OCHRONA ATMOSFERY

Wykład 2

Dr hab. inż. Krzysztof GOSIEWSKI

Profesor AJD

Udział energetyki i przemysłu w

emisji substancji szkodliwych do

atmosfery oraz emisja

nieprzemysłowa

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Dlaczego w wykładach

„Ochrony Atmosfery”

będziemy wiele mówić o

problemach energii?

• Sytuacja energetyczna świata

Poziom życia a
produkcja energii
elektrycznej w r. 1985
(wg. Gluckman M.J.
Toward 21st Century
Coal Processing
Electric Power
Research Institute
1991)
Wykres przedstawia
czasowy strumień
produkowanej energii
wyrażony w
jednostkach mocy
[W]

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

• Energia pierwotna to energia zawarta w jej

źródle (obecnie najczęściej jest to energia
chemiczna zawarta w paliwach kopalnych)

• Energia użyteczna to energia zużywana na

potrzeby Człowieka

Energia pierwotna przetwarzana jest w użyteczną To
przetwarzania wiąże się zawsze ze stratami energii
(entropia procesów rzeczywistych zawsze rośnie – część
energii jest więc zawsze rozpraszana). Staramy się więc nie
tylko o zwiększenie ilości dostępnej energii pierwotnej, ale
także o jak najmniejsze straty tej energii (czyli jak
najmniejszy wzrost entropii w procesie jej przetwarzania).

Przetwarzanie energii pierwotnej

w użyteczną odbywa się obecnie z bardzo

małą sprawnością (najczęściej 30 do 40%) !!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Zasoby podstawowych paliw kopalnych ocenia się

wskaźnikiem R/P

gdzie :
R – wielkość zasobów [T] P – zużycie roczne paliwa [T/rok]

Wskaźnik ten mówi nam, po ilu latach zasoby danego

paliwa zostaną zużyte, przy danej produkcji energii.
Światowe zasoby węgla (wskaźnik R/P) szacuje się na ok.
220 lat, ropy naftowej 27 – 43 lata, gazu ziemnego 60 lat, a
paliw jądrowych w zależności od szacunku złóż 60 –210 lat.

Wskaźnik R/P
dla ropy
naftowej

w skali
globalnej

Wskaźnik R/P w
1998r. dla ropy
naftowej

wg regionów
świata

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Wskaźnik R/P dla

gazu ziemnego

w skali globalnej.

Wskaźnik R/P w
1998r. dla gazu
ziemnego

wg regionów
świata

Z zasobami (zwłaszcza w Europie

i Ameryce Płn.) jest więc

bardzo kiepsko !!!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Emisja do atmosfery związana z

produkcją energii

 Dwutlenek węgla

• Spalanie węgla pierwiastkowego:

C + O

2



CO

2

• Spalanie metanu (główny składnik gazu ziemnego):

CH

4

+ 2O

2



CO

2

+ 2H

2

O

• Spalanie propanu:

C

3

H

8

+ 5O

2

 3

CO

2

+ 4H

2

O

• Spalanie innych węglowodorów:

C

n

H

m

+ (n + m/4) O

2

 n

CO

2

+ m/2 H

2

O

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

• (

Siarka rzadko występuje w paliwach w formie pierwiastkowej)

• W węglu:

4 FeS

2

+ 11 O

2

 8 SO

2

+ 2 Fe

2

O

3

3 FeS

2

+ 8 O

2

 6 SO

2

+ Fe

3

O

4

Piry
t

Dwutlenek siarki

•

W paliwie gazowym

(gaz opałowy): związki siarki

występują w ilościach śladowych

Siarka
pierwiastkow
a (rodzima)

 Dwutlenek i inne związki siarki

•

Spalanie siarki pierwiastkowej

S + O

2



SO

2

•

W ropie naftowej:

w różnych związkach (np. merkaptany o wzorze ogólnym

R-SH, tiofen C

4

H

4

S i inne).

Odsiarczanie ropy prowadzi zwykle do produkcji siarkowodoru,

który rozkłada się do siarki pierwiastkowej w procesie Clausa:

2 H

2

S + 3 O

2

 2 SO

2

+ 2 H

2

O

SO

2

+ 2 H

2

S  3 S + 2 H

2

O

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Węglowodory (ang. skróty HC lub VOC)

• Są emitowane do atmosfery jako produkt niepełnego spalania paliw, lub też jako

inne lotne związki organiczne (VOC lub polskie: LZO) (np. pary rozpuszczalników lub

produkcja i przetwórstwo tworzyw sztucznych).

• Tlenki azotu

Dzielimy je na 2 istotnie różniące się grupy:

•tlenki azotu „

termiczne

” powstające w procesach spalania

•tlenki azotu pochodzące z chemicznych procesów przemysłowych

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Tlenki azotu

» Termiczne” tlenki azotu

• Powstają w procesach spalania w wysokich temperaturach

zwykle powyżej 1100

o

C, w których tlen dostarczany jest w

strumieniu powietrza.

•

N

2

O (podtlenek)

•

N

2

O

3

(trójtlenek)

•

N

2

O

5

(pięciotlenek)

• Tworzenie w procesie spalania wg reakcji:

•

N

2

+ O

2



2 NO

•

2 NO + O

2

 2 NO

2

NO (tlenek azotu) ponad 90%

NO

2

(dwutlenek azotu)

do

10%

NO

x

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Tlenki azotu emitowane z

procesów chemicznych

• inny niż spalinach udział

poszczególnych tlenków azotu ;

• zwykle inne ich stężenie (naogół

wyższe niż w spalinach).

W gazach odlotowych z produkcji kwasu
azotowego udział NO

2

w ogólnej

zawartości NO

x

może być większy (50 do

60% NO

2

).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Przetwarzanie NO

2

do kwasu azotowego

przebiega wg reakcji:

• O

3

+ NO

2

 NO

3

+ O

2

(1)

• NO

3

+ NO

2

 N

2

O

5

(2)

• N

2

O

5

+ H

2

O  2HNO

3

(3)

Jak widać z tych reakcji przejściowo mogą pojawiać

się w atmosferze jeszcze inne formy tlenków azotu

jak N

2

O

5

.

Niezależnie od pochodzenia tlenki azotu (NO

x

)

ulegają w atmosferze dalszym przemianom z
udziałem ozonu, wykorzystującym mechanizmy
fotosyntezy. Końcowym produktem tych
przemian jest kwas azotowy HNO

3

, który opada

w postaci „kwaśnego deszczu”. Okres
półtrwania NOx w atmosferze wynosi 4 do 5
dni.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Tlenek węgla

Jest silną trucizną !

Powstaje zwykle w procesach „półspalania”:

• węgla:

2 C + O

2

 2 CO

• metanu:

2 CH

4

+ O

2

 2CO + 4 H

2

• lub innych węglowodorów:

C

n

H

m

+ n/2 O

2

 n CO + m/2 H

2

powstający w tych reakcjch wodór może ulec

spaleniu do H

2

O:

2 H

2

+ O

2

 2 H

2

O

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Pyły (Aerozol)

Są to nie spalone części stałe paliwa i
zestalone w niskiej temperaturze ciekłe
składniki spalin.

Pyły o drobnej granulacji tworzą w powietrzu
atmosferycznym aerozol, który dość długo
może utrzymywać się w powietrzu, dopóki nie
zostanie wymyty przez deszcze

(HOMEOSTAZA)

.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Przykładowe emisje ze spalania paliw

kg polutanta / t paliwa umownego

Paliwo

SO

2

NO

x

C

m

H

m

(węglowodory)

CO pył

Olej

opałowy

23

7

0,2

0,1

1

Gaz

opałowy

-

5

-

-

-

Węgiel

kamienny

26

7

0,1

0,5 3,5

Węgiel

brunatny

23 8,5

0,1

0,1 4,5

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Paliwo umowne

• Paliwo umowne, to umowna jednostka

miary wartości opałowej różnych paliw

energetycznych. Miara jednostkowa jest

równa 7000 [kcal/kg] = 2,93∙107 [J/kg].

Najczęściej używa się jednostki większej:

• 1 tona paliwa umownego=7∙109 [cal] =

2,93∙1010 [J] = 29,3 GJ = 8,14 [MWh]

• Jednostka masowa paliwa umownego jest

więc w istocie jednostką energii. W

literaturze spotkać można anglosaska miarę

ilości paliwa umownego o skrócie [toe]

(1 [toe] = 42,0 [GJ] = 11,7 [MWh])

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Proces

produkcyjny

Surowce

Produkty

Surowce

Odpady

(Pierwiastki A,B,C,X,Y)

(Pierwiastki A,B,C)

(Pierwiastki C,X,Y)

Pierwiastki, które występują w surowcach,

a których brak w produktach

muszą znaleźć się w odpadach !!!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Przykład: jeśli ruda w procesie

hutniczym zawiera siarkę, a

produkowany metal jej nie

zawiera (bądź zawiera w

ilościach śladowych), to z

pewnością związki siarki będą

odpadem tego procesu.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

EMISJA NAJWAŻNIEJSZYCH
GAŁĘZI PRZEMYSŁU
PRZETWÓRCZEGO

• Hutnictwo żelaza
• Hutnictwo metali kolorowych

Przemysł
hutniczy

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Surowce hutnicze

Rudy żelaza to przeważnie rudy

tlenkowe:

 magnetyt Fe

3

O

4

 hematyt Fe

2

O

3

 limonit

Fe

2

O

3

 n H

2

O

Rudy miedzi i cynku to bardzo często

rudy siarczkowe:

 chalkozyn Cu

2

S

 chalkopiryt

CuFe

S

2

 blenda cynkowa

Zn

S

Utlenienie siarki do

SO

2

i

emisja do atmosfery!

Utlenienie siarki do

SO

2

i

emisja do atmosfery!

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

 boksyt AlO(OH) [składnik

podstawowy] ale również kriolit
Na

3

(Al

F

6

)

Hutnictwo aluminium

Surowce:

Bardzo groźny, żrący
pierwiastek, który w
swoich związkach
emitowany jest do
atmosfery

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Przemysł chemiczny

Emitować może w zasadzie

wszystkie związki chemiczne!

• Przemysł nawozowy

Nawozy azotowe

Produkcja gazu

syntezowego

Synteza amoniaku

i produkcja

kwasu azotowego

Produkcja

nawozów

CH

4

, H

2

O lub/i CO

2

oraz powietrze (N

2

/O

2

)

H

2

i CO

NH

3

i HNO

3

Różne związki

amonowe,

azotanowe i amidowe

• reforming parowy:

CH

4

+ H

2

O  CO + 3 H

2

• reforming CO

2

:

CH

4

+ CO

2

 2 CO + 2 H

2

Niepotrzebne w produkcji nawozów
CO używa się do innych syntez
chemicznych (produkcja
skojarzona) co owocuje emisją
gazową całej palety różnych
związków chemicznych.

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Nawozy fosforowe

• Emisja gazowa SO

2

, SO

3

oraz pary, mgły i

kropel H

2

SO

4

z produkcji kwasu

siarkowego.

• Emisja gazowa Chloru (Cl) oraz fluoru (F)

oraz ich związków (głównie HCl i HF) z
produkcji kwasu fosforowego i nawozów.

Produkcja kwasu

siarkowego

Produkcja

kwasu

fosforowego

Produkcja

nawozów

S, oraz
powietrze (N

2

/O

2

)

H

2

SO

4

, SO

2

, SO

3

H

3

PO

4

Nawozy fosforowe

Fosforyty: Ca

10

(PO

4

)

6

?[F

2

, Cl

2

, (OH)

2

, CO

3

2-

]

Apatyty: Ca

5

(X)[PO

4

]

3

X oznacza fluor lub chlor

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Petrochemia

• Węglowodory, VOC (Volatile Organic

Compounds) czyli: LZO (lotne związki
organiczne), CO, CO

2

, H

2

S i w zasadzie wiele

innych związków zwłaszcza organicznych.

Przetwórstwo tworzyw
sztucznych i produkcja

farb i lakierów

• Przede wszystkim VOC (LZO)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Przemysł wydobywczy

• METAN (CH

4

)

 Wstępne odmetanowanie kopalń pozwala

na utylizację gazu opałowego

zawierającego 50 do 70 % obj. CH

4

,

 W wypuszczanym do atmosfery powietrzu

wentylacyjnym zawarte jest do 1% CH

4

.

Powoduje to duże straty ekologiczne i

energetyczne. Z jednego szybu

kopalnianego wypuszcza się średnio 700

000 m3/godz. takiego powietrza

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Odpady komunalne

a zagadnienia ochrony

powietrza

• emisja ciepłownictwa komunalnego
• emisja składowisk odpadów stałych
• emisja gazowa ze ścieków komunalnych

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

CIEPŁOWNICTWO KOMUNALNE

to energetyka! Wszystkie

zagrożenia ekologiczne są te

same co przy każdej produkcji

energii drogą spalania paliw.

 Kierunki działań dla zmniejszenia

emisji z ciepłowni komunalnych:

• Likwidacja małych jednostek na rzecz

dużych ciepłowni i elektrociepłowni.

• W małych jednostkach przechodzenie na

gaz ziemny (ew. olej opałowy)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

KOMUNALNE SKŁADOWISKA

ODPADÓW STAŁYCH

 CH

4

, CO

2

, H

2

S, NH

3

, merkaptany i

inne. Podczas samorzutnego
spalania silnie rakotwórcze związki
chloro- i fluoro-organiczne: dioksyny
i furany.

OCZYSZCZALNIE ŚCIEKÓW
• Biogaz z podwyższoną ilością H

2

S

i NH

3

BIOGAZ

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

EMISJA Z SILNIKÓW

SPALINOWYCH

 Niespalone węglowodory HC (od

ang. Hydro Carbons), CO (produkt
niepełnego spalania), NO

x

(termiczne), cząstki stałe,
głównie sadza (w silnikach
wysokoprężnych).

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

JAKIMI ZWIĄZKAMI BĘDZIEMY

SIĘ ZAJMOWAĆ NA

NASTĘPNYCH WYKŁADACH?

 pyły
 dwutlenek węgla CO

2

 dwutlenek siarki SO

2

 tlenki azotu NO

x

 tlenek węgla CO
 węglowodory, wśród których można dodatkowo wydzielić:



metan CH

4

 lotne substancje organiczne LZO (VOC)
 nie spalone składniki paliw samochodowych (HC)

Ochrona Atmosfery -
Wykład 2

Czy lepiej groźne

zanieczyszczenia usuwać, czy

też nie dopuszczać do ich

powstawania ?

Lepiej zapobiegać niż leczyć!

O

CZYSZCZAĆ SUROWIEC

!!

M

ODYFIKOWAĆ TECHNOLOGIĘ

!!

!