsahují vysoký obsah hydratovaného oxidu hlinitého (50 až 60%) a rovněž oxidy železa, křemičitany a další příměsi. Z této suroviny se oxid hlinitý získává alkalickým loužením v roztoku hydroxidu sodného za teplot okolo 200 °C. V procesu loužení vzniká rozpustný hlinitan sodný, který se oddělí od nerozpustných látek (oxid železa a křemičitany). Hlinitan se hydrolýzuje na hydroxid hlinitý a kalcinací se získá čistý oxid hlinitý. Další způsob zpracování bauxitů je spékacími metodami, kdy hlinitan sodný vzniká kalcinací s uhličitanem sodným za teplot okolo 1 200 °C. Další postup po rozpuštění vzniklého hlinitanu je obdobný předchozí metodě. Práškový oxid hlinitý se přidává do lázně taveniny kryolitu, ve které probíhá elektrolýza, která probíhá za teplot okolo 1 000 °C. Hliník se elektrolyticky vylučuje na katodě, která tvoří dno vany. Tavenina hliníku ze dna je odpouštěna. Hliník má čistotu přesahující 95 %. Výroba mědi (Cu) Měď se vyrábí z měďnatých rud, především sulfidických, méně již oxidických. Ke zpracování rud se používají převážně pyrometalurgické postupy. Klasickým postupem je aglomerační pražení rud, tavení na kamínek (sulfidy mědi a železa) a besemerace kamínku v konvertoru na černou měď. Následuje žárová rafinace mědi v nístějové peci oxidací a měď čistoty cca 99,5 % se odlévá do elektrod, které se pak podrobují elektrolytické rafinaci. Surová měď je při elektrolýze anodou, jako katoda se vkládají plechy z čisté mědi, na kterou 192


se pak elektrolýzou vylučuje měď transportována z anody. Zbytek z anod je anodový kal, který se recykluje v aglomeračním pražení měďnatých rud. Výroba zinku (Zn) Zinek se vyrábí z rud, které jsou zpravidla polymetalické. Zinek obsažený v těchto rudách se selektivní flotací koncentruje na cca 50 až 60 % obsah. Pak pyrometalurgicky (pražením) je oxidován na oxid zinečnatý a následně v retortových pecích se redukuje uhlíkem za teplot nad 1 100 °C. Vyredukovaný zinek ve formě par je ochlazován a tavenina je odlévána do požadovaných tvarových výrobků. Pokud je vyžadován velmi čistý zinek, např. pro žárové zinkování trubek na pitnou vodu, je rafinován elektrolyticky na čistotu 99,99 %. Výroba olova (Pb) Olovo se vyrábí z rud, z nichž nejběžnější je galenit (PbS). Rudy se praží a olovo je oxidováno na oxid olovnatý. Koncentrát je po vypražení spečený. Pak se oxidy olova redukují. Sází se do šachtových pecí společně s redukovadlem – koksem, který ve vsázce tvoří podíl cca 10 %. Vyredukované olovo se usazuje v nístěji, odkud je vypouštěno odpichem. Následuje rafinace olova, která spočívá ve vycezování, což je odstranění kovů s vyšším bodem tání (Cu, Fe, Ni atd.), dále se přidávají oxidačně působící taveniny k oxidaci dalších doprovodných kovů (As, Sn, Sb). Nejčistší olovo se získává elektrolýzou, elektrolytem bývají roztoky fluoridových solí. Výroba niklu (Ni) Niklové rudy jsou nejčastěji ve formě křemičitanů a sulfidů. Rozdrcená ruda se podrobí redukci v etážových pecích. Jemné částice niklu jsou rozpouštěny amoniakálním roztokem uhličitanu amonného. Tímto procesem loužení přechází nikl do roztoku, balastní složky se vysráží jako hydroxidy a oddělí se filtrací. Rozpuštěné soli niklu se následně povařením vysráží a vznikají nerozpustné soli uhličitanů niklu. Tato sraženina se může pražit (termický rozklad) za vzniku oxidu nikelnatého a ten se redukuje na práškový nikl. Zpravidla se ale volí postup pro získání čistého niklu. V tomto případě je sraženina uhličitanů niklu rozpouštěna v kyselině sírové a vzniklý rozpustný síran nikelnatý je používán jako elektrolyt, ze kterého elektrolýzou vzniká nikl čistoty nad 99,8 %.

10.1.11 Vliv anorganických výrob základních chemikálii na životní prostředí Anorganické výroby jsou technologicky značně rozmanité a procesy výrob využívají velmi rozmanité fyzikálně chemické postupy. Na základě této skutečnosti je možno konstatovat, že vliv jednotlivých technologií na životní prostředí je nutno hodnotit zcela specificky a nelze paušálně hodnotit vliv celého odvětví, tj. anorganických výrob na životní prostředí. Na druhé straně jsou procesy chemických technologií v takovém stupni rozvoje, že současně s jejich rozvojem bylo řešeno i omezování vlivů na životní prostředí ve všech složkách. Obecně u velkokapacitních výrob anorganické chemie je možno konstatovat, že vlivy na ovzduší a vody jsou maximálně omezovány, největší problém u některých technologií mohou být velkoobjemové odpady, které pocházejí především ze zpracovaných surovin, zejména nerostných, tj. rud. Některé z odpadů je možné recyklovat, nebo využívat v jiných odvětvích, nebo při rekultivacích, u některých je jediným řešením skládkování. Protože je vyráběn ohromný počet chemikálií, jakékoliv sloučeniny mohou tedy být případně uvolněny do jakékoliv složky životního prostředí. Do ovzduší unikají emise tuhých znečišťujících látek (hlavně prach a těžké kovy), dále odcházejí odpadní vody s vysokým 193


obsahem CHSK, těžkých kovů, nebo rozpuštěných látek - solí. Některé procesy, zejména elektrolytické, tavicí a pyrometalurgické se vyznačuji velkou spotřebu energie, jiné jsou zase náročné na vody. Nesmírná rozmanitost vyráběných a používaných (a také emitovaných) sloučenin, může obsahovat vysoce nebezpečné sloučeniny, které mají toxické nebo karcinogenní vlastnosti (např. kyanidy, kadmium, olovo, chróm, arsen), některé mohou mít další vlastnosti, jako je výbušnost, vysoká alkalita, nebo kyselost atd. Zdraví a bezpečnost proto mohou být rozhodujícím problémem při výrobě chemických sloučenin. Ačkoliv procesy výroby jsou extrémně odlišné a občas velmi složité, skládají se obvykle z kombinace jednodušších činností (nebo procesních kroků) a zařízení. Jednotlivé procesy a operace, které jsou široce využívány jsou zejména: drcení, manipulace s materiály, tok tekutin, přenos tepla, odpařování, absorpce plynu, adsorpce plynů, destilace, sušení, míšení, třídění, sedimentace, filtrace, separace frakcí, krystalizace, odstřeďování. Činnosti zahrnují rozpouštění surovin, míchání, syntézu (reakci), kalcinaci, promývání, prosévání, kondenzaci, destilaci, vypařování, hydrolýzu, extrakci, zhutňování, granulaci a briketování. Technika omezování emisí do ovzduší může být značně různorodá. Velkou skupinu plynných emisí tvoří sloučeniny, které mohou být zachyceny skrápěním vodou, roztokem kyseliny nebo louhu. Protože roztoky silných kyselin tvoří snadno aerosoly, je v mnoha případech nutné zařadit absorpční vícestupňový systém, jehož součástí jsou i zachycovače kapek a mlhy (demistery). Pokud skrápěcí kapalina není vracena do procesu, musí být upraveno její složení, především úpravou pH a dalších parametrů v provozních čistírnách vod. Druhá skupina emisí zahrnuje tuhé znečišťující látky z některých výrobních procesů a rovněž z přípravy a z manipulace se surovinami a produkty. Pro zachycení prachu jsou používány jak suché, tak i mokré systémy záchytu. K denitrifikaci a odsíření je používána cela řada metod. Znečištění vod může pocházet z několika zdrojů. Mohou to být jednak odpadní vody z vlastní výroby, jednak odpadní vody z koncových technologií na záchyt emisí do ovzduší, odpadní vody z chladicího systému a napájecích vod, čisticí vody z údržby zařízení a znečištěná dešťová voda. Hlavními znečišťujícími látkami jsou soli a anorganické látky, látky kyselé a alkalické povahy, kovy a těžké kovy, suspendované látky, zatímco obsah organických sloučenin (TOC - celkový organický uhlík) je zpravidla nízký. Protože odpadní vody obsahují rovněž dusičnany, amoniak a fosforečnany, mohou být příčinou eutrofizace vodních toků. Znečištění odpadních vod rozpustnými anorganickými solemi může představovat velmi složitý a obtížný problém. Vedlejší produkty a tuhé odpady jsou závislé na zdroji a kvalitě suroviny a mohou být značné. Odpady mohou vznikat již ve stadiu těžby přírodních surovin a při jejich úpravě, pak ve stadiu vlastní chemické výroby.

10.1.11.1 Vliv vybraných anorganických výrob na životní prostředí Výroba kyseliny sírové (H2SO4) Koncové plyny za absorpcí obsahují emise - kapičky a mlhu kyseliny sírové. Tato mlha se odstraňuje speciálními vláknovými filtry (demistery). Avšak toto jednostupňové zachycování není dostatečně účinné. Proto se používá dvojstupňový proces. V průběhu konverze se odvede reakční směs přes výměník do tzv. vloženého absorbéru, kde se zachytí cca 95 % vzniklého oxidu sírového. Zbylá směs se pak opět přes výměníky vede do reaktoru. Tento postup umožní snížit koncové emise při dosažení vysokého stupně konverze. Opatření ke snížení energetické náročnosti spočívá ve využívání odpadního tepla výrobou páry, elektrické energie a horké vody. Důležité je rovněž pravidelné sledování stavu katalyzátoru a náhrada katalyzátoru (zejména v první vrstvě) a použití síry s malým množstvím příměsí, 194


zejména těch, které snižují účinnost katalyzátorů (jsou to tzv. katalyzátorové jedy). Vliv na znečištění vod, výskyt odpadů a jiné složky prostředí není významný. Výroba kyseliny dusičné (HNO3) Největším problémem emisí je odstranění oxidů dusíku z koncových plynů za absorpcí. Tyto zbytkové plyny jsou v emisích vizuálně pozorovatelné jako hnědý až oranžový dým. Proto je zapotřebí snižovat obsahy oxidů dusíku ve výstupních plynech. Předně je nutno vést proces adsorpce s maximální účinností, zejména ve dvou stupních. Zbytkové obsahy v koncových plynech se musí snižovat katalytickou redukcí (metanem, vodíkem, amoniakem) na zbytkové koncentrace (dosažitelné jsou až 0,005 %). Katalytická redukce (na paládiovém katalyzátoru) je vedena za teplot cca 800 °C. Rovněž je možná kombinace absorpce a následné katalytické redukce u koncových plynů. Z energetického hlediska je nezbytné využívání odpadního tepla. Vliv na znečištění vod, výskyt odpadů a jiné složky prostředí není významný. Výroba chlóru a louhu (Cl2, NaOH, KOH) Výroba chlóru a louhu potřebuje obrovské množství elektrické energie a tato je rovněž hlavním vstupem. Hlavní vystupující znečišťující látky, které jsou společné pro všechny elektrolytické procesy, jsou emise chlóru, avšak nejvýznamnější znečišťující látkou v sektoru výroby chlóru a louhu je rtuť, která je specifická pro rtuťovou elektrolýzu. Podle charakteru procesu může být rtuť emitována z výroby do vzduchu, vody, odpadů a do produktu. Celková emise rtuti do vzduchu, vody a produktu ze zařízení pro výrobu chlóru a louhu u jednotlivých výrobců kolísá v rozmezí 0,2 ÷ 0,3 g Hg/t projektované kapacity Cl2. Většina ztrát rtuti se vyskytuje v různých odpadech z výroby. V současnosti je ve rtuťových elektrolyzérech používaných pro výrobu chlóru v Evropské unii obsaženo přibližně 12 000 tun rtuti. Pokud jsou zařízení přestavována nebo rušena, může se tato rtuť uvolňovat do životního prostředí. V současné době nemá Evropská unie žádnou strategii nebo legislativu, jak s tímto obrovským množstvím čisté rtuti nakládat. Na některých místech je velkým problémem stará ekologická zátěž, kontaminace půdy a vod rtutí a PCDD/Fs. Kontaminace je způsobena skladováním grafitových kalů z užívání grafitových anod a jiných odpadů v místě a okolí výrobních zařízení. Membránový proces má základní přednosti před dvěma staršími procesy, protože nepoužívá rtuť ani azbest a je energeticky účinnější. Navzdory těmto přednostem změna technologie na membránovou probíhá v Evropě pomalu. Většina existujících zařízení na výrobu chlóru byla totiž instalována kolem roku 1970 se životností zařízení 40 až 60 let a nové kapacity tedy nejsou zapotřebí. Pobídkou pro změnu technologie není ani legislativa. Spolu se vstupy a s výstupy z výroby a používání chlóru a louhu je také důležité upozornit na důležitost bezpečnostních aspektů vztažených na výrobu, zacházení a skladování chlóru. Hlavním odpadem u diafragmové technologie je azbest. Nebezpečím je jak možná expozice pracovníků, tak uvolnění azbestu do životního prostředí. Výroba průmyslových hnojiv Hlavními znečisťujícími látkami z výroby průmyslových hnojiv jsou oxidy dusíku, oxid siřičitý, fluorovodík, amoniak a tuhé znečišťující látky. Tuhé znečišťující látky unikají zejména z procesu manipulace a přípravy surovin (jako je doprava, drcení a jiné fyzikální úpravy) a rovněž při manipulaci a dopravě hotových hnojiv. Při dopravě je nezbytné použití zakrytých dopravníkových pásů, skladování se provádí v uzavřených budovách. V 195


existujících odlučovačích, zejména při použití látkových filtrů, lze dosáhnout koncentrací prachových částic ve výstupních plynech 2,5 ÷ 10 mg/m3. Plynné emise jsou omezovány zejména absorpcí a katalytickými procesy (viz výroba kyselin). Výroba průmyslových hnojiv je značně náročná na energie. Proto je žádoucí provádět energetické audity a v maximální míře využívat zejména druhotných zdrojů tepla. V současné době spotřebovává výroba průmyslových hnojiv asi 2 ÷ 3 % světové výroby energie. V západní Evropě tento podíl činí asi 1 %. Převážnou část spotřeby energie pak představuje výroba dusíkatých hnojiv. Převážná část této energie je spotřebovávána ve stupni fixace vzdušného dusíku ve výrobě amoniaku. Značná množství energie jsou spotřebovávána i v transformaci amoniaku na močovinu. Při výrobě superfosfátu vzniká velké množství odpadu – tzv. fosfosádry, vliv na znečištění vod není významný. Výroba pigmentů Hlavními emisemi do ovzduší jsou tuhé znečišťující látky a plynné emise pocházející zejména z kalcinací a jiných tepelných procesů (vysokoteplotních pyrolýz atd.). Tuhé znečišťující látky jsou převážně jemnozrnné a pocházejí kromě již zmíněných technologických zdrojů rovněž z příprav surovin a nakládání s výrobky (manipulace, doprava). Tuhé emise se účinně odlučují k dosažení emisních úrovní 1 ÷ 10 mg/mn3 použitím technik jako jsou např. mokré praní plynu, látkové odlučovače, případně elektrické odlučovače. Omezování plynných emisí je řešeno převážně absorpcí. Ačkoliv mnoho výrobních procesů bylo vyvinuto pro velký sortiment anorganických pigmentů, výroba může mít rozpor ve dvou hlavních procesech: syntéza pigmentu následovaná výrobou pigmentu. Syntéza pigmentu se provádí mokrým srážecím procesem nebo suchým kalcinačním procesem - každý z nich má jiný vliv na životní prostředí. Mokrý chemický proces vyžaduje velké množství vody a vzniká velké množství odpadní vody, zatímco suchý kalcinační proces vyžaduje méně vody, ale více energie a vzniká více emisí odpadního plynu. Výroba pigmentu zahrnuje praní, sušení, kalcinaci, míchání, mletí, filtraci, prosévání a sušící operace. Konkrétním problémem je emise prachových částic, obsahujících těžké kovy, do ovzduší. Z hlediska ochrany životního prostředí je nutno použít nekarcinogenních surovin, z technik pak snižování emisí fluóru pomocí promývání vápnem, použití destilované vody z vypařovacího a koncentračního systému pro praní pigmentů, odstranění chrómu z odpadní vody, recyklaci vysráženého kalu zpět do výroby, biologické čištění odpadní vody obsahující dusičnany, předúpravu a konečnou úpravu odpadní vody obsahující těžké kovy. Pro odpadní vodu je důležitá úprava odpadní vody kontaminované čtyřmocným chrómem (CrIV) a dosažení koncentrace CrIV < 0,1 mg/l redukcí CrIV na CrIII, například použitím siřičitanu nebo síranu železnatého. Rovněž je požadována předúprava odpadní vody, obsahující těžké kovy, před jejím vypuštěním do povrchových vod. Regenerované filtrační zbytky z úpravy odpadní vody mohou být recyklovány zpět do výroby. Výroba cementu a vápna V současnosti je většina slínku k výrobě cementu vyráběna suchým způsobem v rotačních pecích. Z hlediska spotřeb paliv je tento způsob nejhospodárnější. Spotřeba je uváděna cca 3000 MJ na tunu slínku. Hlavními emisemi jsou tuhé znečišťující látky, oxidy dusíku a oxid siřičitý. Odlučování tuhých emisí za rotační pecí se provádí zejména elektrickými odlučovači, v menší míře lze použít i tkaninové odlučovače. Musí být vždy použít suchý způsob odlučování. Koncentrace prachu po odloučení jsou ve spalinách na úrovní 20 až 30 mg/m3. Jinak jsou zdrojem emisí prachu procesy manipulace a úpravy 196


surovin, chlazení a mleti slínku, doprava a expedice cementu. Zdroje jsou především kapotovány a odsávány, odlučování se děje u chlazení slínku převážně elektrickými odlučovači, jinde látkovými filtry. Plynné emise zpravidla odlučovány nejsou. Lze ovšem činit primární opatření. Obsah oxidu siřičitého ve spalinách souvisí s obsahem síry v použitém palivu a surovinách a proto se dává přednost palivům s nižšími obsahy síry. Je však nutno si uvědomit, že kalcinace v rotační peci a předkalcinace před vstupem surovin do pece probíhá v alkalickém prostředí a záleží na termodynamických podmínkách pro vazbu oxidů síry – odsíření slínkem. Emise oxidů dusíku lze primárně ovlivňovat zejména provozem hořáků s nízkými emisemi NOx (hořáky označované low NOx s postupným spalováním, optimálním přebytkem vzduchu atd.). V poslední době se rozvíjí snaha o zavádění denitrifikace spalin selektivní nekatalytickou redukcí. Výroba (pálení) vápna je energeticky náročný proces. Rozhodující emise jsou tuhé znečišťující látky, jednak ze samotných pecí, ale i z příprav surovin, procesů úpravy vápna, dopravy a expedice. Používá se rozmanité odlučovací techniky, nejčastěji látkových odlučovačů. Emise SO2 závisí zejména na obsahu síry v palivu, emise NO x jsou dány konstrukcí pecí. U rotačních pecí lze instalovat hořáky s nízkými emisemi. Výroba skla Hlavními problémy ochrany životního prostředí sklářského průmyslu jsou emise do ovzduší a energetická spotřeba. Energie je dodávána buď přímo spalováním fosilních paliv, elektrickým ohřevem nebo kombinací obou technik. Obecně většina významných emisí zahrnuje oxidy dusíku, pevné částice, oxid siřičitý, halogenidy a v některých případech kovy. Výroba skla je vysokoteplotní energeticky intenzívní činnost, z níž vyplývají emise ze spalování paliv a vysokoteplotní oxidace atmosférického dusíku z tavení skla, tj. oxid siřičitý a oxidy dusíku. Pecní emise rovněž obsahují prach, který vzniká hlavně těkáním a následnou kondenzací těkavých materiálů z kmene. Znečištění odcházejících odpadních vod ve sklářství je relativně malé. Voda se používá hlavně k čištění a chlazení a obecně je vhodně upravována a znovu používána Suroviny pro sklářský průmysl jsou obecně snadno dostupné, relativně inertní přírodní nebo syntetické látky. Se zajištěním surovin nejsou žádné velké problémy a výskyt odpadů je obyčejně velice nízký, navíc s vysokým podílem tuhého odpadu recyklovaného během procesu. Výroba keramiky V závislosti na specifických technologických postupech je výroba keramiky zdrojem emisí, které jsou závislé např. na použitých surovinách, použitých přídavných činidlech, používaných palivech a výrobních metodách. Emise představují zejména tuhé znečišťující látky (prach, saze) a plynné emise (oxidy uhlíku, oxidy dusíku, oxidy síry, anorganické sloučeniny fluóru a chlóru, organické sloučeniny a těžké kovy). Odvětví keramického průmyslu je energeticky náročné, jelikož klíčová část výrobního procesu zahrnuje sušení následované výpalem při teplotách pohybujících se mezi 800 až 2 000 °C. Dnes se při výpalu používají většinou zemní plyn, zkapalněný plyn (propan a butan) a topný olej, elektřina a tuhá paliva (např. uhlí, koks). Odpadní voda z výroby obsahuje hlavně minerální složky (nerozpuštěné látky) a také další anorganické materiály, malá množství různých organických materiálů a některé těžké kovy. Odpady nepředstavují vážný problém, jde o různé druhy kalů, rozbitých výrobků, použitých sádrových forem, použitých sorpčních činidel, pevných zbytků (prach, popel) 197


a odpadů vzniklých při balení výrobků. Výroba hliníku (Al) Zásadním problémem znečištění ovzduší v okolí hliníkáren jsou u primární výroby hliníku emise polyfluorovaných uhlovodíků a fluoridů odpadajících z elektrolýzy oxidu hlinitého, tvorba tuhého odpadu z van (elektrolyzérů) a vznik tuhých odpadů během výroby oxidu hlinitého. Existuje pět výrazných zdrojů emisí v procesu výroby hliníku: § § § § §

Plyny z kalcinace a ohřevu při výrobě oxidu hlinitého, Provozní plyny z vypalování anod, Provozní plyny z elektrolyzérů, Větrání pecního prostoru, Odplyňování a lití.

Zásadní rizikové emise vznikají v průběhu procesu elektrolýzy oxidu hlinitého. Potenciální emise mohou být následující: § § § § § § § §

Fluoridy, Perfluoruhlovodíky (PFC), Dehty a polyaromatické uhlovodíky (PAH), Oxid siřičitý (SO2) a jiné sloučeniny síry, Prach, Směsi kovů, Oxidy dusíku (NOx), Oxid uhelnatý (CO).

Celková emise fluoridu z elektrolyzéru se pohybuje mezi 20 až 40 kg F na tunu hliníku. Při účinnosti odlučování 99,5 až 99,9 % v suchých sprchovacích skrubrech, může být komínová emise 0,02 až 0,2 kg celkového fluóru na tunu hliníku. Jako sprchové médium se používá oxid hlinitý. Oxid hlinitý je normálně zachytáván v látkovém filtru, nebo v elektrickém odlučovači, záchyt je recyklován v elektrolyzérech. Perfluoruhlovodíky (PFC) jako tetrafluormetan (CF4) a hexafluoretan (C2F6) se tvoří během anodových efektů. Jsou emitovány v poměru CF4 : C2F6 přibližně 10 : 1. Nelze je odstranit z plynového toku za stávající technologie, jakmile se jednou vytvořily. Anodový efekt nastává, klesne-li obsah oxidu hlinitého v elektrolytu pod 1 až 2 % a na anodě se vytvoří plynový film. Emise PFC moderních zařízení lze minimalizovat použitím polokontinuálního bodového dávkování oxidu hlinitého a zlepšeným řízením procesu. Emise PFC jsou klíčovou otázkou životního prostředí v průmyslu hliníku, v současné době probíhá extenzivní výzkum na zlepšení soudobé neúplné znalosti problémů a jejich možného řešení. Hlavním nákladem při výrobě primárního hliníku je náklad na elektrický proud. Výroba má proto tendenci soustřeďovat se tam, kde je k dispozici elektrický proud za nižší náklady. Výroba a rafinace hliníkového odpadu (druhotné suroviny) je mnohem méně energeticky náročná a spotřebovává pod 5 % energie, která je zapotřebí k výrobě hliníku primárního. Znečištění vod při výrobě hliníku je relativně nízké a to proto, že výroba primárního hliníku je v podstatě suchý proces. Výroba oxidu hlinitého z bauxitu je proces vylučující vypouštění vody, jelikož je provozován uzavřený systém. Vypouštění odpadní vody je obvykle vymezeno chladicí vodou, dešťovou vodou stékající z povrchů a střech a vodou ze skrubrů pro čištění plynů z pecního prostoru. Vypouštěná dešťová voda může být kontaminována nekrytým skladováním materiálů a uložených pevných látek. Voda, 198


která je obsažena v červeném kalu, nebo je použita k jeho transportu na místo likvidace, je vysoce alkalická a je čerpána zpět do závodu a znovu použita. Při výrobě oxidu hlinitého vzniká významný odpad - červený kal, produkovaný během vyluhování oxidu hlinitého z bauxitu. Na jeho likvidaci jsou kladeny velké požadavky. Kal je všeobecně alkalický, obsahuje 3 ÷ 12 kg NaOH na tunu produkovaného oxidu hlinitého, což vyžaduje pečlivou manipulaci. Běžnou praxí je ukládat červený kal do speciálně konstruovaných, izolovaných odkališť v místě výroby, nebo blízko něho. Nadbytečná voda z odkališť se běžně vrací do výrobního procesu. Dalším odpadem, který je nutno odstraňovat jsou odpadní vyzdívky elektrolyzérů, obsahující rozpuštěný fluorid a rozpuštěný kyanid. Výroba mědi (Cu) V minulosti spočíval hlavní problém životního prostředí ve spojení s výrobou mědi z primárních zdrojů (rud) v emisích oxidu siřičitého (SO2) do ovzduší z pražení a tavení sulfidických koncentrátů. Tento problém se účinně řešil, až se dosáhlo 98 % odloučení oxidu siřičitého s následnou výrobou kyseliny sírové a kapalného SO2. Dalším problémem bylo snižování jemných prachových částic z různých procesů tavení a pyrometalurgických procesů. Řešení je převážně ve využívání účinných odlučovačů, časté uplatnění mají látkové filtry s vysokou účinností (koncentrace prachu ve vystupujících plynech nepřesáhne 10 mg/m3, což vede ke snižování emisí některých doprovodných těžkých kovů. Existuje také možnost tvorby dioxinů v důsledku přítomnosti malého množství chlóru v druhotných surovinách a rozklad dioxinů je problém, který se sleduje. Fugitivní a nezachycované emise jsou také problémem, který nabývá rostoucího významu a to jak pro primární, tak sekundární výrobu. Omezování emisí CO ze šachtových pecí se dosahuje optimalizací hořáků. Recyklace nahrazuje důležitou složku dodávek suroviny z rafinace mědi a z továrních zařízení. Měď se může získat z hlavních částí jejích aplikací a navrátit se do výrobního procesu z recyklace beze ztráty jakosti. Téměř 100 % nového nebo výrobního měděného šrotu se recykluje a podle některých studií se odhaduje, že 95 % starého šrotu, který je k dispozici se také recykluje. Veškeré sekundární suroviny činí v Evropské unii pro výrobu Cu okolo 45 %, ale v některých případech, jako je mosazný drát, se produkt vyrábí výhradně z recyklované mědi a mosazi s pouze malým přídavkem primárního zinku. Průmysl mědi vyvinul pokrokové technologie a provádí významné investice tak, aby byl schopen zpracovávat širokou paletu měděného šrotu, včetně slitin, nízkojakostních zbytků a zároveň být v souladu s rostoucími přísnými požadavky na ochranu životního prostředí. Výroba zinku (Zn) V minulosti byly hlavním problémem spojeným s výrobou Zn z primárních zdrojů emise SO2 do ovzduší z pražení a tavení sulfidických koncentrátů. Tento problém byl účinně vyřešen, nyní se dosahuje vysokého odloučení síry a vyrábí se kyselina sírová a tekutý SO2. Fugitivní emise z pražení a kalcinace jsou také velmi důležité a musí se s nimi počítat ve všech stádiích procesu. Loužením pražence a dalšího materiálu vzniká kapalina, která obsahuje železo. Odstraňování železa má za následek tvorbu významného množství tuhého odpadu, který obsahuje rozličné kovy. Zinek a výrobky s obsahem zinku se mohou v širokém rozsahu recyklovat. Odhady založené na spotřebách v minulosti a životnost produktů indikují, že se dosáhlo podílu rekuperace 80 % rekuperovatelného zinku. Systém recyklace zinku je zdaleka nejpokročilejší, a to nejen ve formě kovového zinku, ale také v několika rozličných podobách.

199


Výroba olova (Pb) V minulosti byly hlavním problémem spojeným s výrobou olova z primárních zdrojů emise SO2 do ovzduší z pražení a tavení sulfidických koncentrátů. Tento problém byl účinně vyřešen, když se nyní dosahuje vysokého odloučení síry a vyrábí se kyselina sírová a tekutý SO2. Hlavními problémy životního prostředí spojené se sekundární výrobou olova se také vztahují k výstupním plynům z použití rozličných pecí. Tyto plyny se čistí přes tkaninové filtry a tak se snižují emise prachu a sloučenin kovů. Existuje také možnost vzniku dioxinů v důsledku přítomnosti malých množství chlóru v sekundárních surovinách. Omezování emisí dioxinů je problém, který se aktuálně sleduje. Olovo je velký problém životního prostředí a mnoho sloučenin olova se řadí mezi toxické. Běžně je obecnou taktikou omezit emise na nejnižší možnou úroveň, což je dáno stavem technologie. Recyklace se obvykle provádí kdykoliv je to vhodné a ekonomické. Většina regulačních opatření se zabývá hlavně působením na člověka (lidé jsou většinou ovlivněni působením olova), ačkoliv existují určité případy, kdy mohou být vystavena i zvířata působení olova v životním prostředí. Legislativa na ochranu životního prostředí požaduje investice na snížení emisí olova do ovzduší. V současných letech bylo vyvinuto a bylo zavedeno několik nových technologií, které nabízejí efektivnější metody tavení koncentrátů olova. Tyto pochody také snížily emise do životního prostředí. Stávající pochody se zlepšily použitím účinných odlučovacích systémů. Baterie, které tvoří přes 50 % spotřeby olova, se recyklují s účinností více než 90 %.

200


10.2 Organické výroby základních chemikálií Průmyslová organická chemie je charakterizována výrobou obrovské šíře sloučenin a to z několika přírodních zdrojů na bázi uhlíku. Tato produkční pyramida je schematicky znázorněna na obrázku 10.11 s použitím názvosloví typického pro obor. Přibližný počet substancí

3 10

Přírodní zdroje Suroviny

Základní činnosti (Generické aktivity) SEPARACE TRANSFORMACE

50 500

Základní chemikálie

ZAVEDENÍ FUNKČNÍCH SKUPIN

Meziprodukty a monomery SYNTÉZY

70 000

Speciality a polymery

Obr. 10.11 Struktura průmyslu organické chemie

První separační kroky se odehrávají v rafineriích, koksovnách a podobných technologiích, kde se několik uhlíkatých přírodních zdrojů (ropa, zemní plyn nebo uhlí) používá k získání omezeného počtu velkoobjemových surovin pro chemický průmysl (např. frakce z ropy, koksochemické produkty atd.). Okolo 95 % organických produktů se dnes vyrábí z ropy a zemního plynu. Poměrně malý počet organických produktů pochází z uhlí (klesající trend) a z oblasti obnovitelné biomasy (rostoucí trend). Rafinérie, koksovny a podobné technologie zpracovávající přírodní zdroje, dodávají vstupní suroviny základním organickým technologiím, kde se transformují komplexní kombinací fyzikálních a chemických procesů na množství základních chemikálií (např. etylen, C3-C4 olefiny, BTX aromáty, syntetický plyn a acetylen). Základní chemikálie se podrobují sledu dalších zpracovatelských kroků, kterými se zavádějí funkční skupiny za vzniku ještě většího počtu meziproduktů a monomerů (např. alkoholů, aldehydů, ketonů, kyselin, nitrilů, aminů, chloridů). Meziprodukty se transformují na řadu chemických specialit a polymerů s vysokou užitnou a komerční hodnotou (např. rozpouštědla, detergenty, plasty, barviva a léčiva). Tato produkční pyramida pokrývá celé spektrum organického chemického průmyslu hromadně vyráběných chemikálií. Mezi průmyslovým zpracováním uhlovodíků, kde je základem rafinace ropy, a mezi průmyslem základní petrochemie jsou nezřetelné rozdíly (tyto sektory jsou často umístěny ve stejném závodě a mají společné produkty, např. olefiny a aromáty). Průmyslové zpracování uhlovodíků zahrnující zpracování ropy a zemního plynu, koksárenství a zpracování jeho produktů, tlakové zplyňování uhlí, výrobu syntetických paliv a podobné technologie bývají 201


také označovány za obor technologie paliv, protože jsou zde produkovány frakce používané přednostně jako paliva. Zatímco odvětví, zabývající se racionálním využitím uhlovodíků pocházejících z předchozího oboru (zpracování uhlovodíků, resp. technologie paliv), je označováno jako základní petrochemie – petrochemický průmysl. Jsou zde vyráběny specifické uhlovodíky, používané jako stavební kameny v širším chemickém průmyslu. Toto rozhraní je schematicky znázorněno na následujícím obrázku 10.12. Průmysl zpracování uhlovodíků

Průmysl zemního plynu

Průmysl základní petrochemie

Suroviny

Etan Propan Butan Nafta Plynový olej

Etylenová krakovací jednotka

Separace etylen/ propylen

Základní chemikálie Olefiny

Separace/ konverze butadienu

Mazut

Etylen Propylen Butadien

Rafinérské „olefiny“

Rafinace ropy

Pyrolýzní benzín

Předúprava pyrolýzního benzínu

Reformát

Nafta/LPG

Zemní plyn

Amoniakový syntézní plyn

Etanolový syntézní plyn

Extrakce a konverze

Syntéza amoniaku Syntéza metanolu

Aromáty

Benzen Toluen Xylen Produkty ze synplynu Amoniak Metanol

Obr. 10.12 Hranice mezi průmyslem uhlovodíků a petrochemickým průmyslem

Následující obrázek 10.13 dále ilustruje složitost průmyslu výčtem produktů dostupných ze základních uhlovodíkových surovin. Mnohé chemikálie jsou meziprodukty pro zbytek chemického průmyslu a mají samy o sobě omezené využití. Důsledkem tohoto komplexního postupného sledu reakcí je ojedinělý výskyt ojedinělých jednotek, vyrábějících pouze jeden produkt. Naopak chemické výrobny jsou obvykle velké, vysoce integrované výrobní jednotky, kombinující mnoho různých výroben. Integrace výrobních jednotek může přinést významné ekonomické efekty a rovněž může výrazně přispět k řešení problémů v oblasti ochrany životního prostředí.

202


Základní uhlovodíky Metan

Komoditní organické chemikálie

Metanol

Polymery

Formaldehyd

Pryskyřice Fenol

Kys. octová Lehký ropný destilát

MTBE

Kys. octová

Isobuten Acetaldehyd

Kys. octová Polyetylen

Etylenoxid Alkylfenoly

Detergenty

Etylenglykol Etylen

EDC Propylenglykol

Polyetery polyoly

Polyuretany

HCl PVC EDC

VCM Styren

Etylbenzen

Polystyren

Benzen Polypropylen n-butyraldehyd

2-etylhexanol

Kys. akrylová

Akryláty

Plastifikátory

Propylenoxid

Akrylátové polymery

Propylen Akrylonitril Isopropylalkohol

Akrylová vlákna

Aceton Metanol

Kumen Fenol

Kaprolaktam

Polymetylmetakryláty Nylon- 6

Benzen

Cyklohexan Nitrobenzen

Anilin

MDI

Polyuretany

Toluen Xyleny

TDI p-xylen

Kys. tereftalová

Buten-1 Buten-2

Etylenglykol Polyesterová vlákna

Dimetyltereftalát Sek. butanol

Metyletylketon MEK Polyisobuteny

Terc. butanol

Propylenoxid

Isobuten

Polybutadienový kaučuk

Isobutan

SBR kaučuk Butadien

Chlór

Styren

Polychloroprenový kaučuk

2-chlorobutadien Akrylonitril

Styren ABS polymer

Obr. 10.13 Cesty přípravy průmyslově vyráběných organických chemikálií

203


10.2.1 Nižší olefiny Hlavní vyráběné olefiny jsou etylen a propylen. Nejdůležitějším olefinovým procesem je výroba etylenu (a přidružená výroba butadienu a propylenu) krakováním, nebo dehydrogenací benzínů z primární destilace ropy a odpadních plynů z krakovacích procesů. Některé další hlavní olefinové procesy výroby jsou: Výroba etylenu (etenu) Největší význam má pyrolýza směsi uhlovodíků, např. primárních benzínů. Tepelným procesem nastává krakování a dehydrogenace. Krakování je nevratná reakce, kdežto dehydrogenováním je reakce rovnovážná. Teplotou lze pyrolýzu usměrňovat na požadované výrobky. Většinou se používá nízkoteplotní pyrolýzy cca 700 až 800 °C, kde vzniká cca 50 až 60 % etylenu. Výroba acetylenu Význam acetylenu jako chemického meziproduktu poklesl na úkor etylenu, propylenu a butadienu. Jeho použití je nyní omezeno hlavně na výrobu butandiolu a na použití jako svářecího plynu. Používají se dvě výrobní cesty: buď z karbidu vápníku (jeho suchou nebo mokrou hydrolýzou), nebo z uhlovodíků (pyrolýzou parciální oxidací surovin, oxidací metanu v elektrickém oblouku, případně pyrolýzou v regeneračních pecích). Výroba butenu Buten se vyrábí frakční destilací směsi butylenů a butanů pocházející z krakování. Proces nezahrnuje chemickou reakci. Zbytkové destilační produkty se používají pro jiné procesy; nevznikají zde žádné významnější emise.

10.2.2 Vyšší olefiny Jsou to lineární olefiny (alfa nebo s vnitřní dvojnou vazbou) v rozsahu C6 až C20. Produkt z výroby vyšších olefinů závisí na výrobní technologii i na vstupních uhlovodících (např. etylen, propylen, buten). Proces sestává ze dvou doplňujících se technologií z oligomerační syntézy alfa-olefinů z etylenu katalyzované ligandovým kovovým katalyzátorem rozpuštěným v rozpouštědle a z isomerizace, při níž se lehké C4 olefiny a C20 olefiny (plus nežádoucí C6 - C18 olefiny) konvertují molekulárním přesmykem na vnitřní olefiny středního rozsahu C6 - C14.

10.2.3 Aromáty Původně bylo pro výrobu aromátů využíváno výhradně produktů koksoven (koksárenský benzen a dehet) V současné době jsou vyráběny procesy tepelných a katalytických přeměn uhlovodíků z ropných frakcí tzv. aromatizačními procesy. Největší význam mají benzen, toluen, xylen a naftalen, dále z hlediska objemů výrob je to etylbenzen (vyrábí se kapalnou nebo parofázovou alkylací benzenu etylénem), styren (většinou se vyrábí dvoustupňovým procesem zahrnujícím katalytickou alkylaci benzenu etylenem za vzniku etylbenzenu [EB] následovanou katalytickou dehydrogenací EB na styren), izopropylbenzen – kumen (vyrábí se reakcí benzenu s propylenem), cyklohexan a alkylbenzeny.

204


10.2.4 Kyslíkaté sloučeniny Mezi tuto skupinu organických látek patří široké spektrum uhlovodíků s obsahem kyslíku, jako jsou alkoholy, aldehydy, ketony, karbonové kyseliny, estery, octany, étery a peroxidy. Z hlediska vyráběných hmotností patří mezi nejdůležitější formaldehyd (vyrábí se zejména oxidační dehydrogenací metanolu cca při 550 °C), metanol, fenol, etylenoxid, propylenoxid, kyselina tereftalová, kyselina octová, etylenglykol, aceton, ftalanhydrid, acetaldehyd (je vyráběn katalytickou oxidaci etylenu), etanol atd.

10.2.4.1 Výroba alkoholů Výroba etanolu, metanolu, izopropylalkoholu Většina průmyslového etanolu se vyrábí parofázovou hydratací etylenu na peletách z porézní hlinky za katalýzy pevnou kyselinou fosforečnou při teplotě okolo 240 °C a tlaku 6,8 MPa. Etanol se získá zkrápěním reakční směsi vodou. Nezreagovaný etylen se recykluje. Etanol se získá z vodného roztoku opakovanou destilací, následovanou azeotropickou destilací s benzenem. Alternativními cestami výroby etanolu jsou nepřímá hydratace etylenu kyselinou sírovou a alkoholická fermentace. Metanol se používá jako rozpouštědlo a jako surovina pro výrobu formaldehydu, kyseliny octové atd. Metanol vzniká katalytickou konverzí syntézního plynu (oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodík). Syntézní plyn vzniká s pomocí katalyzátoru krakováním zemního plynu (parní reforming). Existují vysokotlaká a nízkotlaká verze procesu. Izopropylalkohol (izopropanol) se vyrábí nepřímou nebo přímou hydratací. Nepřímou hydratací propylenu/propanu s použitím kyseliny sírové jako homogenního katalyzátoru vzniká izopropylalkohol a směs čtyř dalších rozpouštědel (di-izopropyleter, dimetylketon, sec-butylakohol a metyletylketon). Propylen a butylen ve směsném C3 a C4 proudu reagují se 70 – 75% kyselinou sírovou za vzniku odpovídajících alkylsulfátů, které se následně hydrolyzují na odpovídající alkoholy. Pro přímou hydrataci propylenu se používá heterogenní katalyzátor a to buď v parní fázi, v kapalné fázi, nebo ve směsi parní a kapalné fáze. Výroba fenolu Existuje řada cest k výrobě fenolu, které zanikly nebo mají velmi omezené použití (např. extrakce z kamenouhelného dehtu, sulfonace kyselinou sírovou, dehydrogenace cyklohexanonu/cyklohexanolu). Dnes je hlavní metodou výroby kumenový proces (cca 90 % světové výroby), menší produkce toluenovým systémem (Tolox) a monochlorbenzenovým postupem. Ve dvou stupních kumenového procesu vzniká nejprve kumen alkylací benzenu propylenem na zeolitovém loži (nebo ve starších výrobnách za katalýzy chloridem hlinitým nebo kyselinou fosforečnou). Jako vedlejší produkt vzniká polyizopropylbenzen, který se následně transalkylační reakcí s benzenem převádí na další kumen. Kumen se oddělí od reakční směsi a čistí se destilací. Ve druhém stupni se vyčištěný kumen oxiduje vzduchem na kumenhydroperoxid v kapalné fázi ve vícestupňovém reaktoru. Destilací se následně zvýší koncentrace kumenhydroperoxidu na 65 ÷ 90 %, ten se následně rozloží kyselým katalyzátorem (běžně kyselinou sírovou) ve štěpicím reaktoru na fenol, aceton a rovněž cenné vedlejší produkty (jako acetofenon a alfa-metylstyren). Fenol a aceton se pak čistí destilací. Toluenový (Tolox) proces je méně efektivní a méně běžný. Neposkytuje vedlejší produkt aceton. Toluen se při něm oxiduje vzduchem na benzoovou kyselinu (a koprodukty benzaldehyd a benzylalkohol), která se následně oxiduje na fenol a benzoan sodný. 205


Při monochlorbenzenovém procesu se benzen oxichloruje vzduchem a chlorovodíkem nebo vzduchem a chlorem na monochlorbenzen. Ten se následně v trubkovém reaktoru při 400 °C hydrolyzuje alkáliemi na fenol, případně se monochlorbenzen hydrolyzuje parou v plynné fázi za přítomnosti katalyzátoru při 450 °C.

10.2.4.2 Aldehydy Výroba acetaldehydu se vede oxidací etylenu nebo C3/C4 alkanů nebo oxidativní dehydrogenací etanolu. Oxidace etylenu probíhá ve vodném roztoku za homogenní katalýzy chloridy Cu nebo Pd. Jednostupňový proces vede ke chlorovaným vedlejším produktům (chloracetaldehyd), které se snadno biologicky odbourávají/hydrolyzují. Dvoustupňový proces vede k významným koncentracím (biologicky) neodbouratelných chlorovaných látek, které se mohou předem účinně odstranit hydrolýzou.

10.2.4.3 Ketony Nejznámějším ketonem je aceton. Může se vyrábět oxidací propylenu, dehydrogenací nebo oxidací izopropanolu, nebo vzniká jako vedlejší produkt z výroby fenolu. Další produkt – cyklohexanol se vyrábí se katalytickou oxidací cyklohexanu. Vedlejšími produkty jsou adipová, glutarová a skořicová kyselina (C1 – C5 kyseliny). V nových jednotkách se cyklohexanon/ol vyrábí hydrogenací fenolu.

10.2.4.4 Karboxylové kyseliny Kyselina octová se vyrábí oxidací (vzduchem) acetaldehydu v plynné fázi za přítomnosti octanu hořečnatého (katalyzátor) při 50 – 80 °C a za tlaku 1 MPa. Produkt oxidace se destiluje k odstranění plynů obsahujících acetaldehyd, octan metylnatý, oxid uhličitý, oxid uhelnatý a dusík. Obdrží se surová ledová kyselina octová obsahující formaldehyd a kyselinu mravenčí. Kyselina octová se rovněž vyrábí reakcí metanolu s oxidem uhelnatým, nebo také oxidací lehkých kapalných uhlovodíků. Chloroctová kyselina vzniká chlorací kyseliny octové. Vedlejší produkt HCl se chladí, kondenzuje a vrací do reaktoru a zbytková kyselost se odstraňuje zkrápěním ve skrubru. Vedlejší produkty dichloroctová kyselina a vodík se konvertují na monochloroctovou kyselinu, HCl a některé nežádoucí aldehydy (odstraňují se alkalickým zkrápěním). Kyselina mravenčí se získává jako vedlejší produkt z výroby kyseliny octové (katalytickou oxidací v kapalné fázi), nebo syntézními cestami založenými na mravenčanu metylnatém, mravenčanu metylnatém přes formamid, nebo mravenčan sodný. Metakrylová kyselina se vyrábí acetonkyanhydrinovým postupem nebo katalytickou oxidací izobutylenu nebo terc-butanolu v parní fázi. Acetonkyanhydrinový proces sestává z pěti výrobních stupňů počínaje konverzí kyanhydrinu na amid v míchaném reaktoru. Amid se následně hydrolyzuje na metakrylovou kyselinu. Ta se oddělí v děličce a čistí se destilací. Organické materiály se recyklují, spotřebovanou kyselinu je možno vracet zpět do procesu. Tereftalová kyselina se vyrábí se oxidací p-xylenu v kyselině octové za vzniku surového produktu a následnou selektivní katalytickou hydrogenací surového produktu, čímž se umožní získat čistou tereftalovou kyselinu. Oxidace a purifikace zahrnují krystalizaci reakčních produktů následovanou separací pevné a kapalné fáze (odstředěním nebo filtrací) a sušením pevné látky; čistá tereftalová kyselina se získá z vedlejších produktů z procesního rozpouštědla. 206


10.2.4.5 Estery Esterifikaci kyseliny akrylové různými alkoholy (např. metanolem nebo etanolem) se vyrábějí akryláty. Silně zapáchající emise se minimalizují spalováním odpadních plynů i vod. Dimetyltereftalát (DMT) se používá k výrobě polyesterových pryskyřic pro vlákna a fotografické filmy. DMT se vyrábí oxidací p-xylenu a metanolu za současné esterifikace.

10.2.4.6 Acetáty Vinylacetát se může vyrábět oxidací etylenu nebo katalytickou adicí acetylenu na kyselinu octovou. Etylen, kyselina octová a kyslík se podrobí reakci při 160 °C a tlaku 0,8 MPa v parní fázi za katalýzy vzácnými kovy nebo paladiem, zlatem a octanem draselným na peletách silikagelu. Produkt se ochladí, oxid uhličitý se odstraní horkým uhličitanem draselným a nezreagovaný kyslík a etylen se recyklují. Vinylacetát je rovněž možno vyrábět z acetylenu a kyseliny octové.

10.2.4.7 Anhydridy Ftalanhydrid se vyrábí katalytickou oxidací o-xylenu (nebo naftalenu) v plynné (nebo kapalné) fázi. Reaktorové plyny se chladí a surový produkt desublimuje v kondenzátorech, následně se vakuově destiluje k dosažení požadované čistoty.

10.2.5 Dusíkaté sloučeniny Z výroby dusíkatých sloučenin jsou hmotnostně nejvýznamnější zejména nitrobenzen, akrylonitril, kaprolaktam a anilin.

10.2.5.1 Aminy Aminy se odvozují od amoniaku náhradou jednoho nebo více vodíkových atomů alkylem. Aminy se dělí na primární, sekundární a terciární podle toho, jsou-li substituovány jeden, dva nebo tři atomy vodíku. Všechny tři etanolaminy, monoetanolamin (MELA), dietanoamin (DELA) a trietanolamin (TELA) se vyrábějí souběžně exotermní reakcí etylenoxidu a amoniaku. Reakce je vedena za zvýšené teploty a tlaku a nadbytku amoniaku za účelem úplné konverze etylenoxidu. Potřeba použít katalyzátor závisí na podmínkách reakce.

10.2.5.2 Aromatické aminy Anilín je jeden z nejvýznamnějších aromatických aminů je anilin. Vyrábí se redukcí nitrobenzenu, nebo katalytickou hydrogenací nitrobenzenu (v plynné nebo kapalné fázi). Cyklohexamin se vyrábí z anilinu hydrogenací v kapalné fázi za přítomnosti katalyzátoru (kobalt, nikl, ruthenium/paládium).

10.2.5.3 Amidy Amidy jsou charakterizovány přítomností karbamidové skupiny (-CONH2) připojené k uhlíku, např. formamid (HCONH2), karbamid (močovina). Akrylamid se vyrábí reakcí akrylonitrilu a vody v kontinuálním míchaném reaktoru při 100 °C a tlaku 0,4 MPa za účasti katalyzátoru na bázi mědi. K aktivaci katalyzátoru se 207


používá vodík. Produkt se z vodného roztoku po reakci získává parním stripováním. Močovina [CO(NH2)2] se používá hlavně k výrobě hnojiv, aditiv ke krmivům, pryskyřic a lepidel (kondenzací s formaldehydem), melaminu, barviv a laků. Močovina se vyrábí exotermní reakcí kapalného amoniaku a kapalného oxidu uhličitého při vysokém tlaku (20 ÷ 25 MPa) a teplotě (160 – 200 °C) - vzniká karbaman amonný. Karbaman amonný se termicky rozkládá na močovinu a vodu. Roztok močoviny se koncentruje v odpařováku na roztavenou močovinu (používá se krátká doba prodlevy, aby se minimalizoval rozklad na amoniak a kyanovou kyselinu). Alternativně se močovina krystalizuje a následně odstraňuje z roztoku odstředěním. Tavenina nebo krystaly močoviny mohou být použity jako surovina pro různé produkty, nebo se granulují.

10.2.5.4 Dusíkaté (nitro)nitrátové sloučeniny Nitrace má použití ve dvou hlavních oblastech - nitrace aromátů a výroba výbušin. Nitrace aromátů se provádí nitračním činidlem (často je to nitrační směs složená z kyseliny dusičné a sírové) v reaktorech. Reakční podmínky jsou velmi rozdílné, ale typicky se používá atmosférický tlak a teplota 100 °C. Po ukončení reakce se reakční směs ochladí vlitím do vody nebo na led (izolační nádoba). Při nitraci výbušin se glycerin nebo celulóza nitrují v reaktoru nitrační směsí při cca 0°C. Reakcí se uvolňují oxidy dusíku. Výsledná ochlazená emulze se separuje a promývá vodou a sodou. Odpadající kyselina se separuje a destiluje za účelem získání kyseliny dusičné a sírové. Obě kyseliny mohou unikat do ovzduší, vznikají kyselé odpadní vody.

10.2.6 Halogenované sloučeniny Mezi halogenovanými sloučeninami mají největší vyráběné hmotnosti dichloretan, vinylchlorid, metylchlorid, perchloretylen, chloroform a skupina dalších sloučenin (např. chlorbenzen, tetrachlormetan, trichloretylen, perchloretylen) s přibližně stejnými objemy výrob. Ve velkém se vyrábí i několik bromovaných produktů. Vyrábí se rovněž fluorované uhlovodíky. Halogenační procesy jsou obvykle velkotonážními výrobnami, kde vstupní uhlovodík reaguje s halogenem nebo s halidem v tlakovém kontinuálním reaktoru za zvýšené teploty a za přítomnosti katalyzátoru. Volba halogenačního činidla závisí na chemické povaze reakce. Vzniká řada halogenovaných produktů, které se rozdělují kondenzací a destilací v sérii kolon podle složitosti směsi. Kde je to možné, vracejí se vedlejší produkty do procesu. Nezreagované halogeny a halidy se izolují a vracejí do procesu nebo se jinak zužitkují, kdykoli je to možné. Je-li nezbytné odvádět odplyny, likvidují se unikající VOC odpovídající technikou (spálením, adsorpcí). Zbytky (jako např. destilační konce) se spalují a neskládkují. Nejvýznamnější halogenační reakcí je výroba etylendichloridu/vinylchloridu (EDC/VCM). Průmyslově se vyrábí z etylenu a acetylenu. Z acetylenu se výroba vinylchloridu provádí adicí plynného chlorovodíku za přítomností Hg katalyzátoru při teplotách cca 200 °C. Při chloraci etylenu chlorovodíkem vzniká nejdřív dichloretan, který se katalytický štěpí na vinylchlorid. Chlorfluorované uhlovodíky (CFC) se používají jako chladicí kapaliny a jako surovina pro výrobu monomeru TFE (tetrafluoretylen). CFC se vyrábějí z chloroformu a fluorovodíku za přítomnosti katalyzátoru. Jako vedlejší produkt vzniká chlorovodík, po vyčištění se prodává jako 30% vodný roztok. 208


10.2.7 Sloučeniny síry Sulfonační reakce v oblasti aromátů jsou obdobné sulfonacím/sulfatacím v alifatické řadě. Reakce pokrývá širokou oblast surovin a produktů. Většina z nich je charakterizována potřebou velkého nadbytku kyseliny (jako hnací síly reakce) a vývojem kyselých plynů. Sulfonací se často uvolňuje množství oxidu sírového (SO3), který je zachycován absorpcí 98% kyselinou sírovou ve skrubru s keramickou náplní a následným odstraněním mlhy. Při sulfonaci aromátů se do reaktoru nadávkuje organická látka a sulfonační směs (často směs kyseliny sírové a dusičné). Sulfonace probíhá za různých podmínek, nejběžněji však při atmosférickém tlaku a 100 °C. Pro ukončení reakce se směs vlije do vody nebo na led (obvykle v izolační nádobě). Úniky z reakční nádoby mohou obsahovat: -

kyselé páry (převážně kyselinu sírovou) z reakce a ředění, nezreagované sulfonační činidlo přidávané v nadbytku jako hnací síla reakce, emise VOC, kyselé odpadní vody.

Oxid sírový se často využívá při sulfataci/sulfonaci v alifatické řadě. Z reakce unikají kyselé páry, VOC a kyselé odpadní vody. Nejdůležitějšími produkty jsou alkylsulfonany (LAS) používané jako detergenty. Odpadní plyny mohou rovněž vznikat při neutralizaci kyselých reakčních produktů a při jakékoli místní výrobě za použití oxidu sírového. Sirouhlík se vyrábí reakcí síry v parní fázi s uhlovodíky (jako je metan, etan, propylen nebo zemní plyn). Směs plynů se zahřeje na 580 – 650 °C, tlak dosáhne 0,25 – 0,5 MPa, vzniká směs sirouhlíku a sirovodíku. Nezkondenzovaný sirouhlík se získává ze sirovodíku absorpcí v nepáchnoucím kerosenu, následuje stripování vodní parou.

10.2.8 Působení chemických závodů organické výroby na životní prostředí Organické výroby jsou natolik rozmanité, že jednotlivé technologie mají naprosto jiné vlivy na životní prostředí. Nejvíce závisí na vstupních surovinách a vedení procesu (teplota, tlak, suchý nebo mokrý proces, druh používaných doplňkových chemických substancí, použitý katalyzátor, volba alternativního způsobu výroby atd.). Proto i emise do ovzduší, znečištění vod, výskyt odpadů a další vlivy je nezbytné hodnotit specificky dle jednotlivých výrob. Pro ilustraci jsou dále uvedeny vlivy na jednotlivé složky životního prostředí u vybraných organických výrob. Výroba acetylenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Acetylen, amoniak, sirovodík a fosfiny z čištění dávkovací násypky generátoru. Acetylen z čištění odvodu z lože během regenerace. Amoniak a sirovodík ze zásobníku karbidu. Vody: Glykol z kalové nádoby kondenzátoru surového plynu (přispívá k BSK a CHSK). Vodní kondenzát z chlazení acetylenu a jeho kombinace s glykolem z vodního těsnění plynojemu. Chlorid vápenatý z výfuku sušárny. Amoniak a sirovodík ze zkrápění amoniaku, používaného k čištění surového acetylenu. Odpady: Uhlík a ferosilikáty z generátoru (důsledek nezreagovaných nečistot v karbidu). Chrom a rtuť z použitých pevných složek lože. Vápenatý hydrát může být znovu použit (např. k výrobě cementu, nebo k neutralizaci). 209


Výroba izobutenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Oxidy uhlíku, oxidy dusíku, PM10, VOC. Vody: Spodní proud z destilační kolony se stripuje a biologicky čistí. Odpady: Nevznikají specifické odpady. Energie: Endotermní proces. Výroba kumenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Plyny, kryjící obsah zásobníků, čistící plyny a plyny z nájezdu se obvykle vedou ke spálení, kde z nich vznikají oxidy uhlíku. Vody: Kyselina fosforečná, uhlovodíky a aminy z výpusti kyselé vypírky a ze závěrečného praní. Odpady: Použitý katalyzátor a zbytky z procesu. Výroba etylbenzenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Oxidy uhlíku a dusíku z regenerace katalyzátoru a z etylbenzenové pece; ztráty benzenu a dalších komponent z výstupů zásobníků a dávkování; ztráty těkáním benzenu, etylenu a etylbenzenu ze zařízení a armatur; komínové emise benzenu. Vody: Benzen v odvodňovacích vodách a uhlovodíky v parním kondenzátu. Čištěním mokrou oxidací nebo stripováním VOC (před zavedením do biologické čistírny). Proudy z neutralizace. Chladicí voda. Odpady: Použitá molekulová síta. Dehty a těžké frakce se použijí jako násada, nebo se spalují. Použité zeolitové katalyzátory se regenerují (typicky každé 4 roky) u externích specialistů. Energie: Reakce je exotermní. Odpadní organické plyny se recyklují nebo používají jako palivo. Plyny z nájezdu a ukončování výroby se spalují na fléře bez energetického zhodnocení. Výroba naftalenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Všechny odpadní plyny se spalují. Hlavní znečištění představují oxidy uhlíku a dusíku ze spalování. Vody: Neexistují žádné odpadní vody z procesu. Voda z čištění se zpracovává v biologické čistírně. Odpady: Pevné odpady se recyklují nebo dopravují ke zpracovateli. Energie: Endotermní proces. Výroba styrenu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Vodík z přípravy katalyzátoru; benzen a EB z destilací; EB, benzen, toluen a styren unikají z čistícího procesu a ze skladovacích zásobníků. Vody: Parní kondenzát, obsahující EB, benzen, toluen a styren, se stripuje dříve, než je odveden do biologické čistírny. Odpady: Destilační zbytky; zbytky s obsahem síry nebo dusíku z purifikace styrenu; použitý katalyzátor.

210


Výroba etylhexanolu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Spotřeba: Spotřeba surovin na 1 tunu 2-etylhexanolu je: 1 145 kg 100% butyraldehydu, 360 m3 vodíku a 1 kg niklového nebo měděného katalyzátoru. Výtěžek je ³ 98 %. Ovzduší: Odpadní plynný proud z hydrogenace a ze skladování meziproduktů může být spalován v závodní elektrárně. Odpadní plynný proud ze skladování konečného produktu (plnicí proces) může být vypouštěn do atmosféry bez úpravy. Odhadované ztráty jsou menší než 4 g na 1 t produktu. Vody: Odpadní vody tvoří zejména reakční vody z vodné aldolizace a procesní voda z praní meziproduktu 2-etylhexenal. Typický objem vod je 0,15 ÷ 0,20 m3/t produktu. C4 sloučeniny (převážně n-butyraldehyd a butyrát sodný) tvoří přibližně 50 % organiky ve vodách, zbytek jsou C8 sloučeniny (nebo C > 8). Proud je toxický pro ryby (LID = 32 ÷ 45), CHSK je < 50g/l (10 kg CHSK/t produktu). Odpadní vody vykazují mírnou biodegradabilitu v komunálních čistírnách odpadních vod, které jsou schopny snížit CHSK procesní vody o 60 % a reakční vody o > 90 %. To stačí k odbourání toxicity pro ryby. Ke zlepšení eliminace CHSK může být voda předčištěna neutralizací kyselinou sírovou a separací fází (snížení CHSK až o 40 %) a extrakcí 2-etylhexanolem kombinovanou s jeho následným oddestilováním (redukce CHSK až o 75 %). Organická zátěž se po předčištění a biologickém čištění sníží na 0,4 kg CHSK/t produktu (celková eliminace 95 %). Stejného efektu lze docílit optimalizací pracího stupně a čištěním v upravené čistírně odpadních vod. Spálením extraktu lze získat energii. Ve švédské jednotce zahrnuje čistička dekantaci, stripování, biologické čištění v biorotorech, sedimentaci a filtraci na pískovém filtru. Snížení organické zátěže je pak více než 99 % [SEPA, 2000]. Odpady: Obecně málo nebo žádné odpady k likvidaci. Odpady z poslední frakční destilace v množství < 50 kg/t produktu se spalují za energetickým účelem. Měď a nikl z použitého hydrogenačního katalyzátoru v množství < 0,4 kg/t produktu se recyklují. Výroba etanolu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Uhlovodíky z výstupů z výroby. Vody: Alkalické vody z praní vodného produktu před destilací a fosfáty z destilačních procesů. Reaktory jsou vyloženy mědí a z každé regenerace katalyzátoru narůstá obsah mědi v odpadních vodách. Odpady: Organická rozpouštědla, kyselina fosforečná a fosfáty z použitého katalyzátoru. Výroba izopropylalkoholu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Oxidy uhlíku, dusíku a síry ze spalování odpadních plynů z procesu; uhlovodíky z odvodu ze zásobníků, stripovacích kolon, kondenzátorů a mezizásobníků; izopropylalkohol z chladicí věže; chróm ze spalování břečky rozpouštědel; nikl ze spalování alkalických kalů. Vody: Alkoholy, ketony, furfural, měď a zinek z lapače vypouštěných vod, použitá kyselina sírová a soda. Odpady: Použitý mosazný katalyzátor, pokud se neregeneruje; popel ze spalovny. Výroba metanolu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Odpadní plyny se spalují na fléře. Hlavními emisemi jsou oxid uhličitý a 211


oxidy dusíku. Emise NOx mohou být omezeny zrušením výroby páry. Vody: Biologické čištění. Vody obsahují anorganické sloučeniny chlóru. Odpady: Odpady se recyklují nebo spalují. Energie: Proces spotřebovává vlastní energii (je energeticky neutrální). Výroba oxo-alkoholu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Oxidy uhlíku, dusíku a síry ze spalování procesních plynů a výstupu z provozních ejektorů; n-butanol a směs uhlovodíků z výstupu provozních ejektorů a spalování kalů. Vody: Suspendované pevné látky, butanoly, aldehydy a mravenčan butylnatý z kontaminovaných provozních vod. Odpady: Oxid zinečnatý, molybden, oxidy chrómu, železa a mědi a aktivní uhlí z odsíření, katalyzátory z reakce a aktivní uhlí z absorbérů. Výroba fenolu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Typickými emisemi moderní výrobny jsou (v kg/t produktů): propylen (0,4), propan (0,2), benzen (0,2), aceton (0,9), kumen (0,4), NOx (0,3), SO2 (0,01) a CO2 (520). Vody: Fenolické komponenty z odpadních vod se získávají zpět a vracejí do procesu. Proces generuje odpadní vody v množství 0,5 t/t produktů, které obsahují fenol (0,1 kg/t produktů), metanol (0,4 kg/t produktů) a DOC (2,4 kg/t produktů). Biologické čištění obvykle odstraní až 99,9 % fenolu. Odpady: Fenolový odpad, ručníky a kontaminované pracovní oděvy, laboratorní vzorky, sedimenty z nádob (během odstávky) a iontoměničové pryskyřice obvykle vznikají v množství 0,4 kg/t produktů a vyžadují zvláštní likvidaci. Obecné odpady (z úklidu, těsnění, stavební odpad, čištění) čítají 0,2 kg/t produktů se spalují nebo ukládají na skládce. Výroba anilinu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Emise NOx se často likvidují alkalickým zkrápěním před vypuštěním do ovzduší. Odplyny (obsahující hlavně metan a vodík) mají vysokou kalorickou hodnotu a mohou být použity jako palivo, nebo spalovány. Vody: Alkalické vody („červené vody“) jsou zvláště toxické, neboť obsahují nitrofenoly a pikrany uvolňující se při praní organické fáze. Obvyklé koncentrace se pohybují v rozmezí 1000 až 10 000 ppm. Jsou používány různé likvidační techniky zahrnující mokrou oxidaci, spalování a adsorpci na aktivním uhlí s následným spálením. Kyselý proud odpadních vod se obvykle po neutralizaci čistí v konvenční čistírně odpadních vod. Odpady: Zbytky katalyzátoru (měď na silikagelu) se skládkují nebo recyklují. Výroba akrylamidu - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Akrylonitril. Zbytkové emise do ovzduší se odstraňují zkrápěním. Vody: Měď z katalyzátoru se získává srážením a flokulací. Odpady: AMD polymer, měděný kal, kal z čistírny odpadních vod. Energie: Exotermní proces. Uplatňuje se zpětné získávání energie. Výroba močoviny - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Odvod plynů z prillovacích věží a z granulace obsahuje amoniak a rozprach 212


močoviny. To vyžaduje odstranění zkrápěním, lapači prachových podílů, nebo elektrostatickými odlučovači. Odstraňování amoniaku se může zdokonalit použitím kyselého praní, což ovšem brání vracení použitého roztoku do výroby. Odplyn z koncentrace močoviny obsahuje amoniak a oxid uhličitý. Vody: Reakcí vzniklých cca 300 kg vody na 1 t močoviny se nachází převážně v odpařovací jednotce. Amoniak a oxid uhličitý se z vod odstraňují stripováním nebo destilací. V hydrolyzéru se nečistoty z močoviny rozkládají na amoniak a oxid uhličitý (a vracejí se do procesu). Výroba chlorfluorovaných uhlovodíků - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Odpadní plyny se spalují. Získává se 30% roztok HF ve vodě k prodeji. Páry chlóru jsou vedeny k likvidaci. Znečišťujícími látkami jsou VOC, aromatické halogenované uhlovodíky, freony a trichlormetan - většinou z těkavých zdrojů. Vody: Stripováním vzduchem se odstraní z odpadních vod organické sloučeniny (např. chloroform) a páry se vedou ke spálení. Hlavními polutanty jsou anorganické sloučeniny chlóru a fluóru. Odpady: Použitý katalyzátor se regeneruje u externího dodavatele. Energie: Endotermní proces. Výroba sirouhlíku - vliv na jednotlivé složky životního prostředí: Ovzduší: Sirouhlík a sirovodík se zbavují stripováním parou stabilizátoru z násady a posílají se ke spálení na fléru. Plyny opouštějící absorpční kolonu obsahují sirovodík, síru a sirouhlík; filtrují se přes drátěné síto k odstranění unášených kapek před vstupem do Clausovy jednotky. Vyrovnávací výstupní ventil ze zásobníku sirouhlíku je pod metanovou ochranou (příp. zemní plyn), která je průběžně odváděna ke spálení na fléru (je znečištěna zbytky sirouhlíku). Stlačený vzduch se používá ke stripování sirouhlíku z přepadu vyrovnávací nádrže, vystupující plynný proud však i přesto může vyžadovat dočištění, obsahuje-li významné koncentrace sirouhlíku. Nepáchnoucí kerosen se může využít k absorpci par sirouhlíku emitovaných v průběhu plnění tankerů. Výstup par z kondenzátoru síry je veden ke spalovací fléře opláštěným potrubím. Provoz pece se zahajuje spalováním metanu a síra se uvádí zvolna, aby byla zaručena požadovaná konverze. Vody: Vodná vrstva ze stabilizátoru v sudu se surovinou se zbaví plynů parou a vede se do shromažďovací nádoby, kde se k ní přidá voda. Prací olej se vyčistí, aby se zamezilo vzniku sirných sloučenin, a následně se stripuje alkalickým polysulfidovým louhem. Odpady: Filtry na síru jsou plněny křemelinou, která se periodicky vyměňuje (obsahuje síru a anorganické nečistoty).

213


10.3 Průmysl zpracování ropy - rafinérie Ropa a zemní plyn jsou směsí mnoha uhlovodíků různé struktury. Složení těchto surovin se může významně měnit podle zdroje. Rafinérie ropy jsou komplexními závody, kde se kombinace a zařazení jednotlivých procesů může specificky měnit podle charakteristiky zpracovávané suroviny (ropy) a produktů, které jsou vyráběny. V rafinérii jsou často části výstupů některých procesů vedeny zpět jako nástřik do stejného procesu, použity jako nástřik do jiného procesu, použity jako nástřik do předřazených procesů, či míseny s výstupy jiných procesů k získání konečného produktu. Příklad je patrný z tabulky 10.1, která také ilustruje skutečnost, že rafinérské závody se liší v konfiguraci jednotek, propojení procesů, použité surovině, přizpůsobivosti na využití různých surovin, produktech, postupech mísení produktů, velikosti jednotek, uspořádání a ve způsobu řízení. Navíc je způsob provozování ovlivněn strategií provozující společnosti, situací na trhu, umístěním a stářím rafinérie, historickým vývojem, využitelnou infrastrukturou a legislativou k ochraně životního prostředí. To jsou důvody, proč se koncepce rafinérií, jejich uspořádání a způsob provozování, významně liší od rafinérie k rafinérii. Daleko nejdůležitějším cílem provozování rafinérií je výroba rozsáhlého sortimentu paliv, což má zásadní vliv na celkové uspořádání a způsob provozování. Nicméně některé rafinérie vyrábějí prodejné nepalivové produkty, jako např. suroviny pro chemický a petrochemický průmysl. Příkladem je výroba směsné benzínové frakce pro parní krakování, izolace propylenu a butylenu pro výrobu polymerů a výroba aromatických uhlovodíků. Dalšími speciálními produkty rafinérií je asfalt, mazací oleje, parafín a koks. Rafinaci ropy, jíž je ropa převáděna na prodejné produkty, je možné rozdělit do dvou fází s řadou podpůrných procesů. První fází je odsolování ropy. Ropa, vytěžená z ložiska, obsahuje celou řadu znečišťujících látek, především minerální soli, mechanické nečistoty, vodu, rozpuštěné plynné uhlovodíky (metan až butan) a jiné v závislosti na zdroji. V místě těžby je ropa částečně čištěná, avšak v rafinériích ropy podléhá důkladnému čištění od solí a provádí se odvodnění. Používají se různé postupy, jako je tlaková sedimentace, elektrostatické postupy, odstřeďování atd. Při čištění jsou použity deemulgátory směsí s vodou. Pak následuje destilace na jednotlivé složky (frakce). Lehké frakce a benzínové frakce jsou pak dále destilovány s cílem oddělit methan a ethan jako rafinérský topný plyn, získat LPG (propan a butan), složky pro mísení benzínů a suroviny pro petrochemický průmysl. Oddělování těchto lehkých frakcí je zavedeno ve všech rafinériích. Druhá fáze spočívá ve využití tří druhů zpracování frakcí (spojování, štěpení a změna struktury molekul). Při změně struktury se mění molekulární struktura frakcí buď štěpením molekul na molekuly menší, spojováním molekul za vzniku molekul větších, nebo změnou struktury při zachování velikosti molekul na výrobek vyšších užitných vlastností. Cílem těchto operací je převést některé destilační frakce na prodejné ropné frakce s využitím procesů na jejich úpravu. Tyto procesy definují typy rafinérií. Nejjednodušší postup je využíván v rafinériích, kde je zpracování omezeno na desulfuraci vybraných destilačních frakcí či jejich katalytické reformování. Množství získaných produktů jsou určena převážně jen složením ropy použité jako surovina. Pokud množství získávaných produktů neodpovídá požadavkům trhu, je nutné navíc zařadit konverzní jednotky, které umožňují dosáhnout bilance produktů odpovídající situaci na trhu. Počet možných kombinací procesů je vysoký. Nejjednodušší konverzní jednotkou je tepelné krakování, při němž je zbytek podroben působení tak vysoké teploty, aby byly větší molekuly štěpeny na molekuly menší. Zlepšeným procesem tepelného krakování je koksování, při němž je zbytek převeden na 214


destilát a koks. Aby byl zvýšen výtěžek a kvalita získaného produktu, byla vyvinuta řada modifikací procesů katalytického krakování, z nichž nejvýznamnější je fluidní katalytické krakování a hydrokrakování. Tab. 10.1 Hlavní produkty získávané rafinérskými procesy

PRODUKT ® RAFINÉRSKÁ JEDNOTKA ¯ Rozsah (počet) uhlíků Alkylace Výroba základového oleje Výroba asfaltu Katalytické krakování Krakování zbytku Katalytický reforming Pozdržené koksování Proces Flexicoking

Sek ce

LPG

Benzín

Petrolej/ technický benzín

Topný olej/ motor. nafta (diesel)

Těžký topný olej (HFO)

Základový olej

Koks/ Asfalt

C3-C4

C4-C12

C8-C17

C8-C25

>C8

>C15

>C30

2 3

Speciální

parafín

4 5 5 6 H2 7 7

Zplyňování

10

Etherifikace Procesy dělení Plynů

11 12

Výroba vodíku Hydrokonverze zbytku Hydrokrakování Hydrodesulfurace Isomerace Atmosférická destilace surové ropy Vakuová destilace Tepelné krakování/ Visbreaking Jednotka regenerace síry

14 14

málo výhřevný plyn syntézní plyn MTBE rafinérský topný plyn H2 H2

15 15 17 19

19 22 23 S

10.3.1 Destilace ropy Jak je zřejmé, některé z produktů jsou získávány více procesy, což dokumentuje složitost struktury technických zařízení a způsobů jejich použití, s nimiž je možné se setkat v rafinériích. 215


Součástí rafinace jsou rovněž různé podpůrné operace, které neslouží přímo k výrobě uhlovodíkových paliv, ale mají podpůrnou úlohu. Mohou zahrnovat výrobu elektrické energie, zpracování odpadních vod, získávání síry, výrobu aditiv, zpracování odpadních plynů, nakládání s produkty, jejich mísení a skladování a jiné.

Surová ropa, která je surovinou pro destilační jednotky ropy, je dodávána z tankoviště ze skladovacích tanků odsolené a vyčištěné ropy. V normálním provozu prochází jednotkou destilace ropy veškerá zpracovávaná ropa. Navíc je běžnou praxí, že všechny rafinérské produkty, které nesplňují požadavky odběratelů, jsou jako druhotné suroviny vraceny do jednotky destilace ropy.

10.3.1.1 Atmosférická destilace ropy Jednotka atmosférické destilace je důležitým prvním procesním stupněm rafinérie. Základem destilace je ohřev suroviny, její odpaření, frakcionace, kondenzace a ochlazení frakcí. Odsolená ropa je ohřáta na teplotu asi 300 ÷ 400 °C a nastřikována do vertikální destilační kolony pracující při atmosférickém tlaku, kde se větší podíl nástřiku vypaří a je dělen v koloně na více frakcí. Kolona má 30 až 50 destilačních pater. Uhlovodíky odebírané z hlavy kolony (lehká benzínová frakce) jsou vedeny přímo do navazujících procesů zpracování benzínové frakce. Z rektifikační kolony jsou odebírány z více destilačních pater boční proudy s odlišným rozmezím bodu varu. Ve směsích jsou v rovnováze složky s nižším bodem varu se složkami s vyšším bodem varu (těžšími složkami), od nichž mají být odděleny. Proto jsou z kolony odebírány frakce z pater, které jsou vedeny do samostatných malých stripovacích kolon se čtyřmi až deseti patry, do nichž je pod spodní patro nastřikována vodní pára. Vodní páry odhánějí těkavé podíly ze směsi. Jak pára, tak lehké podíly jsou vraceny zpět do hlavní rektifikační kolony nad patro, z něhož je frakce odebírána. Většina frakcí vyráběných v jednotce atmosférické destilace již může být prodána zpravidla po hydrogenační úpravě jako prodejný produkt, nebo použita jako komponenta pro mísení s produkty získanými v navazujících procesech. Zjednodušený proudový diagram destilace surové ropy je uveden na obrázku 10.14.

10.3.1.2 Vakuová destilace ropy Zbytek po atmosférické destilaci (mazut) je ohřát na teplotu kolem 400 °C, částečně odpařen (30 ÷ 70 % hmotnostních) a vstříknut do spodní části vakuové rektifikační kolony, pracující při tlaku mezi 0,004 ÷ 0,01 MPa. Vakuum v koloně je udržováno soustavou parních ejektorů, vakuových pump, spojených s barometrickými kondenzátory nebo kondenzátory výměníkového typu. Do spodní části kolony je vedena přehřátá vodní pára, aby byl dále snížen parciální tlak uhlovodíků v koloně a bylo usnadněno vypařování a separace látek. Nevypařená část nástřiku představuje vařákový produkt, jehož teplota je udržována na hodnotě okolo 355 °C, aby bylo omezeno jeho koksování. Páry vznikající odpařením jsou v koloně uváděny do styku s proudem cirkulačního oleje (vakuový destilát), jímž jsou vypírány strhované kapalné podíly. Proprané páry jsou kondenzovány ve dvou nebo třech zkrápěných sekcích. Ve spodní části kolony kondenzuje těžký vakuový destilát, někdy i střední vakuový destilát. V horní části vakuové kolony pak lehký vakuový destilát.

216


Obr. 10.14 Zjednodušené proudové schéma atmosférické destilace ropy (C - čerpadlo, S - separátor, K - kondenzátor, P - trubková pec, V - výměník tepla, Ch - chladič)

Lehké (nekondenzovatelné) podíly a vodní pára z hlavy kolony jsou kondenzovány a vedeny do separačního bubnu hlavového toku, kde se oddělují lehké nekondenzovatelné složky, zkondenzovaný těžší plynový olej a vodní fáze. Nejdůležitějším provozním aspektem jednotky vakuové destilace je kvalita těžkého vakuového oleje, zejména v případě, kdy je používán jako nástřik pro jednotku hydrokrakování. Zjednodušený proudový diagram vakuové destilace ropy je uveden na obrázku 10.15.

217


Obr. 10.15 Zjednodušené proudové schéma jednotky vakuové destilace (1 - trubková pec, 2 – vakuová kolona, 3 - boční kolonky, 4 - parní ejektor, 5 - barometrický kondenzátor, 6 – hydraulická uzávěrka, P - pára, V - chladicí voda)

Po destilaci následují další zpracovatelské procesy, jako je hydrogenační rafinace benzínů a olejů, reformování benzínů, výroba olejů a jejich odparafinování a odasfaltování, různé postupy krakování atd.

10.3.2 Výroba základového oleje Maziva jsou směsí různých druhů základového oleje a speciálních aditiv. Pro výrobu vhodného maziva jsou rozhodující některé vlastnosti základového oleje: viskozita, viskozitní index (vysoký viskozitní index znamená, že je viskozita velmi málo závislá na teplotě a naopak), vysoká odolnost vůči oxidaci, nízký bod tekutosti (bod tuhnutí) a citlivost k vlivu aditiv a snášenlivost s aditivy. Základem výroby základového oleje je oddělení složek s vhodným bodem varu ze zbytku po atmosférické destilaci využitím vakuové destilace. Pak jsou nežádoucí komponenty odstraněny vhodnými procesy, případně je využita hydrogenační rafinace. Základový olej je chemickou specialitou, k jehož výrobě nejsou vhodné všechny druhy ropy. Pro výrobny základového oleje jsou často jako surovina využívány těžké ropy. Komplex na výrobu základového oleje zahrnuje vakuovou destilační kolonu, jednotku pro odasfaltování , jednotku pro extrakci aromátů, jednotku pro odparafinování a někdy i jednotku pro vysokotlakou hydrogenaci a hydrogenační rafinaci k zlepšení barvy a stability produktu pro splnění specifikace kladené na produkt a k odstranění nečistot. Zjednodušené blokové schéma závodu na výrobu základového oleje je uvedeno na obrázku 10.16. 218


Do vakuového plynového oleje

Jednotka extrakce aromátů

Jednotka vakuové destilace

Jednotka vysokotlaké hydrogenace

Jedntka odparafinování

Atmosférický zbytek

Jednotka hydrogenační rafinace mazacího oleje

Transformátorový olej Vřetenový olej Lehký ložiskový olej Střední ložiskový.olej Bright stock Válcový olej

Odasfaltovaný olej Jednotka odasfaltování

Extrakt do HC nebo FCC

Míchání parafinu do topného oleje

Jednotka zpracování parafinu

Odpadní parafinový olej Parafin Do asfaltu

Vakuový zbytek

Obr. 10.16 Blokové schéma jednotky výroby mazacích olejů

Odasfaltování je prováděno rozpouštědlovým postupem. Odasfaltováním je vyráběna základní surovina pro výrobu mazacích olejů extrakcí vysokovroucích lehčích parafinických a naftenických uhlovodíků (asfaltenů a pryskyřic) z vakuového zbytku z jednotky vakuové destilace ropy. Tímto procesem je získán odasfaltovaný lehký a parafinický ropný extrakt a asfaltový těžký a aromatický rafinát. Jako rozpouštědlo je obvykle používán propan nebo směs propan-butan. Při použitých specifických podmínkách, 3,7 ÷ 4,0 MPa a 40 ÷ 70 °C, jsou nízkovroucí parafinické a naftenické uhlovodíky velmi dobře rozpustné v propanu. Při vyšších teplotách (100 °C) jsou prakticky všechny uhlovodíky v propanu nerozpustné. Rozpouštědlové (propanové) odasfaltování je typickým extrakčním procesem. Asfaltový produkt může být upraven na složku těžkého topného oleje, použit jako nástřik do jednotky koksování, nebo použit jako produkt - asfalt. Aromatickou extrakcí jsou z oleje použitého jako surovina extrahovány rozpouštědlem aromatické uhlovodíky, čímž se zlepší viskozita, odolnost vůči oxidaci, barva a zabrání se tvorbě pryskyřic. Používá se řada rozpouštědel. Extrakt po odstranění rozpouštědla většinou obsahuje ve vysoké koncentraci síru, aromatické uhlovodíky, nafteny a další uhlovodíky, a je často využit jako nástřik pro jednotku hydrokrakování nebo katalytického krakování. Jednotky vysokotlaké hydrogenace jsou využívány ke snížení obsahu aromatických uhlovodíků, olefinických sloučenin, které jsou přítomny v proudu základového oleje. Odparafinování mazacích olejů je nezbytné k zajištění potřebné viskozity oleje pro použití při nízkých teplotách ovzduší. Tento proces je využíván zejména při zpracování ropy bohaté na parafinické uhlovodíky. Převažujícím procesem je rozpouštědlové odparafinování. V jednotkách využívajících tento proces jsou z rafinátového proudu odstraněny složky s vysokým bodem tekutosti (hlavně parafíny). Nastřikovaný olej je zředěn rozpouštědlem ke snížení viskozity, ochlazen, aby se parafín vyloučil v krystalické formě a pak mohl být odstraněn filtrací. Parafín je použit buď jako nástřik pro katalytické krakování, nebo je odolejován a prodán jako průmyslový parafín. 219


10.3.3 Rafinérské procesy a nejdůležitější problémy ochrany životního prostředí Rafinérie jsou velkými vnitřně propojenými komplexy. Jsou průmyslovými centry, jimiž procházejí velké hmotnosti surovin. Rafinérie jsou také spotřebitelem značného množství tepla, energie a vody. Ze skladovacích a výrobních procesů unikají emise do ovzduší, do vody a do půdy, a to v takové míře, že ochrana životního prostředí se stala pro rafinérie zásadní součástí jejich činnosti. Druhy a množství emisí unikajících z rafinérií jsou dobře známy. Hlavními emisemi znečišťujícími ovzduší jsou oxidy dusíku a síry, prachové částice (hlavně ze spalovacích procesů) a těkavé organické sloučeniny. V rafinériích je používána jako pomocný materiál voda (jako procesní voda a voda chladicí). Voda je v procesech znečišťována ropnými látkami. Hlavními kontaminanty vody jsou uhlovodíky, sulfidy, amoniak a některé kovy. V porovnání s hmotnostním množstvím látek, které jsou v rafinériích zpracovávány, produkují rafinérie relativně malá množství tuhých odpadů. V současné době jsou tuhé odpady tvořeny rafinérskými kaly, nespecifickým odpadem (domovní kal, demoliční odpady atd.) a odpadními chemikáliemi (odpadní kyseliny, alkálie a katalyzátory.). Nejvýznamnějším zdrojem negativního vlivu rafinérií na životní prostředí jsou emise do ovzduší. Na každý milion tun surové ropy zpracované v evropských rafinériích (kapacita evropských rafinérií se pohybuje od 0,5 milionu tun ropy za rok po více než 20 milionů tun ropy za rok) emitují rafinérie 20 000 ÷ 820 000 t oxidu uhličitého, 60 ÷ 700 t oxidů dusíku, 10 ÷ 3 000 t prachových částic, 30 ÷ 6 000 t oxidu siřičitého a 50 ÷ 6 000 t těkavých organických sloučenin (VOC). Rafinérie produkují na 1 milion tun zpracované ropy 0,1 ÷ 5 milionů tun odpadní vody a od 10 do 2 000 t tuhého odpadu. Uvedená velká rozmezí hodnot emisí mohou být jen zčásti vysvětlena rozdíly v propojení procesů a v odlišné struktuře rafinérií (např. zda jde o jednoduché rafinérie a rafinérie komplexní struktury). Hlavní příčinou rozdílů jsou rozdíly v legislativních opatřeních v jednotlivých státech

10.3.3.1 Emise do ovzduší Hlavními zdroji emisí do ovzduší - oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, oxidů dusíku (NOx), prachových částic, oxidů síry (SO x) - jsou elektrárny, kotle a procesní ohřevné pece a jednotka fluidního katalytického krakování. Rafinérské procesy spotřebovávají velká množství energie, bilancování emisí ukazuje, že zpravidla více než 60 % emisí unikajících z rafinérie do ovzduší je z procesů výroby tepla a energie. K emisím přispívají i bezpečnostní hořáky a jednotky procesů síry. Jednotky regenerace katalyzátorů a jednotky koksování emitují prachové částice. Těkavé organické sloučeniny (VOC) unikají ze skladování surovin a produktů a z manipulace s produkty, nakládání a vykládání, dále unikají z jednotek na čištění odpadních vod, např. z lapačů olejů v čistírně odpadních vod. Dalším zdrojem emisí VOC jsou netěsnosti přírub, ventilů, těsnění a sběrných systémů kapalin. Dalšími emisemi do ovzduší jsou H2S, NH3, BTX, CS2, COS, HF a kovy jako složky prachových částic (V, Ni a jiné). Při spalovacích procesech je dusík (hlavně dusík obsažený ve spalovacím vzduchu) převáděn na oxidy dusíku, směs NO2 a NO. Velmi důležitou roli mají podmínky spalování. N2O (rajský plyn) je velmi účinným skleníkovým plynem, který navíc přispívá k narušení ozónové vrstvy. Oxidy dusíku (NOx) po uvolnění do ovzduší reagují s vodou a tvoří složku kyselých dešťů. Dále pak jsou složkou, která v součinnosti s těkavými organickými sloučeninami 220


vytváří tzv. přízemní ozón (ozónový smog). Hlavním zdrojem emisí oxidu dusíku jsou spalovací procesy. Při spalovacích procesech je dusík (hlavně dusík obsažený ve spalovacím vzduchu) převáděn na oxidy dusíku, směs NO2 a NO. Emise prachových částic se staly středem pozornosti zejména proto, že mohou působit zdravotní problémy. Emise unikají do ovzduší zvláště při spalování topných olejů, a to zejména tehdy, nejsou-li podmínky spalování optimální. Dalším zdrojem emisí je regenerace katalyzátoru v jednotce fluidního katalytického krakování. Oxidy síry (SOx) po úniku do ovzduší reagují se vzduchem, slučují se s vodou a tvoří složku kyselých dešťů (kyselinu sírovou). Hlavním zdrojem emisí SOx je výroba energie. Při spalování je síra přítomná v palivu převáděna na směs SO2 a SO3. Dalším zdrojem, zpravidla však méně významným, jsou odpadní plyny z jednotky zachycování a výroby síry. Mezi obsahem síry v palivu a obsahem síry ve spalinách je zcela jasná vazba. Obecně je možné konstatovat, že obsah síry v rafinérském topném oleji je výsledkem ekonomické optimalizace, která bere v úvahu nároky na potřebu energie, typ zpracovávané ropy a hodnoty stanovených emisních limitů. Těkavé organické sloučeniny (VOC), jak již bylo uvedeno výše, mohou vlivem slunečního záření reagovat s oxidy dusíku NOx za tvorby tzv. přízemního ozónu. Dále pak mohou být těkavé organické látky zdrojem obtěžujícího zápachu, na který si stěžují obyvatelé v okolí. Zdrojem emisí těkavých organických sloučenin je odpařování produktů a únik produktů netěsnostmi zařízení při skladování a při distribuci frakcí. Zdrojem emisí uhlovodíků mohou být i spalovací procesy, pokud nejsou nastaveny správně podmínky spalování. Tento podíl je však zpravidla jen nevýznamný. Oxid uhelnatý (CO) je vždy meziproduktem spalování organických sloučenin ve spalovacích procesech, zejména při spalování za nedostatku kyslíku. Emise CO z rafinérií jsou však mnohem méně významným problémem než emise CO2. Po tom, co rafinérie dosáhly značného pokroku v zachycování emisí sloučenin síry, se pozornost soustřeďuje na omezování emisí těkavých organických sloučenin (včetně sloučenin, které jsou nositeli zápachu), prachových částic (z hlediska velikosti částic a jejich složení) a NOx, které jsou středem pozornosti z hlediska ochrany ovzduší obecně. Pokud se středem obecného zájmu stane problém emisí oxidu uhličitého, bude to mít samozřejmě významný vliv i na činnost rafinérií. V tabulce 10.2 jsou velmi stručně charakterizovány zdroje emisí do ovzduší s uvedením jejich hlavních zdrojů. Tab. 10.2 Hlavní polutanty ovzduší unikající z rafinérií a jejich hlavní zdroje

Druh emise Oxid uhličitý

Oxid uhelnatý

Hlavní zdroj emisí Procesní pece, kotle, plynové turbiny Regenerátor fluidního katalytického krakování Kotel na spalování CO Bezpečnostní hořáky Jednotky spalování odpadu Procesní pece, kotle Regenerátor fluidního katalytického krakování Kotel na spalování CO Jednotka výroby síry Bezpečnostní hořáky Jednotka spalování odpadu 221


Oxidy dusíku (N2O, NO, NO2)

Prachové částice (včetně kovů)

Oxidy síry

Těkavé organické sloučeniny

Procesní pece, kotle, plynové turbiny Regenerátor fluidního katalytického krakování Kotel na spalování CO Kalcinace koksu Bezpečnostní hořáky Jednotka spalování odpadu Procesní pece, kotle, zejména při spalování kapalných paliv Regenerátor fluidního katalytického krakování Kotel na spalování CO Koksování Jednotka spalování odpadu Procesní pece, kotle, plynové turbiny Regenerátor fluidního katalytického krakování Kotel na spalování CO Kalcinace koksu Jednotka výroby síry Bezpečnostní hořáky Jednotka spalování odpadu Skladování a manipulace s materiály Jednotka získávání plynů Lapače olejů v jednotce čištění vody Úniky netěsnostmi (ventily, příruby atd.) Odvětrávání aparátů Bezpečnostní hořáky

Oxid uhličitý (CO2) je skleníkovým plynem, kterému je v současné době věnována zvýšena pozornost v souvislosti se změnami podnebí. Hlavním zdrojem produkce CO2 je výroba energie. Od první tzv. ropné krize v roce 1973 se rafinérie ropy zaměřily na zvýšení účinnosti využití energie. Přes přijatá opatření ke zvýšení energetické účinnosti spotřeba energie v rafinériích roste, protože se zvýšily nároky na kvalitu produktů, a požadavkem bylo zvýšit produkci pohonných hmot na úkor těžkých topných olejů.

10.3.3.2 Znečištění vod Voda je v rafinériích využívána ve velkých množstvích, a to jako procesní voda a voda chladicí. Při použití vody je voda zpravidla znečištěna ropnými látkami, což se projevuje zvýšením hodnoty biologické - BSK (nebo chemické - CHSK) spotřeby kyslíku odpadní vody. Odpadní vody v rafinérii ropy pocházejí z následujících zdrojů: Procesní voda, pára a prací voda. Tyto proudy vody přišly do styku s procesními médii. Vedle ropných látek obsahují sulfan (sirovodík H2S), amoniak (NH3) a fenoly. Čím ostřejší podmínky jsou použity v konverzních jednotkách, tím vyšší je obsah H2S a NH3 přecházející do procesní vody. Procesní vody jsou čištěny soustavou již známých a odzkoušených postupů, než jsou vypouštěny do vodních toků. Chladicí voda je používána buď v režimu na jeden průchod, nebo v režimu s cirkulací. Proud chladicí vody by mohl být neznečištěn ropnými produkty, vlivem netěsností zařízení do něj však mohou pronikat ropné produkty. Při použití chladicí vody v systému na jeden průchod mohou i při nízké koncentraci ropných látek v odpadní vodě unikat značná množství ropných látek.

222


Dešťová voda z plochy výrobních jednotek. Tento vodní proud nepřichází do přímého kontaktu s ropnými produkty, ale splachuje látky z ploch, které mohou být znečištěny ropnými látkami. Někdy jsou tyto vody označovány jako náhodně znečištěné ropnými látkami a musí projít čištěním před jejich vypuštěním do toků. Dešťová vody z neprocesních ploch. Tento proud není znečištěn ropnými produkty. Hlavními znečišťujícími látkami odpadních vod jsou ropné látky, hlavně uhlovodíky. Dalšími polutanty přecházejícími do odpadních vod jsou sulfan, amoniak, fenoly, benzen, kyanidy a nerozpuštěné (suspendované) látky obsahující kovy a anorganické sloučeniny (např. halogenidy, sírany, fosfáty, sulfidy). V tabulce 10.3 je uveden přehled nejdůležitějších polutantů vody a nejdůležitějších zdrojů jejich vzniku. Tab. 10.3 Hlavní polutanty odpadních vod produkovaných v rafinérii

Polutant vody Ropné látky

H2S (RSH) NH3 (NH4+) Fenoly Organické sloučeniny (BSK, CHSK, TOC) CN-, (CNS-) Celkové nerozpuštěné látky

Zdroj Destilační jednotka, hydrogenační úprava, visbreaking, katalytické krakování, hydrokrakování, mazací oleje, vyčerpané alkálie, zátěžová voda, podpůrné provozy (dešťová voda) Destilační jednotka, hydrogenační úprava, visbreaking, katalytické krakování, hydrokrakování, mazací oleje, vyčerpané alkálie Destilační jednotka, hydrogenační úprava, visbreaking, katalytické krakování, hydrokrakování, mazací oleje, sanitární a domovní vody Destilační jednotka, visbreaking, katalytické krakování, vyčerpané alkálie, zátěžová voda Destilační jednotka, hydrogenační úprava, visbreaking, katalytické krakování, hydrokrakování, mazací oleje, vyčerpané alkálie, zátěžová voda, podpůrné provozy (dešťová voda), sanitární a domovní vody Visbreaking, katalytické krakování, vyčerpané alkálie, zátěžová voda Destilační jednotka, visbreaking, katalytické krakování, vyčerpané alkálie, zátěžová voda, sanitární a domovní vody

Postupy používané v rafinériích k čištění odpadních vod jsou již velmi dokonalé a odzkoušené, hlavní pozornost se nyní soustřeďuje na prevenci úniku látek do odpadní vody a snížení úniků látek do odpadních vod. Množství unikajících látek je možné ovlivnit především snížením spotřeby vody a snížením koncentrace polutantů v odpadních proudech.

10.3.3.3 Výskyt tuhých odpadů Množství odpadů produkované v rafinériích je relativně malé v porovnání s množstvím procházejících surovin a množstvím vyráběných produktů. Odpady vznikající v rafinérii je možné obvykle rozdělit do tří skupin: kaly, jak ropné (např. úsady ze skladovacích tanků), tak neropné (např. kaly z čistírny odpadních vod), jiné odpady z rafinérie, zahrnující nejrůznější kapalné a polotuhé nebo tuhé odpady (např. kontaminovanou zeminu, desaktivované katalyzátory z procesů konverze suroviny, ropné odpady, popel ze spalování odpadů, vyčerpané alkálie, vyčerpaná hlinka, vyčerpané chemikálie, kyselé dehty atd.), 223


nerafinérské odpady, např. domovní odpad, demoliční odpad a stavební odpad. V tabulce 10.4 je uveden souhrn hlavních typů tuhých odpadů produkovaných v rafinérii a hlavní zdroje jejich vzniku. Tab. 10.4 Hlavní skupiny tuhých odpadů z rafinérií

Typ odpadu Ropné materiály

Kategorie Ropné kaly

Tuhé materiály

Neropné materiály

Sudy a zásobníky Radioaktivní odpad (pokud je použit) Úsady Stavební a demoliční odpady Vyčerpané chemikálie

Pyroforické odpady Směsné odpady Odpadní ropné produkty

Desaktivované katalyzátory (mimo s drahými kovy) Ostatní materiály

Zdroj úsady z tanků, kal z biologického čištění, kaly z lapačů kalu, kaly z čistírny odpadní vody, kontaminovaná zemina, kaly z odsolování kontaminovaná zemina, drť znečištěná ropnými produkty, filtrační kyselá hlinka, filtrační tkanina, filtrační materiály, ucpávky, izolace, aktivní uhlí katalyzátor z fluidního katalytického krakování, hydrodesulfurace, hydrogenační úpravy, katalyzátor z polymerace, desaktivované katalyzátory z konverze pryskyřice, kaly z napájecí vody kotlů, sušicí sorbenty a adsorbenty, neutrální kaly z alkylace, kaly z odsíření spalin kovové, skleněné, plastové obaly, obaly od nátěrů katalyzátory, laboratorní odpad obsahující olovo, prosté olova, rez kovový šrot, beton, asfalt, zemina, asbest, minerální tkanina, plasty, dřevo laboratorní odpady, alkálie, kyseliny, aditiva, uhličitan sodný, rozpouštědla, MEA/DEA (mono-, diethanolamin), TML/TEL (tetramethyl / tetraethylolovo) úsady z tanků a procesních jednotek domovní odpad, rostlinný odpad mazací oleje, obráběcí oleje, transformátorové oleje, regenerované oleje, motorové oleje

Ropné produkty zadržované v odpadních kalech představují provozní ztrátu. Proto, kde je to možné, je účelné je zachytit a regenerovat. Způsob zpracování a likvidace tuhých odpadů je závislý na jejich složení a na specifické situaci rafinérie. Protože likvidace odpadů se stala ekonomicky náročnou operací, jsou všude aplikovány programy minimalizace produkce odpadů. Trend v produkci odpadů naznačuje, že se všeobecně produkce ropných odpadů snižuje, hlavně přijetím opatření směřujících k zvýšení úrovně provozní praxe, současně však roste množství kalů produkovaných v biologickém stupni čištění odpadní vody jako důsledek zvýšení účinnosti čištění odpadní vody. Zvyšuje se také množství odpadních desaktivovaných 224


katalyzátorů, protože byly instalovány nové jednotky hydrokrakování, hydrogenační úpravy a katalytického krakování. Množství tuhých odpadů zvyšuje i instalace účinnějších zařízení na zachycování katalyzátoru z jednotky katalytického krakování.

10.3.3.4 Kontaminace zeminy a podzemních vod Na ploše většiny rafinérií jsou oblasti, které byly během historického vývoje rafinérie kontaminovány ropnými produkty - staré ekologické zátěže. V současné době je úroveň provozní praxe natolik vysoká, že je vyloučena kontaminace manipulačními úniky a úniky netěsností zařízení. V minulosti si provozovatelé rafinérií neuvědomovali důležitost zábrany kontaminace zemin a podzemní vody. V tomto směru jsou důležité dvě oblasti: zabránit dalšímu znečištění zemin a podzemní vody a sanace oblastí historické zátěže. Většina ropných frakcí je tvořena sloučeninami, které jsou biologicky rozložitelné, i když jejich biologický rozklad probíhá jen pomalu. Představy o sanacích těchto znečištěných oblastí se během posledních let měnily. Nové znalosti o procesech sanace těchto kontaminovaných oblastí, které jsou stále ještě součástí výrobních podniků, vyústily do soustavy pravidel, jak využívat dále tyto plochy a zajistit, aby se znečištění nešířilo mimo území rafinérie. V současné době probíhá rozsáhlý výzkum, jehož cílem je vývoj metod, jimiž je možné zabránit rozšiřování kontaminace mimo dané území, zejména hydraulickými clonami. Výzkum je zaměřen i na metody čištění zeminy in situ, tedy přímo na daném pozemku. Hlavní oblastí kontaminace půdy a podzemní vody jsou zejména místa, kde je ropa překládána a zpracovávána na produkty, kde mohou uhlovodíky unikat a pronikat do horninového prostředí. Procesy úniku jsou typicky spojeny se skladováním, čerpáním a přepravou uhlovodíků samotných nebo se zpracováním odpadních vod znečištěných uhlovodíky. Zdrojem znečištění může být manipulace s jinými látkami, znečištěnou vodou, katalyzátory a odpady.

10.3.3.5 Další environmentální aspekty Předmětem obtěžování okolí závodu jsou zpravidla problémy hluku, světelných efektů a emisí kouře, dále pak problémy zápachu, které se mohou přímo týkat sídlištních oblastí v okolí rafinérie. Jako obtěžování okolí světlem mohou být vnímány v noci bezpečnostní hořáky na spalování odpadních plynných proudů umístěné v okolí obytných oblastí. Od sedmdesátých let věnovaly rafinérie ropy velkou pozornost zvyšování bezpečnosti provozu, a to jak v oblasti konstrukce zařízení, tak v oblasti výcviku obsluhy, vývoji výrobních postupů a vývoji pomůcek na ochranu obsluhy. Zvýšená pozornost věnovaná problémům bezpečnosti, výcvik, bezpečná konstrukce aparátů a odpovídající prostředky osobní ochrany obsluhy vedly k trvalému poklesu počtu případů ohrožení zdraví, úrazů, havárií a situací haváriím blízkých. Ochrana zdraví na pracovišti je součástí postupů zvyšování bezpečnosti výrobních procesů. Cílem je snížit vystavení zaměstnanců působení toxických látek, zajistit podmínky k ochraně jejich zdraví včetně vybavení ochrannými pomůckami a zajistit jejich pocit bezpečí a příjemného pracovního prostředí. K poklesu počtu nehod a úrazů přispělo informování a školení zaměstnanců, výcvik zaměstnanců, poskytnutí prostředků osobní ochrany spolu se systematickým tlakem na striktní dodržování předepsaných provozních podmínek. Typickými polutanty, které mohou ohrožovat zdraví zaměstnanců, jsou sulfidy, BTX (z nichž nejdůležitější je benzen), amoniak, fenoly, HF, NOx a SOx. Pro tyto látky jsou předepsány nejvyšší povolené koncentrace na pracovišti.

225


Součástí řešení konstrukce rafinérských jednotek a způsobů jejich řízení musí být i opatření pro jejich bezpečné odstavení s minimálními emisemi. Tato opatření musí zajistit, aby i v případech nouzového odstavení jednotky bylo naprogramováno zastavení nástřiku zastavením čerpadel, spuštěn systém bezpečnostních ventilů, odtlakovací systém vypuštění obsahu do bezpečnostních spalovacích hořáků a jiných zařízení. Příkladem takových situací jsou případy selhání pomocných podpůrných jednotek, prasknutí aparátu či požár nebo exploze. Havarijní situace, jejichž důsledkem může být přímý únik produktů do okolí z částí závodu, které nejsou napojeny přímo na automatizované systémy, jako je prasknutí potrubí nebo skladovacího tanku, musí být ošetřeny standardními bezpečnostními postupy. Cílem těchto opatření je minimalizace a záchyt úniků, po němž následuje rychlé vyčištění provozních prostor, jehož cílem je snížit dopad na životní prostředí.

Literatura (kap. 10): [1] www.ippc.cz/obsah/viewtopic.php?t=39, 1) dokument BREF LVIC-AAF - Velkobjemové anorganické chemikálie – amoniak, kyseliny a průmyslová hnojiva 2) dokument BREF LVIC-S - Velkoobjemové anorganické chemikálie – pevné látky 3) dokument BREF CAK - Chloralkalické chemikálie 4) dokument BREF SIC - Speciální anorganické chemikálie 5) dokument BREF CL - Výroba cementu a vápna 6) dokument BREF GLS - Sklo 7) dokument BREF NFM - Neželezné kovy 8) dokument BREF LVOC - Velkobjemové organické chemikálie 9) dokument BREF OFC - Speciální organické chemikálie 10) dokument BREF REFF - Rafinérie [2] UN–ECE Task Force Management on By-Products/Residues Containing Heavy Metals and/or Persistent Organic Pollutants. Status Report compiled by HACKL, A.E., SAMMER, G., WINTER, B. Wien: Umweltbundesamt, 2001. [3] NEISER, Jan et al. Základy chemických výrob. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1988. [4] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986. [5] www.petroleum.cz/zpracovani/zpracovani-ropy

226


11 Potravinářský průmysl Nejvýznamnější potravinářské výroby jsou biochemické pochody a výroby zpracovávající zemědělskou produkci - zpracovatelské postupy. Mezi nejvýznamnější biochemické technologie patří výroba sladu a piva, vína, lihu, droždí, krmných kvasnic, některých organických kyselin (octová, citrónová, mléčná), ale i enzymů. Ze zpracovatelských technologií je nejvýznamnější masný průmysl, výroba cukru, škrobu, mouky, mléčný průmysl atd. Výroby jsou natolik rozmanité a variabilní, že má smysl uvést pouze některé typické postupy, charakterizující principy biochemických i zpracovatelských pochodů.

11.1 Výroba sladu Sladem rozumíme produkt vzniklý máčením, vyklíčením a usušením obilných zrn (obilek). Průmyslově se slad používá nejen pro výrobu piva (pivovarský slad), ale i lihu (lihovarský slad), limonád, pečiva a taktéž v cukrárenství. Pro jeho přípravu jsou využívány převážně odrůdy ječmene jarního a v menší míře též odrůdy jiných obilnin (např. pšenice, kukuřice, proso). Hlavními oblastmi pěstování sladovnického ječmene jsou zejména Haná, Lounsko a Žatecko. Cílem sladování je přeměnit ječmen na slad, který by byl obohacen o enzymy a extrakt, a to za minimálních nákladů na výrobu a ztráty. Samotná výroba sladu zahrnuje tři hlavní technologické kroky (viz obr. 11.1): Hlavním smyslem máčení v náduvnících je řízené zvýšení obsahu vody v obilných zrnech tak, aby mohlo dojít k iniciaci klíčení. Z původních 12 až 15 % je obsah vody v zrnu zvyšován na 42 až 48 %. Voda v tomto případě slouží taktéž pro omytí zrna, odstranění lehkých nečistot a následné vyloužení a odplavení nežádoucích látek ze zrna. Zvýšením obsahu vody v obilných zrnech dochází ke klíčení a také k nastartování řady fyziologických procesů, např. k aktivaci popř. syntéze širokého spektra enzymů. Největší skupinu těchto látek tvoří tzv. hydrolytické enzymy. Patří k nim amylolytické enzymy α a ßamylasa štěpící škrob, proteolytické enzymy katalyzující štěpení bílkovin a v neposlední řadě též cytolytické enzymy rozkládající buněčné stěny. Z dalších látek jsou významné též enzymy ze skupiny oxidoreduktas, látek podílejících se na oxidačně-redukčních procesech v klíčících zrnech. Příkladem mohou být zejména polyfenoloxidasy. Vedle melanoidních reakcí se podílejí na tvorbě barevných produktů v průběhu sušení sladu, varním procesu či následném chlazení mladiny. Mimoto ovlivňují kondenzační reakce polyfenolů s bílkovinami, čímž podporují nevratnou tvorbu nerozpustných koloidních zákalů. Ty jsou naopak považovány za nežádoucí element, zejména ve vychlazeném pivu. Proto se v průběhu výroby piva obsah polyfenolů záměrně snižuje tak, aby k vytváření zákalu docházelo jen minimálně. Mokré zrno je rozprostřeno do cca 10 cm vysokých vrstev na tak zvaná sladová humna, což jsou chladné klenuté místnosti bez přístupu denního světla. Zde se nechají zrna po dobu šesti až sedmi dní za neustálého obracení vyklíčit. Když je zrno dostatečně naklíčeno, je shrnuto a přemístěno na hvozd, kde dochází k jeho sušení. Cílem sušení sladu na tzv. hvozdě je snížení obsahu vody až pod 2 %, inaktivace enzymů a následně i zastavení všech vegetačních procesů, zejména pak klíčení. Tato fáze sladovnického procesu je velmi důležitá, protože se při ní ovlivňuje nejen výsledná barva, ale i chuť a vůně sladu. Vše závisí na tom, jaký slad vlastně chceme připravit. Zda světlý, tmavý nebo nějak speciální. Podle toho volíme typ hvozdu, teplotu a dobu sušení apod. U nás 227


převládá výroba světlého (plzeňského) sladu. Po hvozdění je slad zbaven klíčků, rozemlet (zrno je rozdrceno do té míry, aby byl obsah přístupný při nastírání ve varně při výrobě piva).

Obr. 11.1 Schematické znázornění výroby sladu a piva: 1 – ječmen, 2 – náduvníky, 3 – sladová humna, 4 – sušení na hvozdě, 5 – čištění sladu, 6 – sladové silo, 7 – drcení a vážení sladu, 8 – vystírací káď, 9 – rmutová pánev, 10 – scezovací káď, 11 – scezovací baterie, 12 – mladinová pánev, 13 – chmelový cíz (filtr), 14 – chladicí štoky, 15 – deskový chladič, 16 – kvasné kádě (spilky), 17 – zákvas, 18 – dokvasný tank, 19 – křemelinový filtr, 20 - tlakové stáčení piva

228


11.2 Výroba piva Základními surovinami pro výrobu piva jsou obilniny, voda, chmel a některé další příměsí pro obohacení chuti, např. koření. Obilniny dodávají škrob (čili cukry), které se později přeměňují na alkohol a oxid uhličitý. Základní obilnina je ječmen, málokdy se používá i pšenice, kukuřice nebo rýže. Chmel je popínavá rostlina, která se používá ke konzervaci piva a k přidání hořčího tónu. Pro vaření piva se používají neoplodněné samičí šišky, které lze přidávat v různých formách (chmelový extrakt či chmelové granule). Český chmel patří kvalitou k nejlepším na světě. Některé pivovary (zejména v Belgii) přidávají do piva koření, jako například koriandr či zázvor pro osobitou chuť piva. Základními operacemi jsou šrotování, vystírání, rmutování a chlazení (viz obr. 11.1). Slad se přiveze do pivovaru, kde se nechá zhruba 6 týdnů odležet (tzv. dornace). Poté se slad šrotuje. Při šrotování musí být zachovány pluchy (obal zrna), které při další výrobě slouží jako filtrační vrstva během scezování. Sladová drť se přivádí do varny, kde probíhají varné procesy. Zařízení varny mívá zpravidla dvě kádě a dva varné kotly. Prvním procesem je vystírání (vystírací káď), tedy proces míchání sladu s vodou, které probíhá ve vystírací kádi při teplotě 40 až 50 °C. Zde se aktivují kyselinotvorné enzymy. Následuje rmutování (rmutovací káď), které trvá asi 3 hodiny. Rmutování je proces, při kterém enzymatický komplex obsažený ve sladu štěpí složité polysacharidy na zkvasitelné cukry a na bílkoviny. Napřed probíhá za teplot okolo 50 °C, rozhodující jsou v tomto procesu teploty 63 °C a 72 °C, tedy optimální teploty pro působení enzymů. Proces vystírání a rmutování se často znovu zopakuje (typické pro české pivovary). Následně při 30ti minutovém scezování (scezovací káď) se oddělí kapalný podíl (sladina) od pevného podílu sladového mláta. Sladové mláto se ještě sprchuje vodou, aby se extrahovala zbytková mladina. Vyslazené mláto se prodává zemědělcům jako krmivo pro dobytek. Sladina se pak vaří s chmelem i chmelovým výtažkem v mladinovém kotli po dobu 90 až 120 minut, kdy přechází ušlechtilé hořké látky chmele do roztoku a výsledkem je horká mladina. Hrubá sraženina bílkovinných koagulovaných příměsí se odděluje od mladiny (lom mladiny). Dělení napomáhají i syntetické přísady, zlepšující odloučení nepříjemné (hořké chuti) součásti mladiny. Mladina se ještě vyčeří v separátoru (filtru), aby se odstranilo chmelové mláto. Mladina se čerpá do ochlazovací kádě (chladicí štoky) a dále se ochladí v jednostupňovém deskovém chladiči na zakvašovací teplotu cca 6 až 8 °C. Horká voda z chladiče je využívána k vaření piva i čištění. Začíná proces kvašení mladiny. Napřed probíhá hlavní kvašení v kvasné kádi (ve spilce) a následně dokvašování v ležáckých tancích. Zchlazená mladina se provzdušňuje, aby se podpořilo namnožení kvasinek před fermentací, a přidávají se kvasinky (pivovarské droždí). Kvasinky se dělí na dvě hlavní skupiny, svrchní (mají tendenci stoupat v kvasné kádi k hladině, spodní mají tendenci klesat ke dnu a pivo dokvašují). Při hlavním kvašení ve spilce dochází k přeměně zkvasitelných cukrů na alkohol a CO2. Teplota kvasícího mladého - zeleného piva se udržuje na max. 11 °C. Hlavní kvašení probíhá u výčepních piv 7 dnů u speciálů 7 až 14 dnů. Teplota kvašení se udržuje chlazením nádrží a na konci kvašení (fermentace) se kvasinky dělí od vznikajícího piva. Dozrávání dokvašováním (kondicionování) piva probíhá v uzavřených tancích při tlaku 0,1 MPa a teplotě do 2 °C. Výčepní piva leží přibližně 20 dnů, ležáky až 60 dnů. Následuje filtrace na kalolisu nebo křemelinovém filtru, kde se dokonale odfiltrují kvasinky. Následně se pivo stáčí do sudů, nebo láhví a distribuuje se k zákazníkům. Schematické 229


znázornění vstupů a výstupů při vaření piva je patrné z obrázku 11.2.

Obr. 11.2 Schematické znázornění vstupů a výstupů při vaření piva

11.3 Výroba vína Lisování hroznů patří mezi důležité operace, které přímo ovlivňují výslednou kvalitu vína. U bílých vín se rmut v krátké době lisuje. Doba lisování od odzrnění se může pohybovat od téměř okamžitě po několik hodin. Je potřeba dosáhnout maximálního množství vylisovaného moštu a zároveň zachovat jeho prvotřídní kvalitu. Čím šetrnější lisování, tím kvalitnější mošt a samozřejmě i víno. Důležité je, aby se neporušily pecičky a do moštu se nedostaly hořčiny a trpkost. Lisováním se oddělí mošt a vylisované slupky (matoliny). Existují různé typy lisů – např. vřetenové, hydraulické či pneumatické. Po vylisování se dnes mošt zpravidla odkaluje (oddělí se usazeniny – zbytky třapin, kalicí látky atd.). Většinou se nechá rmut macerovat 3 ÷ 6 hodin kvůli lepší extrakci aromatických látek. Po odkalení může následovat zvýšení cukernatosti (pouze u stolních a jakostních vín – u vín s přívlastkem se cukernatost zvyšovat nesmí). Pokud se cukernatost zvyšuje u červených vín, děje se to ihned po odzrnění. Fermentace neboli kvašení je proces, kdy kvasinky proměňují jednoduché cukry (glukózu a fruktózu) na alkohol a oxid uhličitý, který uniká do vzduchu. V této fázi se vytváří alkohol a mošt vinné révy se tak pomalu mění na víno. Je nutné tomuto procesu věnovat patřičnou pozornost. Fermentace může probíhat v přírodních nádobách ze dřeva, ale dnes se většinou používají nerezové tanky. Pro názornost je uveden chemický vzorec fermentace:

230


C6H12O6 (cukr) = 2 C2H5OH (alkohol) + 2 CO2 (oxid uhličitý) + teplo Kvašení začíná buď samovolně (spontánně) činností kvasinek obsažených již v moštu, anebo se mošt zakvašuje čistou kulturou vyšlechtěných kvasinek. Ty zajišťují rychlé rozkvašení moštu, dokonalejší prokvašení cukru obsaženého v moštu a také čistější kvašení, neboť rychlejší tvorba etanolu zabraňuje rozmnožování nežádoucích mikroorganismů. Optimálními podmínkami pro průběh kvašení je dostatečná koncentrace kvasinek, jejich dobrý zdravotní stav, teplota 13 ÷ 18 °C, potřebný obsah kyslíku pro rozmnožování kvasinek, potřebná koncentrace cukru a kyselejší prostředí (pH 3,5 ÷ 4). Aby kvašení proběhlo rychle a čistě, je třeba, aby mošt nebyl příliš chladný a obsahoval dostatek kyslíku nutného pro rychlý rozvoj kvasinek. Protože vysoká teplota oslabuje životní funkce kvasinek, a tím působí nepříznivě jak na průběh kvašení, tak i na jakost vyrobeného vína, musí se zamezit nadměrnému zvyšování teploty při kvašení. Toho se dosahuje snižováním teplot kvasícího moštu a zpomalením kvašení. Se sníženou aktivitou kvasinek se sníží i množství tepla vytvářeného kvasinkami. Při výrobě červených vín odzrněný rmut kvasí v otevřených nebo uzavřených nádobách, aby se uvolnilo barvivo uložené v plastidech (v pevných taninových pouzdrech) ve slupce bobulí. Vlivem zvyšujícího se obsahu alkoholu v kvasícím rmutu tyto plastidy křehnou a praskají a barvivo se z nich uvolňuje. Uvolňování barviva z narušených plastidů se mechanicky urychluje promícháváním kvasícího rmutu a ponořováním vytvořeného matolinového klobouku. Po ukončeném kvašení se rmut lisuje a vylisované mladé červené víno se přečerpává do ležáckého sklepa, kde se ošetřuje stejně jako mladá bílá vína. U růžových vín se rmut z modrých hroznů nechá několik hodin naležet, aby došlo k částečnému uvolnění červeného barviva ze slupek. Další důležitou fází při výrobě vína je školení vína. Tím rozumíme celou řadu zákroků prováděných za účelem zvýšení kvality budoucího vína. Síření vína je proces, který chrání víno před nežádoucím znehodnocením a bez kterého nelze víno prakticky vyrobit. Je nutné však sířit velmi šetrně. Oxid siřičitý totiž ve větším množství příliš neprospívá lidskému organismu. Čiření vína je proces, kterým se z vína odstraňují kalící částice a nestabilní látky. Nejčastějším prostředkem je vaječný bílek nebo bentonit. Filtrace je proces, kde prostřednictvím filtrů odstraňujeme mikroorganismy a kalící částice. Existuje několik druhů filtrace. Někteří vinaři však svá vína před lahvováním nefiltrují (např. červená vína). Ke zrání vína se mohou používat skleněné nebo dřevěné nádoby. V moderně zařízených vinařstvích jsou to většinou nerezové tanky. V posledních desetiletích se hojně používají ke staření dubové sudy, hlavně typu barrique (většinou jsou dováženy z Francie). Dřevěné sudy k výrobě vína nerozlučně patří, a to především pro svoje jedinečné vlastnosti – pórovitost, biochemické složení atd.

11.4 Výroba ethanolu a droždí (kvasnic) Kromě syntetické výroby (popsané v části organických výrob) je ethanol v průmyslovém měřítku vyráběn pro potravinářské účely fermentačním způsobem ze sacharózy obsažené v odpadní melase z výroby cukru a dalších jednodušších cukrů. Rovněž surovinou mohou být plodiny s obsahy škrobů, jejichž hydrolýzou vznikají cukry, které jsou pak podrobeny kvašení. Surovinou mohou být rovněž sulfitové výluhy z výroby celulózy, obsahující až 4 % sacharidů. Je to podobný biochemický proces kvašení jako u výše popsané výroby piva, nebo vína. Ke zkvašení sacharózy se používají kulturní lihovarské kvasinky, které umožňují štěpení sacharózy na glukózu a fruktózu. Tyto nižší cukry dále 231


anaerobní glykolýzou (biochemickým zkvašováním) reagují na alkohol a oxid uhličitý. Proces kvašení cukrů se samovolně zastavuje u koncentrací ethanolu v zápaře okolo 15 %, protože dochází zvyšováním koncentrace vznikajícím ethanolem ke zničení kvasinek. Pak se destilací ethanol odděluje ze zápary při jeho bodu varu (78,3 °C) a vzniká surový líh. Znečišťující látky ethanolu v surovém lihu tvoří nízkovroucí složky, jako jsou acetaldehyd, nebo etylacetát, rovněž tak i výševroucí podíly, tzv. přiboudliny, zejména vyšší alkoholy (isoamylalkohol). Proto je nutné po destilaci vést surový líh na rektifikační kolonu, kde se jednotlivé frakce na příslušných patrech oddělují a líh pak může být ještě dočišťován fyzikálními metodami, zejména adsorpcí aktivním uhlím. Výroba droždí a krmných kvasnic vychází opět z kvašení cukrů za aerobních podmínek. Násada droždí je v kultivačním tanku za intenzivního provzdušňování a dodávání živin (síran amonný, superfosfát) kultivována. Část vznikajících kvasnic je odváděna, propírána vodou a lisována cca na 70 % vlhkosti. Zápara vznikající kvašením je udržována přiváděním zkvašovaných surovin (např. roztok melasy) a odváděním zápary, aby obsah alkoholů nepřekračoval asi 3 %. Odváděná zápara se vede na destilaci, surový líh se dále vede na rektifikaci.

11.5 Výroba organických kyselin Výroba organických kyselin je možná kromě syntetických postupů (viz výše kap. 10.2) také biochemickými postupy. Těm je dávána přednost v případě potravinářského využití. Výroba kyseliny octové probíhá oxidační fermentací lihu (ethanolu) za účasti octových bakterií. Proces se vede v kvasné kádi, kde je přiváděna směs cca 11% ethanolu a 1% kyseliny octové. Tento roztok stéká po náplni (bukové hobliny) v tenkém filmu a za přítomnosti vzdušného kyslíku probíhá fermentace při teplotě 30 °C. Probíhá cirkulace fermentované směsi, až je dosaženo koncentrace kyseliny octové cca 12 % a obsah zbytkového alkoholu nepřekračuje 0,3 %. Pro potravinářské použití je ocet ředěn na cca 6 až 8 %. Pokud se pro fermentaci použije lihu vyrobeného z ovoce, produkují se ovocné octy (jablečný, vinný atd.). Výroba kyseliny citronové je opět založena na aerobní fermentaci sacharózy (melasový roztok), avšak za působení plísňových mikroorganismů. Do sterilní kvasné komory se rozprašují plísňové spory aktivované na částích karborafinu za teplot 30 °C. Kyselina citronová se začne tvořit až za několik dnů při vzniku (rozvoji) plísňového mycelia. Asi za 10 dní se prokvašený roztok s cca 10 % kyseliny citronové stáhne a kyselina se vysráží při 90 °C vápenným mlékem. Vzniklý citran vápenatý se odstředí a pak se rozpouští v kyselině sírové. Roztok se zahustí ve vakuové odparce a kyselina citronová krystalizuje. Krystaly se promývají, rafinují a suší. Kyselina mléčná se rovněž vyrábí zkvašováním sacharózy, ale mléčnými bakteriemi. Kultura bakterií se v propagačních nádržích namnoží na melasové zápaře a pak se přivádí do fermentačního tanku. Zde při teplotě cca 50 °C probíhá několikadenní kvašení. Prokvašená zápara obsahuje cca 10 % kyseliny mléčné. Ta se vysráží ve formě mléčnanu vápenatého, který se separuje na filtrech a následně rozpouští v kyselině sírové. Opakovaným srážením se kyselina rafinuje a následně se extrahuje éterem.

232


11.6 Zemědělské chovy a zpracování jejich produkce Produkce hospodářských zvířat představuje transformaci krmiva do takové formy, která je vhodná pro lidskou spotřebu. Cílem je dosáhnout vysokého využití krmiva a používání takových produkčních metod, při kterých vzniklé emise nejsou škodlivé ani pro člověka, ani pro životní prostředí. Obecně produkční systémy nevyžadují žádná složitá zařízení a vybavení, ale stále větší požadavky jsou kladeny na vysoký stupeň odbornosti. Nezbytnými součástmi faremního systému je skladování a úprava krmiv a přísad do krmiv, skladování exkrementů v odděleném zařízení, skladování jiných odpadů než jsou exkrementy, skladování kadáverů, naskladňování a vyskladňování zvířat, čištění odpadních vod atd. Činnosti faremního systému jsou schématicky znázorněny na následujícím obrázku 11.3.

Obr. 11.3 Obecné schéma činností prováděných na farmě intenzivního chovu hospodářských zvířat

Zpracování masa a výroba masných výrobků je značně rozmanitá a zahrnuje celou řadu operací, od porážky zvířat, přes selekci (bourání) masa, až po využití jednotlivých podílů těl zvířat pro následné výroby širokého sortimentu, od samotných syrových masných výrobků, až po zpracované výrobky ve formě uzenin, paštik a masových past, částečně i úplně konzervované produkty, dehydratované a fermentované produkty atd. Proto i technologie výrob budou rozmanité, avšak nejvýznamnější vliv zpracování směřuje k odpadním vodám a často i k pachům z výrob. Jeden z možných postupů zpracování masa na šunku vyplývá z obrázku 11.4.

11.7 Výroba cukru Cukrovary jako zpracovatelské odvětví izoluje sacharózu z bulv cukrové řepy. Cukrovka obsahuje asi 15 až 20 % cukru, který je zapotřebí extrahovat z buněk cukrové řepy 233


horkou vodou. Řepa je dovezena na skládku odkud postupuje k vyplavení napřed hrubých nečistot (hlíny) a následně se pere v řepné pračce od jemných nečistot, jako je hlína a jemný písek.

Obr. 11.4 Zpracování masa na šunku

234


Následně se řepa musí nařezat v bubnových řezačkách na řízky s obsahem cukru. Extrakce cukru je jedinou metodou výroby cukru ze sladkých řepných řízků. Tato reakce rozdělí surovinu na extrakt nazývaný surová šťáva a extrakční zbytek, tj. řízky, které jsou dále zkrmovány dobytkem. Extrakce (také difúze) probíhá za teplot cca 70 °C. Vzniklá difúzní šťáva se čistí od ostatních látek čeřením vápenným mlékem. Přebytek vápenného mléka se odstraní oxidem uhličitým (vzniká uhličitan vápenatý). Tím se odstraní ostatní (znečišťující) látky, vysrážené nečistoty (saturační kal) se odfiltrují. Vyčištěná tzv. lehká šťáva se zahustí v odparkách na tzv. těžkou šťávu. Tato šťáva se podrobí krystalizací ve varnostrojích. Směs krystalů a matečného sirupu se odděluje v odstředivkách. Zde se cukr promyje horkou vodou. Mokrý cukr se suší v bubnové sušárně. Po ochlazení se skladuje v sile a balí k distribuci. Nekrystalyzující část je nazývána melasou a je surovinou pro kvasné výroby (viz výše popsané biochemické výroby). Schematický postup výroby cukru z cukrové řepy uvádí následující obrázek 11.5.

Obr. 11.5 Postup výroby cukru z cukrové řepy

11.8 Výroba škrobu Škrob je polysacharid s vysokou molekulovou hmotností, vytvářený rostlinami jako zásoba energie. Škrob nachází uplatnění ve více než 500 produktech. Škrob a jeho deriváty se používají v několika odvětvích, jako je výroba potravin, krmiv, papíru a lepenky, lepidel, v chemickém průmyslu a jinde. Škrobu se dá použít jako kopolymeru do termoplastů. Známý 235


je škrobový kopolymerát polyakrylonitril. Tento produkt může přijmout vodu až do 100 násobku své hmotnosti. Kromě pěstování sazenic se tento produkt osvědčuje i v semenářství. Hydrolýza škrobu kyselinami a (nebo) enzymy poskytuje řadu různých cukrových sirupů, kterým se říká tekutá sladidla. Škrob se vyskytuje u většiny rostlin, ale jen z malého počtu rostlin se dá škrob prakticky vyrobit, přesněji získat. Vyskytuje se v podobě zrn různé velikosti a struktury, která je charakteristická pro jednotlivé rostliny. Zrna se vyskytují vždy volná a nejsou chemicky nebo fyzikálně vázaná na jinou složku, což umožní jejich poměrně snadné získávání. Technologicky zajímavé jsou hlízy nebo semena, přičemž je zásadní rozdíl mezi škrobem hlízovým a škrobem ze semen. Škrob uložený v hlízách (např. brambory) se nachází v prostředí s převahou vody, proto jsou jeho zrna veliká, polydisperzní, nakypřená, a je tak možné, aby voda vstupovala dovnitř a ven jakoby velkou smotanou molekulární sítí.

Obr. 11.6 Postup výroby škrobu z brambor

236


Naopak škrob v zrnech (kukuřice, pšenice) je uložen v místě rostliny, kde obsah vody činí nejvýše 20 %. Tento škrob je většinou monodisperzní, drobný, vstup vody dovnitř zrna je velmi obtížný. Škroby se liší svým chemickým složením (je závislé na použitých surovinách) - zejména podle různého podílu makromolekul amylózy (lineární struktura řetězce) a amylopektinu (rozvětvený řetězec). Z poměru těchto dvou složek se odvozují jejich odlišné vlastnosti chemické, fyzikálně chemické a koloidně chemické. Škrob je vlastně zásobní látka tvořená částečkami definované velikosti, tvaru, struktury a textury. Cílem šlechtění rostlin pěstovaných pro výrobu škrobu by mělo být získání škrobových zrn s vysokým podílem jedné složky (amylózy nebo amylopektinu) s vhodnou fyzikální strukturou zrna a malým rozdílem ve velikosti jednotlivých zrn. Podíl amylózní frakce představuje u obilnin a brambor asi 24 %. Výroba škrobu spočívá v uvolnění škrobových zrn z buněk brambor, kukuřice, pšenice a jiných surovin. Zrna z buněk se oddělí rozstrouháním suroviny a propíráním ve vodě se škrobová zrna dělí od buničiny a ostatních látek. Vzniklé škrobové mléko se zahustí odstředěním a následně se propírá vodou a dále probíhá sedimentace a koncová filtrace, nakonec se škrob suší. Schematický postup výroby škrobu z brambor je na následujícím obrázku 11.6.

11.9 Zpracování mléka

Obr. 11.7 Schéma procesu krátkodobé pasterizace mléka

Mléko obsahuje přibližně 87 % vody, zbytek tvoří bílkoviny, tuk, laktóza, vápník, 237


fosfor, železo a vitaminy. Lidé spotřebovávají také mléko od koz a ovcí. Je to ale hlavně kravské mléko, které se spotřebovává ve velkých množstvích. Z mléka se vyrábí řada mléčných výrobků, jako jsou smetana, sýry a máslo. Syrové chlazené mléko se dodává do mlékárny a přečerpá se do hromadného skladu. Homogenizací se dispergují tukové globule rovnoměrně v celém objemu a brání se tím odlučování smetany. Aby se dosáhlo dostatečné stability proti vysazování smetany u pasterizovaných mlék s poměrně krátkou dobou použitelnosti (skladovatelnosti), je potřebné zmenšení tukových globulí na střední průměr 1÷2 μm, kdežto u mléka s dlouhou skladovatelností (UHT) se vyžaduje mnohem hlubší snížení velikosti tukových globulí na 0,7 μm a méně. Jiným výsledkem homogenizace je velký vzrůst volného povrchu tuku, což značně podporuje činnost lipáz. Z tohoto důvodu je nezbytným předpokladem nejprve mléko pasterizovat kvůli inaktivaci lipáz před homogenizací. Obrázek 11.7 ukazuje proudový diagram pro proces krátkodobé pasterizace mléka.

Obr. 11.8 Tepelné ošetření mléka metodou UHT (mléko s dlouhou skladovatelností)

Typické parametry kontinuální pasterizace jsou 72 až 74 °C pod dobu 15 až 20 238


sekund. Tento proces je znám jako vysokoteplotní krátkodobá pasterizace. Horké mléko se často používá pro částečný ohřev vstupujícího studeného mléka v procesním kroku, zvaném regenerace. Po pasterizaci se mléko rychle ochlazuje na teplotu pod 7 °C. Mléko, které se pak neošetřuje teplem v nádobách, se plní do nádob a uzavírá v nich za čistých nebo aseptických podmínek. Mléko může být po regeneračním kroku homogenizováno ještě před dokončením pasterizace. Pak je možno mléko zpracovat na odstředivkách za účelem získání odstředěného nebo částečně odstředěného mléka a smetany. Dále se mléko tepelně ošetřuje řadou různých metod, jako je pasterizace, nebo sterilace, známá jako metoda UHT, která je schematicky uvedena na obrázku 11.8. Celkově lze rozmanitost mlékárenské výroby, co se týče vstupů, probíhajících úprav a procesů a výstupů výrobků a výstupů odpadních vod a kapalných i tuhých odpadů ilustrovat obrázkem 11.9.

Obr. 11.9 Vstupy a výstupy u mlékárenské výroby

Dalším produktem zpracování mléka může být jeho konzervace kondenzací, nebo jeho sušením na prášek ať pro běžnou konzumaci, nebo pro kojeneckou výživu. 239


11.10 Vliv potravinářského průmyslu na životní prostředí Obecně lze konstatovat, že vliv potravinářského průmyslu na životní prostředí a to jak u biochemických procesů, tak rovněž u zpracovatelských postupů, je nejvýznamnější u odcházejících odpadních vod a vznikajících kapalných odpadů. Především se jedná o organické znečištění charakterizované ukazateli chemické spotřeby kyslíku (CHSK) a biochemické spotřeby kyslíku (BSK). Bilančně lze konstatovat, že po komunálním sektoru (městské ČOV) jsou vody z výroby potravin druhým největším zdrojem vypouštěného znečištění povrchových vod. Kromě tohoto znečištění jsou ve vodách z pivovarů i sloučeniny, které způsobují eutrofizaci povrchových vod, zejména se jedná o rozpustné soli s obsahy fosforu a dusíku. Dalším problémovým znečištěním jsou často nerozpuštěné látky, zejména obtížně odstranitelné jemné až koloidní částice. Kapalné odpady vznikají často ve velkých objemech a jejich odstranění bývá nákladné. Dalším charakteristickým problémem biochemických i zpracovatelských postupů jsou pachy. Řada postupů produkuje nepříjemné pachy, avšak problémem mohou být i pachy, které nejsou až tak zcela nepříjemné, ale obtěžují trvalým působením (např. pražicí pochody – káva, varné procesy, pečení – chléb a smažení). Některé pachy lze zachycovat absorpčně, adsorpčně, nebo biologicky, avšak některé zdroje (zvlášť decentralizované) jsou obtížně řešitelné a jejich umísťování poblíž obytné zástavby se nedoporučuje (stanoví se nezbytné vzdáleností pomocí modelů). U výroby piva je hlavním problémem vznik odpadních vod a kapalných odpadů. Jedná se zejména o organické látky, které pivovar produkuje v poměrně velkém množství. Tyto organické látky, pokud by byly vypouštěny do řek, způsobovaly by přemnožení nejrůznějších řas, sinic a dalších organismů, což by mělo za následek úbytek kyslíku a vážné poškození přírodní rovnováhy ve vodních tocích (eutrofizace vody). Proto je snaha co největší množství odpadních látek oddělit (separovat) a případně je vhodným způsobem využít. Například mláto, které je významným organickým odpadem pivovaru, se využívá jako hodnotné krmivo. Protože obsahuje hodně vody, snadno podléhá zkáze a může být zdrojem pachů. Proto ho některé pivovary konzervují sušením. Dalším významným odpadem jsou odseparované kvasnice. Usušené jsou velmi cennou krmnou surovinou, ale mohou se používat i jako tzv. potravinářské aditivum, v kosmetice, při výrobě léčiv atd. Organické nečistoty, které se dostanou do odpadní vody, se dají dobře biologicky odbourat. Kromě organických nečistot může být odpadní voda z pivovaru znečištěna ještě roztokem hydroxidu sodného, který se používá na vymývání vratných lahví. Proto jsou odpadní vody čištěny na koncových ČOV a zpravidla dočišťovány na městských ČOV. Dá se říci, že pivovary při své činnosti téměř nezatěžují ovzduší. Při vaření piva uniká hlavně vodní pára a při kvašení vzniká oxid uhličitý. Ten sice patří mezi tzv. skleníkové plyny a v poslední době se hodně hovoří o vlivu jeho nadměrného vypouštění do ovzduší na globální oteplování, ale z celosvětového hlediska je jeho produkce při kvašení naprosto zanedbatelná. Navíc se v tomto případě jedná o uvolnění pouze takového oxidu uhličitého, který byl při růstu ječmene v přírodě asimilován (spotřebován při fotosyntéze). Z celkového množství pivovarnických odpadů připadá na mláto asi 40 % a stejný podíl připadá na odpadní kvasnice. Dalšími odpadními látkami jsou kaly oddělené při filtraci a použitá křemelina. Ta se dá částečně pročištěním regenerovat a znovu použít. Kromě toho se může přidávat i do půdy, kde dokonce vylepšuje některé její vlastnosti. Pivovarnictví působí na životní prostředí i nepřímo. Výroba piva předpokládá pěstování dvou základních zemědělských plodin - ječmene a chmele. A každá zemědělská činnost ovlivňuje naše prostředí velmi výrazně, pozitivně i negativně. Na jedné straně se jedná o významný krajinotvorný prvek. Prosperující zemědělství se podílí na utváření kulturní krajiny. Na druhé 240


straně přináší intenzivní hospodaření i problémy (případné nadměrné hnojení, užívání pesticidů, rozsáhlé monokulturní plochy). Výroba vína zatěžuje prostředí minimálně, odpady se dají využít v zemědělství, problém s odpadními vodami není významný. Lihovary ovlivňují životní prostředí opět odpadními vodami a vznikajícími kaly. Proto se těmto složkám věnuje značná pozornost. Výskyt kalů a odpadních vod a způsob jejich čištění uvádí obrázek 11.10.

Obr. 11.10 Výskyt kalů a odpadních vod z lihovaru a jejich čištění

Chovy zvířat ovlivňují životní prostředí zejména při koncentraci výrob, tj. u 241


velkochovů. Zde dochází ke kumulaci vlivů zahrnujících odpadní vody a odpady (zejména hnoje a kejdy). Nemalý vliv mají také emise čpavku a emise pachové. Schematicky lze vliv intenzivního chovu zvířat znázornit graficky (obr. 11.11).

Obr. 11.11 Znázornění aspektů životního prostředí ve vztahu k intenzivní živočišné výrobě

Emise do ovzduší jsou často rozptýleny a je velice obtížné je měřit. Byly vyvinuty a stále ještě jsou vyvíjeny modely, umožňující přesně odhadovat emise tam, kde přímé měření není možné. Takže mnoho aspektů již bylo identifikováno a to tam, kde je výzkum zaměřen na emise čpavku (NH3) a na emise N a P do půdy, podzemní vody a povrchové vody. Čpavek uniká ze stájí zvířat světlíky, dále ze skládek hnoje a při rozmetávání hnoje na půdu. Oxid dusný (N2O) uniká rovněž z ustájení zvířat a nakládání s hnojem. Na vrub předchozích operací připadají i pachové emise. Čpavkový plyn (NH3) má ostrý a čpavý zápach a ve větších koncentracích může dráždit oči, krk a sliznice lidí a faremních zvířat. Z podestýlky a hnoje se uvolňuje do objektů, odkud je odváděn ventilačním systémem bez záchytu. Faktory jako teplota, ventilační výkon, vlhkost vzduchu, množství zvířat, kvalita podestýlky a složení krmiva (hrubé bílkoviny) ovlivňují množství emisí čpavku. Do podestýlky se mohou aplikovat speciální přípravky, které vývin čpavku snižují. Koncentrace čpavku v ustájovacích systémech pro prasata je doporučena max. ve výši 10 ppm a v ustájení pro nosnice a brojlery max. 25 ppm. Zápach má místní význam a je to problém, který je svázán s rozšiřováním chovu hospodářských zvířat a s rozvojem venkovských obytných sídel, která se rozšířila do tradičních zemědělských oblastí. Dopad zápachu se zvětšuje s velikostí produkční jednotky. Pro velkochovy je proto nutné stanovit ochranná pásma, kde by obytná zástavba neměla být umístěna. Výpočet pásem lze provést v době posuzování vlivů investice na životní prostředí pomocí matematických modelů. Vliv velkochovů na podzemní i povrchové vody vyplývá zejména ze způsobů a intenzity aplikace hnoje do půdy. Rozmetání hnoje na pole je klíčová aktivita zodpovědná za emise velkého počtu složek do půdy a vod. Ačkoliv jsou k dispozici metody ošetření hnoje, je aplikace na půdu stále nejrozšířenější způsob manipulace s hnojem. Hnůj může být dobré 242


hnojivo, ale tam kde je aplikováno ve velkém množství do půdy, tam je také hlavním zdrojem znečištění půdy a vod. Emise ze skladovacích kapacit (kejda), které znečišťují půdu a podzemní a povrchové vody, se vyskytují zejména z důvodu neodpovídajících objektů nebo provozních chyb a měly by být pokládány spíše za náhodné. Kontaminace vod dusičnany, fosfátovými patogeny (zejména se jedná o fekální koliformní bakterie a salmonely), nebo těžkými kovy je hlavní sledovanou oblastí znečišťování vod. Zbytečně rozsáhlá aplikace statkových hnojiv na půdu byla také spojena s akumulací mědi v půdách. Je nutné zdůraznit, že sloučeniny dusíku v hnoji a kejdě představují významnou složku živin. Je však nutná správná aplikace do půd, což znamená nepřehnojování a takový způsob nakládání s nimi, při kterém nedochází k uvolňování emisí do ovzduší a vod. Proto by měl mít každý velkochov zpracován plán hnojení, kde množství vznikajícího hnoje musí být porovnáváno s pozemky, které jsou ke hnojení k dispozici, zejména s ohledem na rozvoz. Rovněž je zapotřebí plánem zohlednit (omezit) období, která jsou pro hnojení nevhodná (např. přívalové deště) a které jsou naopak vhodná (např. před sněžením). Také je nutno stanovit další zásady hnojení (např. dobu, do které je nutno hnůj zaorat). Při nových investicích je např. plocha vhodných pozemků ke hnojení limitujícím faktorem pro počet chovaných kusů. Pro využití sloučenin dusíků v půdě je dobře patrný jejich oběh na obrázku 11.12. Běžná ztráta sloučenin dusíku je 25 ÷ 30 % z aplikované prasečí kejdy. V závislosti na počasí a půdních podmínkách může však tato ztráta činit až 100 % čpavkového dusíku, je-li kejda nevhodně aplikována. Množství čpavkových emisí je nejvyšší v několika prvních hodinách po aplikaci a postupně se snižuje. Zde je důležité poznamenat, že uvolňování čpavku nepředstavuje pouze tvorbu nežádoucích emisí do ovzduší, ale také snižuje obsah živin aplikovaného hnoje.

Obr. 11.12 Uvolňování dusíkatých sloučenin hnojiv do půd, ovzduší a vod

Zejména vysoké riziko představuje uvolňování dusíkatých sloučenin do vod, což vede k vysoké úrovni dusitanů a dusičnanů v pitné vodě a eutrofizaci povrchových vod. Proto se doporučuje nepřekračovat roční aplikované množství hnoje tak, aby nebyla překročena hodnota 170 kgN/ha za 1 rok.

243


Zpracování masa a výroba masných produktů ovlivňuje zejména znečišťování vod, často jsou problémy s emisemi pachů. Celý cyklus od porážky zvířat, přes selekci masa (bourání) až po finální výrobek vyžaduje velké objemy vod k mytí, jako výrobkovou surovinu a technologické médium (chlazení, vaření, výroba páry atd.). Z jatek a zpracovatelských závodů odpadají vody s vysokým organickým znečištěním, které je v kapalné fázi (např. krev), ale i v disperzi ve vodě (koagulované organické části), nebo i polotuhých, či tuhých zbytků (tuky). Proto čištění odpadních vod představuje stěžejní problém zpracovatelských závodů. Obrázek 11.13 ukazuje proudový diagram čištění odpadních vod.

Obr. 11.13 Proudový diagram čištění odpadních vod ze zpracování masa a masných výrobků

Z diagramu je zřejmé, že při čištění odpadních vod z jatek a zpracovatelských technologií vzniká celá řada kapalných, polotekutých i tuhých odpadů. Jejich odstranění musí probíhat velice rychle, aby nedocházelo k rozkladu přítomných organických substancí. 244


Nejvhodnějším způsobem je termický rozklad (spalování), nebo anaerobní rozklad s výrobou bioplynu. Výroba cukru je opět zdrojem znečištění vod a to mechanickými částicemi (hlínou) z praní řepy, dále i organickým zbytkovým znečištěním z technologií. Diagram čištění odpadních vod uvádí obrázek 11.14.

Obr. 11.14 Proudový diagram čištění odpadních vod ze zpracování cukru

Tuhé odpady vznikající při výrobě cukru se dají jednoduše odstraňovat. Řízky po extrakci cukru jsou zkrmovány, saturační kaly z kalolisu lze používat jako náhradu uhličitanu vápenatého pro méně náročné požadavky na čistotu. Mléčný průmysl má vliv na znečištění odpadních vod. Vznikající kaly z procesu zpracování mléka však nejsou významné a jejich odstraňování nevyžaduje použití speciálních 245


postupů. Odpadní vody jsou charakterizovány vysokým organickým znečištěním. Schéma postupu čištění odpadních vod je uvedeno na obrázku 11.15.

Obr. 11.15 Schéma postupu při čištění odpadních vod ze zpracování mléka

Některé odpady ze zpracování mléka jsou pro vysoký obsah tuku zkrmovány, případně jsou přidávány do směsí na výrobu krmiv.

Literatura (kap. 11): [1] www.ippc.cz/obsah/viewtopic.php?t=39, [2] UN–ECE Task Force Management on By-Products/Residues Containing Heavy Metals and/or Persistent Organic Pollutants. Status Report compiled by HACKL, A.E., 246


SAMMER, G., WINTER, B. Wien: Umweltbundesamt, 2001. [3] NEISER, Jan et al. Základy chemických výrob. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1988. [4] ŠELEPOVÁ, Irena, KAPOUN, Martin, FIALOVÁ Pavla. Technický naučný slovník (I. – VII. díl). Druhé, revidované a doplněné vydání. Praha: SNTL, 1986.

247


Seznam obrázků, tabulek a grafů Seznam obrázků Obr. 1.1 Čelisťový drtič Obr. 1.2 Magnetický třídič Obr. 1.3 Aglomerační zařízení Obr. 1.4 Příčný řez vysokou pecí s příslušenstvím Obr. 1.5 Teplotní pásma ve vysoké peci Obr. 1.6 Kuplovna Obr. 2.1 Válcový mísič Obr. 2.2 Sklopná pec Talbotova Obr. 2.3 Konvertor Obr. 2.4 Jednotlivé fáze činnosti konvertoru Obr. 2.5 Elektrická oblouková pec Obr. 2.6 Vysokofrekvenční indukční elektrická pec Obr. 2.7 Licí pánev Obr. 2.8 Kokily (úprava pro lití spodem) Obr. 2.9 Kontinuální odlévání ingotů Obr. 2.10 Kontinuální odlévání oceli (vertikální a obloukové zařízení) Obr. 3.1 Plamenná pec Obr. 3.2 Kontinuální (průběžná) pec Obr. 3.3 Válce (a – hladké, b – kalibrované) Obr. 3.4 Dvouválcová stolice - duo (jednosměrná) Obr. 3.5 Dvouválcová stolice vratná (reverzní) Obr. 3.6 Výroba trubek svařováním Obr. 3.7 Mannesmannův způsob výroby bezešvých trubek Obr. 3.8 Poutnická stolice Obr. 3.9 Stiefelův způsob výroby bezešvých trubek Obr. 3.10 Pneumatický buchar Obr. 3.11 Hydraulický lis s akumulátorem Obr. 3.12 Kování v zápustce (postupné vyplňování zápustky kovem) Obr. 3.13 Prostřihovadlo (odstřihování výronku z výkovku) Obr. 3.14 Lisovací nástroje (a – jednoduché, b – postupové, c - sloučené) Obr. 3.15 Nůžky tabulové (se skloněnými noži) Obr. 3.16 Prostřihovadlo s vodítkem Obr. 4.1 Schéma vtokové soustavy Obr. 4.2 Otevřená forma Obr. 4.3 Uzavřená forma – postup formování s neděleným modelem Obr. 4.4 Formování do země Obr. 4.5 Formování posuvnou šablonou Obr. 4.6 Formování rotační šablonou Obr. 4.7 Střásací formovací stroj Obr. 4.8 Metací formovací stroj Obr. 4.9 Postup při lití kovů pod tlakem Obr. 4.10 Odstředivé lití Obr. 4.11 Sklopné lití Obr. 4.12 Postup výroby odlitků obalovým způsobem se zasypanou skořepinou Obr. 4.13 Pásový čisticí buben Obr. 4.14 Stolový tryskač Obr. 5.1 Geometrický tvar soustružnického nože Obr. 5.2 Obrábění soustružnickým nožem Obr. 5.3 Nůž s úhlem čela (a – kladným, b - záporným) Obr. 5.4 Soustružnické nože

248


Obr. 5.5 Hrotový soustruh Obr. 5.6 Unášení obrobku (upnutého mezi dvěma hroty) Obr. 5.7 Univerzální sklíčidlo Obr. 5.8 Lícní upínací deska Obr. 5.9 Lícní soustruh Obr. 5.10 Vrtáky (a – kopinatý, b – šroubovitý, c – dělový) Obr. 5.11 Výhrubníky a výstružníky Obr. 5.12 Vyvrtávací tyč – upnutí nože Obr. 5.13 Radiální vrtačka Obr. 5.14 Vodorovná vyvrtávačka Obr. 5.15 Frézy stopkové (a – válcová, b – čelní) Obr. 5.16 Frézy nástrčné (a – válcová, b – čelní) Obr. 5.17 Frézování (a – nesousledné, b – zub frézy, c - sousledné) Obr. 5.18 Vodorovná frézka Obr. 5.19 Natáčivý stůl univerzální frézky Obr. 5.20 Upevnění brusných kotoučů na vřetenu Obr. 5.21 Princip rovinného broušení Obr. 5.22 Svislá rovinná bruska Obr. 5.23 Schéma jednoduché hrotové brusky Obr. 5.24 Princip bezhrotového broušení Obr. 5.25 Svislá obrážečka Obr. 6.1 Ochranné zemní valy u obce Černovice (severní Čechy) Obr. 7.1 Pohled na koksárenské baterie (KB) Obr. 8.1 Transformace energie v kondenzační elektrárně Obr. 8.2 T-s diagram Rankinova-Clausiova oběhu Obr. 8.3 Zjednodušené schéma kondenzační elektrárny Obr. 8.4 I-s diagram Rankinova-Clausiova oběhu kondenzační elektrárny Obr. 8.5 Uspořádání hlavních částí kotle podle umístění v proudu spalin Obr. 8.6 Schéma bubnového kotle s přirozeným oběhem a granulačním ohništěm na hnědé uhlí Obr. 8.7 Schéma Bensonova průtočného kotle Obr. 8.8 Schéma rozprašovací absorpce Obr. 8.9 Schéma procesu Cat-ox Obr. 8.10 Schéma procesu Saarberg – Hölter – Lurgi Obr. 8.11 Hlavní výrobní blok jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem (JE Temelín) Obr. 8.12 Uspořádání primárního okruhu se dvěma parogenerátory Obr. 8.13 Parogenerátor pro jadernou elektrárnu s tlakovodním reaktorem Obr. 8.14 Lehkovodní reaktory (LWR): a – tlakovodní reaktor, b – varný reaktor Obr. 8.15 Reaktor chlazený CO2 s parní turbínou v sekundárním okruhu (HTGR) Obr. 8.16 Rychlý množivý reaktor chlazený sodíkem (FBR) Obr. 8.17 Turbíny radiální (a - c), radiaxiální (d – e - Francisovy), diagonální (f – Dériazova) Obr. 8.18 Turbína tangenciální (Peltonova) Obr. 8.19 Turbíny axiální (c - e - Kaplanovy) Obr. 8.20 Řez vodní elektrárnou Obr. 8.21 Mapa fotovizualizovaných pohledů na větrné elektrárny Obr. 8.22 Pohled na fotovizualizovanou větrnou elektrárnu Obr. 9.1 Schéma třícestného (trojčinného) katalyzátoru s vyznačením základních chemických reakcí Obr. 9.2 Schematické znázornění zařízení s přímým vstřikem paliva pro vznětové motory Obr. 9.3 Schematické znázornění původního systému FAP koncernu PSA Obr. 9.4 Soustava D-Cat firmy Toyota Obr. 9.5 Schéma systému pohonu Toyota Hybrid System II Obr. 9.6 Princip funkce Toyota Hybrid System II Obr. 9.7 Schéma hybridního pohonu vozu Lexus RX 400h Obr. 10.1 Výroba základních anorganických sloučenin Obr. 10.2 Výroba amoniaku

249


Obr. 10.3 Výroba kyseliny sírové Obr. 10.4 Výroba kyseliny dusičné Obr. 10.5 Výroba kyseliny fluorovodíkové Obr. 10.6 Výroba chlóru a hydroxidu sodného elektrolýzou chloridu sodného Obr. 10.7 Výroba karbidu vápníku Obr. 10.8 Výroba fosforečných hnojiv Obr. 10.9 Výroba cementu Obr. 10.10 Výroba vápna Obr. 10.11 Struktura průmyslu organické chemie Obr. 10.12 Hranice mezi průmyslem uhlovodíků a petrochemickým průmyslem Obr. 10.13 Cesty přípravy průmyslově vyráběných organických chemikálií Obr. 10.14 Zjednodušené proudové schéma atmosférické destilace ropy Obr. 10.15 Zjednodušené proudové schéma jednotky vakuové destilace ropy Obr. 10.16 Blokové schéma jednotky výroby mazacích olejů Obr. 11.1 Schematické znázornění výroby sladu a piva Obr. 11.2 Schematické znázornění vstupů a výstupů při vaření piva Obr. 11.3 Obecné schéma činností prováděných na farmě intenzivního chovu hospodářských zvířat Obr. 11.4 Zpracování masa na šunku Obr. 11.5 Postup výroby cukru z cukrové řepy Obr. 11.6 Postup výroby škrobu z brambor Obr. 11.7 Schéma procesu krátkodobé pasterizace mléka Obr. 11.8 Tepelné ošetření mléka metodou UHT (mléko s dlouhou skladovatelností) Obr. 11.9 Vstupy a výstupy u mlékárenské výroby Obr. 11.10 Výskyt kalů a odpadních vod z lihovaru a jejich čištění Obr. 11.11 Znázornění aspektů životního prostředí ve vztahu k intenzivní živočišné výrobě Obr. 11.12 Uvolňování dusíkatých sloučenin hnojiv do půd, ovzduší a vod Obr. 11.13 Proudový diagram čištění odpadních vod ze zpracování masa a masných výrobků Obr. 11.14 Proudový diagram čištění odpadních vod ze zpracování cukru Obr. 11.15 Schéma postupu při čištění odpadních vod ze zpracování mléka

Seznam tabulek Tab. 1.1 Tab. 1.2 Tab. 7.1 Tab. 8.1 Tab. 8.2 Tab. 8.3 Tab. 9.1

Technické železo – rozdělení Podíl hutních provozů na znečišťování ovzduší Emise škodlivin na koksovnách a místa jejich vzniku Závislost koncentrace NOx ve spalinách na teplotě spalování Instalovaná odsíření kouřových plynů z kotlů Skupiny ČEZ Tepelná účinnost elektráren s různými reaktory Limity emisí ve výfukových plynech - osobní vozy se zážehovými motory (podle různých starších předpisů) Tab. 9.2 Emisní limity EU2, EU3, EU4 a EU5 - osobní vozy se zážehovými a vznětovými motory do 6 sedadel a do celkové hmotnosti 2 500 kg Tab. 9.3 Minimální cílové hodnoty podílu příměsi etylalkoholu v benzínu či v motorové naftě (v %) Tab. 10.1 Hlavní produkty získávané rafinérskými procesy Tab. 10.2 Hlavní polutanty ovzduší unikající z rafinérií a jejich hlavní zdroje Tab. 10.3 Hlavní polutanty odpadních vod produkovaných v rafinérii Tab. 10.4 Hlavní skupiny tuhých odpadů z rafinérií

250


Seznam grafů Graf 8.1 Vývoj emisí z energetiky v ČR Graf 8.2 Produkce odpadů z energetiky a srovnání s ostatními odvětvími (tis. tun) Graf 8.3 Výkonová křivka větrné elektrárny

251

Výrobní a environmentální technologie

Recommend Documents