1

9. ATMOSFERA

9.01. Klasyfikacja

ź

ródeł emisji zanieczyszcze

ń

do atmosfery wg ró

ż

nych kryteriów

9.02. Jako

ść

powietrza atmosferycznego

9.03. Standardy jako

ś

ci powietrza – przykłady 1

9.04. Standardy jako

ś

ci powietrza – przykłady 2

9.05. Czynniki determinuj

ą

ce rozprzestrzenianie si

ę

zanieczyszcze

ń

w powietrzu

9.06. Czynniki meteorologiczne – pr

ę

dko

ść

i zmienno

ść

kierunku wiatru

9.07. Pr

ę

dko

ść

i zmienno

ść

kierunku wiatru a smuga i st

ęż

enie zanieczyszcze

ń

na wylocie z komina

9.08. Czynniki meteorologiczne – pionowy gradient temperatury
9.09. Pionowy gradient temperatury a smuga zanieczyszcze

ń

na wylocie z komina

9.10. Czynniki topograficzne
9.11. Emitory
9.12. Transgraniczne przemieszczanie zanieczyszcze

ń

9.13. Emisja głównych zanieczyszcze

ń

powietrza atmosferycznego z terenu Polski

9.14. Emisja zanieczyszcze

ń

z procesów spalania paliw dla celów produkcji energii elektrycznej i cieplnej w Polsce

9.15. Główne kierunki ochrony atmosfery
9.16. Oszcz

ę

dzanie energii – zmniejszenie energochłonno

ś

ci

9.17. Oszcz

ę

dzanie energii – recykling

9.18. Zmiana struktury no

ś

ników energii pierwotnej

9.19. Uszlachetnianie w

ę

gla

9.20. Sprawno

ś

ci produkcji energii elektrycznej i cieplnej

9.21. Odpylanie gazów – proces rozdziału fazy stałej i gazowej w polu sił zewn

ę

trznych

9.22. Odsiarczanie gazów – proces wi

ą

zania tlenków siarki w solach (zanieczyszczenie gazowe

odpad stały)

9.23. Denitryfikacja – ograniczenie ilo

ś

ci NOx powstaj

ą

cych w procesie spalania i/lub ich konwersja do NO

2

2

2

9.01. Klasyfikacja

ź

ródeł emisji zanieczyszcze

ń

do atmosfery wg ró

ż

nych kryteriów

ź

ródła liniowe

ź

ródła punktowe

lokalizacja

stacjonarne

mo

ż

liwo

ść

przemieszczania si

ę

emisja niezorganizowana (hałdy, wysypiska)

ź

ródła powierzchniowe

mobilne

naturalne:
kosmiczne,
nieorganiczne (wulkaniczne pyły (Tunbors-1825-150 mln ton,
Krakatau-1883-18 mln ton, Katmai-1912-20 mln ton) i gazy: SO

2

(Pinatubo-1997-20 mln ton), CO, CO

2,

H

2

S, HF),

organiczne (mikroby, pyłki i zarodniki ro

ś

lin)

pochodzenie

emisja zmienna

emisja stała

zmienno

ść

w czasie

emisja zorganizowana (kominy = emitory)

sposób wprowadzenia
do atmosfery

antropogeniczne

3

3

9.02. Jako

ść

powietrza atmosferycznego

cel nadrz

ę

dny

zachowanie standardów jako

ś

ci

powietrza atmosferycznego

standardy imisji

to

dopuszczalne warto

ś

ci st

ęż

enia

substancji zanieczyszczaj

ą

cych w

powietrzu atmosferycznym

najwy

ż

sze ze st

ęż

e

ń

maksymalnych nie mo

ż

e

przekracza

ć

warto

ś

ci dopuszczalnej

S

max

≤

S

dop

4

9.03. Standardy jako

ś

ci powietrza – przykłady 1

Dziennik Ustaw Nr 47 poz. 281 z dnia 3 marca 2008 r. - rozporz

ą

dzenie Ministra

Ś

rodowiska w sprawie

poziomów niektórych substancji w powietrzu

Dopuszczalny poziom substancji zanieczyszczającej w powietrzu

35 x

3 x

24 x

18 x

częstość
przekroczeń
w roku

uzdrowiska

teren kraju og

ó

lnie

rodzaj substancji

50

24 godz.

50

24 godz.

125

24 godz.

125

24 godz.

35

rok

40

rok

rok

rok

rok

8 godz.

1 godz.

1 godz.

okres
uśredniania

0,5

5

40

10 000

350

200

stężenie

µµµµ

g/m

3

rok

rok

rok

8 godz.

1 godz.

1 godz.

okres
uśredniania

350

dwutlenek
siarki

200

dwutlenek
azotu

stężenie

µµµµ

g/m

3

40

pył zawieszony
PM10

5 000

tlenek węgla

4

benzen

0,5

oł

ó

w

5

Dziennik Ustaw Nr 47 poz. 281 z dnia 3 marca 2008 r. - rozporz

ą

dzenie Ministra

Ś

rodowiska w

sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu

Alarmowe poziomy stężenia substancji zanieczyszczającej

500

µµµµ

g/m

3

1 godz.

dwutlenek siarki

Obowiązek

informowania

mieszkańc

ó

w

o zagrożeniu

400

µµµµ

g/m

3

1 godz.

dwutlenek azotu

200

µµµµ

g/m

3

24 godz.

pył zawieszony PM10

240

µµµµ

g/m

3

1 godz.

ozon

2010

120

µµµµ

g/m

3

8 godz.

ozon

2013

20 ng/m

3

rok

nikiel

2013

1 ng/m

3

rok

benzo-a-piren

Dopuszczalny poziom stężenia substancji zanieczyszczającej

w powietrzu i terminy osiągnięcia

rok

rok

okres

uśredniania

2013

2013

termin

5 ng/m

3

6 ng/m

3

stężenie

kadm

arsen

rodzaj substancji

9.04. Standardy jako

ś

ci powietrza – przykłady 2

6

9.05. Czynniki determinuj

ą

ce

rozprzestrzenianie si

ę

zanieczyszcze

ń

w

powietrzu

CZYNNIKI METEOROLOGICZNE

∗

pr

ę

dko

ść

i zmienno

ść

kierunku wiatru

∗

pionowy gradient temperatury

WARUNKI TOPOGRAFICZNE

∗

ukształtowanie terenu

∗

rodzaj pokrycia terenu

PARAMETRY EMITORA

∗

rodzaj i ilo

ść

emitowanych zanieczyszcze

ń

∗

wysoko

ść

emitora

7

9.06. Czynniki meteorologiczne – pr

ę

dko

ść

i

zmienno

ść

kierunku wiatru

m

a

a

h

h

h

u

u













====

h

a

=14 m

m-stała meteorologiczna, m = 0,08 – 0,44

- 30

0

0

0

30

0

- 30

0

0

0

30

0

- 30

0

0

0

30

0

- 30

0

0

0

30

0

c

z

ę

s

to

tl

iw
o

ś

ć

w
%

odchylenie od zasadniczego kierunku

typ I

typ II

typ III

typ IV

8

9.07. Pr

ę

dko

ść

i zmienno

ść

kierunku wiatru a smuga

zanieczyszcze

ń

i st

ęż

enie zanieczyszcze

ń

na wylocie z

komina

smuga zanieczyszczeń

średnioroczna

średniodobowa

chwilowa

stężenie zanieczyszczeń

średnioroczne

średniodobowe

chwilowe

9

9.08. Czynniki meteorologiczne – pionowy
gradient temperatury

pionowy gradient temperatury

ΓΓΓΓ

wyra

ż

a stosunek zmiany temperatury powietrza dT do

warto

ś

ci przemieszczenia dz cz

ą

stki w kierunku pionowym

gdzie: g – przyspieszenie ziemskie,

c

p

– ciepło wła

ś

ciwe powietrza suchego przy stałym ci

ś

nieniu

T

1

Z

2 3

4

gradient temperatury

= 1

0

C/100 m

2. adiabatyczny

> 1

0

C/100 m

1. superadiabatyczny

< 0

4. inwersja

~ 0,6

0

C/100 m

3. przeci

ę

tny

p

c

g

dz

dT

-

=

=

Γ

10

9.09. Pionowy gradient temperatury a smuga
zanieczyszcze

ń

na wylocie z komina

warstwa inwersyjna

Z

T

inwersja -
wzrost
temperatury
z wysoko

ś

ci

ą

Stan idealnej
równowagi
atmosferycznej.

Nie wyst

ę

puj

ą

pionowe ruchy
mas powietrza.

Stan chwiejnej
równowagi
atmosferycznej.

Intensywne
pionowe ruchy
mas powietrza.

D

ąż

enie układu do

osi

ą

gni

ę

cia

idealnej
równowagi
atmosferycznej

gradient superadiabatyczny

gradient adiabatyczny

gradient przeci

ę

tny

11

9.10. Czynniki topograficzne

wpływ bezpo

ś

redni ukształtowania terenu



wywoływanie lokalnych zmian kierunku i pr

ę

dko

ś

ci wiatru oraz

zawirowa

ń

spowodowanych gwałtownymi zmianami ukształtowania

terenu (gł

ę

bokie w

ą

wozy, góry)



pojawienie si

ę

nieuporz

ą

dkowanych ruchów wst

ę

puj

ą

cych i

zst

ę

puj

ą

cych mas powietrza na skutek nierównomiernego

nagrzewania si

ę

zboczy

wpływ po

ś

redni ukształtowania terenu

na skutek utrudnionego swobodnego przepływu mas powietrza (np. w kotlinach) wyst

ę

puje

utrudnione mieszanie gor

ą

cych spalin z zimnym powietrzem, co zmienia warunki termiczne

(ogrzewanie) i prowadzi do inwersji, której skutkiem bywa wzrost st

ęż

enia zanieczyszcze

ń

w

powietrzu

wpływ rodzaju pokrycia terenu

ro

ś

linno

ść

absorbuje zanieczyszczenia powietrza (nawet trawa, cho

ć

oczywi

ś

cie bardziej

korzystny jest g

ę

sty, wysoki drzewostan) zmniejszaj

ą

c ich st

ęż

enie w przemieszczaj

ą

cych

si

ę

masach powietrza

12

S

max

↓↓↓↓ ⇔

⇔

⇔

⇔

H

↑↑↑↑

i/lubE

↓↓↓↓

wysokie kominy

– problem transgranicznego

przemieszczania się

zanieczyszczeń w atmosferze

Protokół siarkowy I i II,

Protokół azotowy

(lata 80-te)

zobowiązania krajów EWG do

ograniczenia emisji E

E – strumie

ń

masy emitowanego zanieczyszczenia

H – wysoko

ść

pozornego punktu emisji,

H = h + h

d

+ h

t

h –wysoko

ść

geometryczna komina,

h

d

–wyniesienie dynamiczne,

h

t

– wyniesienie termiczne

m – stała meteorologiczna, m = 1,7 – 2,4

9.11. Emitory













≈

m

max

H

E

f

S

zmiany w latach 1996 - 2006

~ 0

- 29 %

- 22 %

ilość

emitor

ó

w

-75 %

- 78 %

- 66 %

emisja

pył

ó

w

+ 27 %

≤≤≤≤

50 m

emisja

gaz

ó

w

(bez CO

2

)

wysokość

emitora

+ 7 %

≥≥≥≥

100 m

- 19 %

51-99 m

13

9.12. Transgraniczne przemieszczanie
zanieczyszcze

ń

w połowie lat 90. XX w.

sporz

ą

dzono list

ę

100

zakładów w Europie

emituj

ą

cych najwi

ę

cej SO

2

93 % stanowiły elektrownie

(m.in. Bełchatów, Turów,

Adamów, Kozienice, Rybnik

)

import SO

2

(dane za rok 1996)

kraj-eksport

11 % z Polski

15 % z Niemiec

Szwecja

93 %

18 % niewiadomego pochodzenia

8 % z W

ę

gier

4 % z Ukrainy

4 % ze Słowacji

17 % z Czech

33 % z Niemiec

Polska

53 %

7 % z Francji

28 % z Czech

15 % z Polski

Niemcy

46 %

25 % niewiadomego pochodzenia

35 % niewiadomego pochodzenia

25 % niewiadomego pochodzenia

Turcja 87 %

14

14

9.13. Emisja głównych zanieczyszcze

ń

powietrza atmosferycznego z terenu Polski

Struktura emisji (2007 r.)

SO

2

energetyka

66,8 %

transport

inne
procesy

NO

2

energetyka

39,5 %

transport

39,4 %

inne
procesy

0

1

2

3

4

1

9

9

0

1

9

9

2

1

9

9

4

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

2

0

0

2

2

0

0

4

2

0

0

6

2

0

0

8

2

0

1

0

SO

2

pył

NO

x

mln t/rok

15

9.14. Emisja zanieczyszcze

ń

z procesów

spalania paliw dla celów produkcji energii
elektrycznej i cieplnej w Polsce

0

50

100

150

200

250

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

2

0

0

2

2

0

0

4

2

0

0

6

emisja pyłu w

k

t/a

całkowita

produkcja

energii

elektrycznej

produkcja

pary i

gorącej wody

0

250

500

750

1000

1250

1500

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

2

0

0

2

2

0

0

4

2

0

0

6

emisja SO

2

w

k

t/a

całkowita

produkcja

energii

elektrycznej

produkcja

pary i

gorącej wody

16

16

9.15. Główne kierunki ochrony atmosfery

1. oszcz

ę

dzanie energii – najczystsz

ą

dla

ś

rodowiska energi

ą

jest ta,

której si

ę

nie zu

ż

ywa

1.1. zmniejszenie energochłonno

ś

ci technologii produkcyjnych oraz

urz

ą

dze

ń

b

ę

d

ą

cych wytworem tych technologii

1.2. recykling – surowce wtórne i regeneracja

2. zmiana struktury no

ś

ników energii pierwotnej

3. uszlachetnianie w

ę

gla

4. wzrost sprawno

ś

ci produkcji energii elektrycznej i cieplnej

5. redukcja zanieczyszcze

ń

w gazach odlotowych wprowadzanych do

atmosfery

5.1. odpylanie
5.2. desulfuryzacja (odsiarczanie)
5.3. denitryfikacja (odazotowanie)

17

17

9.16. Oszcz

ę

dzanie energii – zmniejszenie

energochłonno

ś

ci

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

1

9

9

0

1

9

9

2

1

9

9

4

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

2

0

0

2

2

0

0

4

2

0

0

6

2

0

0

8

2

0

1

0

UE

Polska

Bułgaria

Energochłonność gospodarki

w kg ropy naftowej na 1000 EUR PKB

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

9

7

2

1

9

7

4

1

9

7

6

1

9

7

8

1

9

8

0

1

9

8

2

1

9

8

4

1

9

8

6

1

9

8

8

je

d

n

o

s

tk

i

z

u

ż

y

c

ia

e

n

e

rg

ii

e

le

k

tr

y

c

z

n

e

j

w

1

9

7

3

r

.

=

1

0

0

chłodziarki

klimatyzacja

TV-kolor

18

18

9.17. Oszcz

ę

dzanie energii – recykling

0

1

2

3

4

5

6

1

9

4

0

1

9

5

0

1

9

6

0

1

9

7

0

1

9

8

0

1

9

9

0

2

0

0

0

2

0

1

0

koszty

produkcji

naprawy

odtwarzania

koszty

produkcji

naprawy

odtwarzania

zmiana kosztów wskutek

projektowania nastawionego

na recykling i stosowanie

technologii regeneracji

wyrobów

pocz

ą

wszy od połowy

lat 70. koszty napraw
zacz

ę

ły przewy

ż

sza

ć

koszt nowego wyrobu

19

19

9.18. Zmiana struktury no

ś

ników energii

pierwotnej

2006 r. POLSKA 2030 r.

WĘGIEL KAMIENNY,

WĘGIEL BRUNATNY

(dla Polski – kolor szary)

ROPA NAFTOWA

GAZ

ENERGIA JĄDROWA

ENERGIA ODNAWIALNA

37%

18%

6%

15%

24%

31%

8%

27%

15%

6%

13%

45%

13%

24%

13%

5%

UE 2006 r.

20

metody fizyczne

usuwanie 30-50 % siarki pirytowej oraz do 60 % substancji mineralnej
(popiołu)

Wykorzystuje się:



r

ó

żnicę gęstości

–

separacja grawitacyjna



własności powierzchniowe (np. zwilżalność) węgla

–

flotacja

Konwersja siarki organicznej zawartej w węglu do siarki elementarnej lub
związk

ó

w siarki, kt

ó

re mogą być następnie usunięte ze struktury węgla. Wadą

tych metod jest ich wysoki koszt oraz emisja H

2

S lub SO

2

do atmosfery.

metody chemiczne

usuwanie do 90 % siarki pirytowej i organicznej oraz 90-99 % substancji
mineralnej (popiołu)

Wykorzystuje się bakterie beztlenowe i tlenowe, grzyby lub enzymy, kt

ó

re

trawią siarkę.

metody biologiczne

usuwanie siarki całkowitej (pirytowej, organicznej i siarczanowej).

9.19. Uszlachetnianie w

ę

gla

21

9.20. Sprawno

ś

ci produkcji energii

elektrycznej i cieplnej

sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej w Polsce

1990 1995 2000

2003 rok

32,3 % 34,9 % 35,6 % 36,4 %

1.

bloki klasyczne

2.

bloki kondensacyjne (ci

ś

nienia

nadkrytyczne)

3.

układy parowo-gazowe ze
zgazowaniem w

ę

gla

4.

układy parowo-gazowe (gaz
ziemny)

5.

obieg WET-NET

6.

ogniwa paliwowe

35

40

45

50

55

60

65

1

9

7

0

1

9

8

0

1

9

9

0

2

0

0

0

2

0

1

0

s

p

ra

w

n

o

ś

ć

n

e

tt

o

p

ro

d

u

k

c

ji

e

n

e

rg

ii

e

le

k

tr

y

c

z

n

e

j,

%

1

3

2

4

5

6

22

9.21. Odpylanie gazów – proces rozdziału fazy
stałej i gazowej w polu sił zewn

ę

trznych

a) komory osadcze

– odpylacze grawitacyjne

Najprostsz

ą

, ale najmniej skuteczn

ą

metod

ą

rozdziału faz jest

wykorzystanie siły ci

ęż

ko

ś

ci F

g

przy poziomym przepływie

gazu.
Ziarna pyłu maj

ą

oczywi

ś

cie wi

ę

ksz

ą

mas

ę

ni

ż

molekuły gazu i

odpadaj

ą

od strugi gazu.

b) cyklony

(1864) – odpylacze od

ś

rodkowe

Zakrzywienie trajektorii ruchu gazu, powoduje pojawienie si

ę

siły od

ś

rodkowej F

o

, która równie

ż

ze wzgl

ę

du na ró

ż

nic

ę

mas

cz

ą

stek fazy stałej i fazy gazowej b

ę

dzie oddziaływa

ć

głównie

na ziarna pyłu.

c) filtry tkaninowe

(XIX w.) – odpylacze filtracyjne

Mo

ż

na równie

ż

na drodze przepływu zapylonego gazu

ustawi

ć

porowat

ą

, przepuszczaln

ą

dla gazu, przeszkod

ę

–

struktur

ę

filtracyjn

ą

, w której osadzaj

ą

si

ę

ziarna pyłu

d) elektrofiltry

(1904) – odpylacze elektrostatyczne

Obdarzenie ziarna pyłu ładunkiem elektrycznym sprawi,

ż

e

pod wpływem siły elektrycznej F

E

b

ę

dzie ono „w

ę

drowa

ć

” w

kierunku elektrody o przeciwnej biegunowo

ś

ci.

gaz

pył

F

g

a)

gaz

F

E

d)

pył

gaz

pył

c)

pył

b)

F

o

gaz

23

9.22. Odsiarczanie gazów – proces wi

ą

zania

tlenków siarki w solach (zanieczyszczenie
gazowe

odpad stały)

metody mokre

SO

2

+H

2

O+CaCO

3

+

½

O

2

→

→

→

→

CaSO

4

+H

2

O+CO

2

zawiesina alkalicznego sorbentu wapniowego

reaktor
podgrzew spalin przed

kominem z ok. 60

0

C do 85 -100

0

C

skuteczność odsiarczania > 90 %

przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 1,0 - 1,3

sorbent w postaci wodnej zawiesiny np. Ca(OH)

2

lub wodnego roztworu NH

3

reaktor

urządzenie odpylające gazy poreakcyjne

skuteczność odsiarczania 60

–

90 %

przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 1,5

–

2,0

metody p

ó

łsuche

Ca(OH)

2

+SO

2

+

½

O

2

→

→

→

→

CaSO

4

+2 H

2

O

sorbent w postaci wodnej zawiesiny np. Ca(OH)

2

lub wodnego roztworu NH

3

reaktor

urządzenie odpylające gazy poreakcyjne

skuteczność odsiarczania 30

–

60 %

przy nadmiarze sorbentu Ca/S = 2 - 4

metody suche

2 CaO+2 SO

2

+ O

2

→

→

→

→

2 CaSO

4

24

9.23. Denitryfikacja – ograniczenie ilo

ś

ci NO

x

powstaj

ą

cych w procesie spalania i/lub ich

konwersja do NO

2

metody wtórne

(konwersja NO

x

do N

2

)

polegaj

ą

ce na wprowadzania amoniaku lub jego zwi

ą

zków (mocznika) do:



komory paleniskowej w strefie odpowiednio wysokich temperatur (967

±±±±

50

0

C)

(SNCR –selektywna redukcja niekatalityczna),



poza paleniskiem do reaktora katalitycznego (katalizatory: tlenek tytanu,

wanad lub wolfram), proces zachodzi w temperaturze 280 – 400

0

C

(SCR-selektywna redukcja katalityczna)

metody pierwotne

(ograniczenie mo

ż

liwo

ś

ci powstawania NO

x

) polegaj

ą

ce na

odpowiedniej organizacji procesu spalania:



konstrukcje palników pyłowych zapewniaj

ą

cych dobry kontakt paliwa z O

2,



spalanie przy mo

ż

liwie niskim nadmiarze powietrza,



spalanie dwustopniowe (niedomiar a nast

ę

pnie nadmiar powietrza),



reburning (w fazie drugiej wprowadzanie dodatkowego paliwa),



oxy fuel (wzbogacanie powietrza wprowadzanego do spalania w O

2

)