Příspěvek přináší základní informace o mechanismu vzniku základních znečišťujících látek při spalování fosilních paliv, dřeva a biomasy, dále informuje o hlavních zásadách nové české legislativy v ochraně ovzduší se zaměřením na spalovací zdroje. Příspěvek podává obsáhlou, komplexní informaci o současné legislativě v ochraně ovzduší ve vztahu k stacionárním zdrojům znečišťování. Moderní energetické zdroje musí respektovat stále se zpřísňující požadavky na energetické zdroje z hlediska vlivu na životní prostředí, tzn. na zatížení ovzduší emisemi, které tyto zdroje produkují.
Emise znečišťujících látek z energetických zdrojů jsou významným faktorem, který ovlivňuje jak koncepci energetických zdrojů, tak jejich provozování. Závěrečná část příspěvku je věnována přibližnému stanovení spotřeby spalovacího vzduchu a objemu vzniklých spalin a stanovení předpokládané koncentrace znečišťující látky, kterou lze porovnat s příslušným emisním limitem. Přímé praktické využití zde naleznou projektanti a provozovatelé kotlů. Příspěvek je rozdělen na tři články, první část je zaměřena na popis hlavních znečisťujících látek vznikajících při spalování, vysvětlení pojmů a mechanizmu vzniku emisí, působení imisí a obsahuje i souhrnnou přehlednou informaci o nové legislativě v ochraně ovzduší se zaměřením na malé zdroje.
Při spalování v kotelnách se používají základní druhy paliv - tuhá, kapalná a plynná. Mezi tuhá paliva patří i dřevo v různých formách (kusové, nekusové ve formě briket, štěpků, pilin aj.), rašelina a biomasa. Základní paliva jsou tedy jednak paliva fosilní (uhlí, ropa, zemní plyn), jednak paliva obnovitelná - např. biomasa. Podle vyhlášky ministerstva životního prostředí (dále jen MŽP) č. 357/2002 Sb., kterou se stanoví požadavky na kvalitu paliv z hlediska ochrany ovzduší, je palivem tuhý, kapalný nebo plynný hořlavý materiál určený ke spalování ve zdrojích znečišťování za účelem získání jeho energetického obsahu, který splňuje další požadavky stanovené touto vyhláškou.
V poslední době se objevil i další faktor, který tyto zdroje musí respektovat, a to je trend omezování produkce CO2. Tento trend je důsledkem mezinárodních závazků (v tomto případě se jedná o tzv. Palivo (tuhé nebo kapalné) se skládá ze tří základních složek, které tvoří tzv. kde h je tzv. hořlavina, A je popel (popřípadě inertní složka) a W je voda (vlhkost). Pro plynná paliva platí výše uvedené rozdělení přiměřeně s tím, že hořlavinou h jsou hořlavé plyny, A jsou inertní plyny a W je vodní pára. Všechna fosilní paliva a dřevo i biomasa obsahují tedy tři základní prvky, které jsou zdrojem chemicky vázaného tepla - uhlík C, vodík H a síru S.
Užitečné teplo je teplo dodané pracovní látce v kotli (voda, horká voda nebo pára) mezi vstupem pracovní látky do kotle (vratná topná voda, napájecí voda) a výstupem z kotle (výstupní teplá nebo horká voda, pára o výstupním tlaku a teplotě). Užitečné teplo se určí jako součin hmotnostního průtoku pracovní látky a rozdílu entalpií pracovní látky mezi výstupem z kotle a vstupem do kotle.
Čtěte také: Vše o emisních normách
Kde přivedené teplo v palivu je vztaženo na výhřevnost paliva QN. To je rovno tzv. spalnému teplu QH, kde rozdíl mezi spalným teplem a výhřevností je teplo, které se získá kondenzací vodní páry obsažené ve spalinách. Výhřevnost paliva však není celé teplo obsažené v palivu. Dokážeme-li ochladit spaliny pod hodnotu rosného bodu spalin (vztaženého na parciální tlak vodní páry ve spalinách, nikoliv s ohledem na eventuální vliv SO2, respektive SO3 ve spalinách), pak lze toto teplo využít. Této skutečnosti využívají tzv. kondenzační kotle, které pak mohou v konkrétních případech vykazovat i účinnost vyšší než 100 %.
Znečišťující látky v koncentrované podobě, tak jak vystupují ze zdroje znečišťování, u kotelny z komína, označujeme jako emise a jejich maximální povolená koncentrace je omezena podle zákona o ovzduší a navazujícími předpisy tzv. emisními limity. Znečišťující látky rozptýlené v ovzduší se v tzv. přizemní vrstvě, tj. ve vrstvě, ve které se pohybujeme my a ve které rostou rostliny, označují jako imise. Problematika imisí a dovolených imisních koncentrací je poněkud složitější a je zpracována v Nařízení vlády č. 350/2002 Sb.
Obecně platí, že čím delší expozice (doba trvání příslušné koncentrace znečišťující látky v ovzduší), tím nižší dovolená koncentrace této látky. Neomezené trvání koncentrace bez prokázaného vlivu na lidský organismus (zdraví lidí) je vyjádřeno tzv. ročním imisním limitem, nejvyšší přípustnou krátkodobou koncentraci znečišťující látky vyjadřuje tzv. 1 hodinová maximální koncentrace. Pro běžnou potřebu vyjádření stavu znečištění v ovzduší a pro regulaci zdrojů znečištění se používají všeobecně známé maximální přípustné 24 hodinové koncentrace, pro hodnocení CO je zaveden tzv. 8 hodinový klouzavý průměr. Kromě imisních limitů NV č. 350/2002 Sb. zavádí i tzv. meze tolerance jako hodnoty, o které mohou být příslušné imisní limity v daném roce překročeny.
U každé znečišťující látky je uveden i cílový rok, zpravidla 2005 nebo 2010, kdy mez tolerance dosáhne nuly. Pro účely ochrany zdraví lidí jsou imisní limity a meze tolerance stanoveny pro tyto látky: SO2, PM10 (frakce TZL menší než cca 10 µm), NO2, Pb, CO, benzen, Cd, NH3, As, Ni, Hg a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH). Pro ochranu ekosystémů jsou imisní limity stanoveny pouze pro NOx a SO2 ve formě ročních koncentrací. Koncentrace emisí znečišťujících látek se vyjadřují buď hmotnostní koncentrací (mg.m-3, µg.m-3 nebo až ng.m-3 pro dioxiny) nebo u plynných znečišťujících látek objemovou koncentrací v ppm (1 ppm znamená 1 miliontinu celku, tj. 1 cm3 znečišťující látky v 1 m3 směsi, respektive koncentraci znečišťující látky 10-4 %).
Při spalování fosilních paliv, ale i dřeva a biomasy, vznikají hlavní znečišťující látky, které podle současné legislativy v ochraně ovzduší patří mezi základní znečišťující látky. Tyto znečišťující látky jsou svým původem vzniku součástí paliva nebo okysličovadla a ve výše uvedené formě se do ovzduší dostávají v důsledku uvolnění tepla obsaženého v palivu spalovacím procesem.
Čtěte také: Více o pamětních emisích
Vznik oxidu uhelnatého je spojen s nedokonalostí spalovacího procesu, respektive s neúplnou oxidací uhlíku "C" (jako součásti hořlaviny paliva) na finální produkt CO2. Příčiny tohoto nedokonalého spálení uhlíku jsou jednak v tom, že není dosaženo ideálního míšení paliva a okysličovadla (nedostatečný přístup O2 k palivu), a jednak v nedodržení vhodných teplotových poměrů v pásmu probíhajících spalovacích reakcí. Emisní limit pro oxid uhelnatý (CO) je u spalovacích procesů obecně velmi přísný. Důvodem této přísnosti není pouze snaha o co nejvyšší využití chemicky vázaného tepla v palivu, ale především to, že nízká emise CO zaručuje nízkou emisi uhlovodíků ΣCxHy (z nichž zejména vysokomolekulární často patří mezi karcinogenní látky), které při spalování tvoří hlavní část organických látek.
Emisní hodnoty ΣCxHy se obtížně kontrolují a pro všechna běžná paliva není emisní limit této znečišťující látky, respektive organických látek vyjádřených jako ΣC, vyhlášen. Výjimku tvoří pouze spalování dřeva a biomasy u zdrojů s tepelným výkonem větším než 1 MW, protože dřevo a biomasa jsou pro svůj velmi vysoký obsah tzv. prchavé hořlaviny zdrojem organických látek. Oxid uhelnatý v těle člověka váže v krvi krevní barvivo a způsobuje proto při vyšších dávkách smrt udušením, protože zabraňuje funkci krve jako transportéru kyslíku v těle. Přesto působení oxidu uhelnatého na lidský organismus je kvalifikováno ze zdravotního hlediska jako nejméně významné (nejméně poškozující) ze všech znečišťujících látek z energetických zdrojů.
Pro CO jako imisní limit platí 8 hodinový klouzavý průměr 10 mg.m-3 a je v porovnání s imisními limity ostatních znečišťujících látek přibližně o 2 řády vyšší. Koncentrace 100 ppm (125 mg.m-3) způsobí za dobu trvání 1 hodiny (podle Světové zdravotnické organizace, dále jen WHO) 4 % vázání hemoglobinu v krvi a tím např. snížení pozornosti.
Pokud je v palivu obsažena síra, může se vyskytovat ve čtyřech hlavních formách. Jedná se o síru organickou, pyritickou, síranovou a v případě plynů ve formě H2S (sirovodík). Pouze síra síranová je ve stabilní oxidované formě a není zdrojem znečišťující látky SO2. Nedojde-li v průběhu spalovacího procesu k navázání síry na vhodné typy látek (aditiva), oxiduje síra v palivu na SO2 a to tak, že z jednoho kilogramu palivové síry vzniknou 2 kg SO2. V případě českých uhlí je oxidovatelné síry v palivu v průměru 95 %, u topných olejů je oxidovatelná síra v palivu veškerá. Velmi účinné je působení slabých koncentrací kyselin na materiálech zařízení na odvod spalin za odsiřovacími procesy.
Vliv SO2 ve vnějším ovzduší je velmi rozdílný. Za přítomnosti iontů kovů v ovzduší (např. Fe++ nebo Mn++) dochází ke katalyzované oxidaci na SO3, bez jejich přítomnosti k pomalejší oxidaci působením slunečního záření. Hydrolyzovaný SO3 je vymýván do půdy z atmosféry jako kyselé deště, nehydrolyzovaný se může dostat do půdy formou tzv. suché (částicové) depozice jako (NH4)2SO4. Kyselé deště zvyšují aciditu (kyselost) půdy a povrchové vody, což je považováno za jeden z důvodů nižší odolnosti vegetace (např. stromů) a mizení některých živočišných druhů (např. ryby v severských jezerech). Vhodné materiály (např. Cu) sice kyselé deště korodují, avšak vzniká ochranná nerozpustná vrstva (měděnka), která nedovoluje další oxidaci.
Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení
Vliv SO2 na zdraví člověka je vcelku dobře dokumentován a dle údajů WHO je od koncentrace 3 mg.m-3 při minutové expozici až po 25 µg.m-3 pro trvalou roční expozici. Z uvedených hodnot WHO jsou odvozovány dovolené imisní limity. Podle nařízení vlády č. 350/2002 Sb. platí pro SO2 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 1hodinová maximální koncentrace 350 µg.m-3, 24 hodinová maximální koncentrace 125 µg.m-3, roční maximální koncentrace 50 µg.m-3.
Oxidy dusíku vznikají třemi různými způsoby. Jedná se jednak o tzv. promptní (okamžité, viz obr. 2) oxidy dusíku vznikající v nejvyšších teplotách v počáteční fázi hoření (jejich podíl z celkové emise NOx je minimální), dále pak o oxidy dusíku termické, které vznikají v oblasti teplot nad 1100 °C z dusíku přítomného v okysličovadle (ve vzduchu) a následně pak v oblasti nejnižších teplot oxidy dusíku palivové, které vznikají z dusíku obsaženého v hořlavině paliva. Palivové oxidy dusíku jsou obvykle velmi významné u topných olejů (dokonce s oleji s vysokým obsahem dusíku v palivu nelze splnit emisní limity do ovzduší bez speciálních denitrifikačních technologií) a palivové oxidy dusíku jsou nulové u plynných paliv, která palivový dusík neobsahují a pokud ho obsahují, chová se z hlediska emise NOx stejně jako dusík z okysličovadla (vzduch).
NO je bezbarvý, relativně málo reaktivní plyn. Prahová hodnota pro průmyslovou expozici (nejvýše přípustná koncentrace v pracovním prostředí NPK-P) je 20 mg.m-3, což je o více než dva řády vyšší hodnota než hodnota koncentrace v silně znečištěném ovzduší (méně než 0,1 ppm, kde 1 ppm = 1,34 mg.m-3). NO je ve vnějším prostředí oxidován na NO2. Ve vnitřním prostředí je oxidace NO na NO2 bez přítomnosti UV záření a ozónu velmi pomalá, především mnohem pomalejší než srovnatelná doba výměny vzduchu. Expozice po dobu 1 hodiny v prostředí s koncentrací 0,5 až 1,5 ppm (1 ppm = 2,05 mg.m-3 a odpovídající rozsah hmotnostních koncentrací je 1 až 3 mg.m-3) již způsobují dýchací potíže [1]. NO2 je červenohnědý plyn, jehož charakteristickou barvu lze někdy vidět za smogových situací. NO2 je reaktivní silně oxidická látka.
V kombinaci s uhlovodíky a slunečním zářením NO2 vytváří ozón, organické peroxidy i PAN (polyakrylnitrát) a další produkty fotochemického smogu. Ozón a PAN dráždí oči a otravují vegetaci. Produkce NO2 je významná zejména ze zdrojů s tlakovým spalováním, tj. zejména ze spalovacích motorů. NO2 je jednou z látek, které se podílejí na vzniku kyseliny dusičné v atmosféře (HNO3). Kyselé deště jsou proto důsledkem spolupůsobení oxidů síry i dusíku. Na rozdíl od většinou málo rozpustných nebo nerozpustných síranů (např. CaSO4) jsou dusičnany většinou vodou rozpustné látky (např. dusičnan amonný NH4NO3). Podle NV č. 350/2002 Sb. platí pro NO2 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 1hodinová maximální koncentrace 200 µg.m-3, roční maximální koncentrace 40 µg.m-3.
Tuhé částice (oficiální zákonné označení pro částice, které jsou za teploty a tlaku v komíně, výduchu, výpusti nebo v místě měření přítomny v odpadním plynu v pevném skupenství) se dostávají do ovzduší jako emise jednak z paliv, která obsahují popeloviny, jednak jako saze u spalovacích procesů, u kterých dochází k tvorbě amorfního uhlíku při rychlém ochlazení hořících částic uhlíku (tuhá paliva) nebo nezplyněných uhlíkových řetězců u kapalných paliv. Z hlediska vlivu na zdraví obyvatel je limitována koncentrace tzv. frakce PM10 (tj. částice, které při měření imisní koncentrace projdou velikostně selektivním vstupním filtrem vykazujícím pro aerodynamický průměr 10 µm odlučovací účinnost 50 %).
Tvorba sazí se zjišťuje Bacharachovým testem kouřivosti. Z ohniště spalovacího zařízení na tuhá paliva se do proudu odcházejících spalin dostává z celkového obsahu popelovin v palivu pouze část a to v závislosti na typu spalovacího zařízení. Podle NV č. 350/2002 Sb. platí pro frakci PM10 pro ochranu zdraví lidí tyto imisní limity: 24-hodinová maximální koncentrace 50 µg.m-3, roční maximální koncentrace 40 µg.m-3.
Pod pojmem organické látky máme na mysli celou řadu zejména uhlovodíkových sloučenin od velmi jednoduchých (metan, etan, pentan, ...), přes aromatické uhlovodíky, alifatické uhlovodíky, benzeny, benzpyreny až po vysoce nebezpečné polychlorované organické látky (některá z obvyklých fosilních paliv obsahují chlór). Protože pravděpodobnost vzniku organických látek u běžně používaných fosilních paliv je malá, postačuje emisní kontrola oxidu uhelnatého CO, která současně zaručuje přijatelně nízkou tvorbu organických látek.
V naší legislativě mají pouze spalovací zařízení pro dřevo a biomasu jako nejmladší paliva s vysokým podílem prchavé hořlaviny předepsaný emisní limit pro organické látky (viz kapitola 5.6). Zařízení na spalování dřeva a zejména biomasy musí být pro spalování paliva s vysokým podílem prchavé hořlaviny příslušně přizpůsobena. Z téhož důvodu jsou např. v SRN a v Rakousku používána pro spalování v nejmenších ohništích (kamna, domovní kotle ÚT v rodinných domcích na fosilní pevná paliva a výrobky z těchto paliv) pouze tzv. bezdýmná paliva, tj. paliva, ze kterých se prchavá hořlavina odstranila.
Současné přirozené chemické složení ovzduší se vyvíjelo postupně s vývojem Země. Emise přírodního (sopečná činnost, požáry apod.) i antropogenního původu (spalovací a technologické procesy, zemědělská činnost, doprava apod.), které jsou vnášeny do ovzduší, se dělí na neutrální soli (přírodní původ Na+, Cl-), živiny (Mg2+, Ca2+, NH4+), kyselinotvorné látky (SO2, NOx, Cl2, NH4+, Al a kationty těžkých kovů) a potenciální toxiny (SO2, HF, As, Se, VOC - volatilní organické sloučeniny, POPs - persistentní organické látky, těžké kovy, metaloidy a jejich další sloučeniny, uhlovodíky, oxidanty). V ovzduší rozlišujeme primární a sekundární znečištění, které vzniká následkem interakce primárních znečišťujících látek.
Toxické látky tvořené plynnými a pevnými produkty ze spalovacích a technologických procesů před vstupem do životního prostředí (ovzduší) se označují jako emise. Emise pronikající do prostředí lesních ekosystémů můžeme na základě monitoringu vyjádřit váhovým množstvím přepočteným na určitý objem vzduchu, pak mluvíme o imisích. Imise zachycená nebo uložená na zemském povrchu nebo v lesním ekosystému je označována jako depozice.
Struktura a poloha emisních zdrojů hraje významnou roli v lokálním, dálkovém a globálním transportu emisí a ve formování imisního a depozičního pole. V posledních letech pozorujeme celoevropský trend ve snižování emisí. Intenzivní poškození zbytků porostů smrku ztepilého (Picea abies Karst.) během zimy 95/96, náhradních porostů břízy (Betula verrucosa Ehrh.) na velkých plochách Krušných hor v roce 1997, výrazné nové imisní poškození (hnědnutí až červenání jehlic, poškození a odumírání výhonů a pupenů) u mladých smrkových porostů v Orlických horách po zimě 1998/99, plošné poškození smrkových porostů doprovázené výraznými barevnými změnami - žloutnutím a hnědnutím jehličí a postupným usycháním a opadáváním jehlic - na jaře roku 1999 v západním Krušnohoří (Horní Blatná, Kraslice), v severní části Slavkovského lesa a v dalších imisních pohořích - ”Jeseníkách”, Lužických horách, masivu Kralického Sněžníku a nové poškození smrkových porostů po zimě 2001/2002 v Hrubém Jeseníku a Moravskoslezských Beskydách však dokládá, že není možné očekávat přímo úměrné zlepšení zdravotního stavu smrkových porostů na celém území ČR.
Špatný zdravotní stav smrkových porostů je způsoben tím, že je vyčerpán potenciál odolnosti lesních ekosystémů v imisních oblastech, takže i nižší koncentrace škodlivin, vstup kyselých depozic v kombinaci s nepříznivými krátkodobými klimatickými situacemi (např. sucho, výraznější pokles teplot v předjaří) vyvolá jejich poškození.
Acidifikace půd, jakou je odvápnění a podzolizace, je přirozený proces, který se vstupem kyselé antropické depozice H+ urychluje. Vznik vodíkového iontu definuje Brönstedova teorie kyselin, která říká, že kyseliny jsou látky, které mohou uvolňovat proton - vodíkový iont. Přítomnost kyselé depozice H+ v lesním porostu a v půdě (v lesním ekosystému) a její prokázaný vliv na změnu zdravotního stavu nám poskytuje odpověď na otázku: Proč dochází i nadále k imisním škodám, když imisní koncentrace SO2 klesají? Je to právě kyselá depozice (respektive celková depozice síry a dusíku), která v lesním porostu působí na stromy a jejich prostředí přímo (akutně a chronicky) a nepřímo po řadu let.
Z monitoringu zdravotního stavu lesních porostů vyplývá, že při vzniku škod na lesních porostech se vedle působení imisí SO2, oxidů dusíku uplatňuje v rámci depozičních procesů kyselá depozice H+, která snižuje odolnostní potenciál lesních ekosystémů.
Pojmem imisní limit se definuje hodnota přípustné úrovně znečištění ovzduší škodlivinou stanovená tak, aby se zamezilo dlouhodobým negativním vlivům na lidské zdraví a na vegetaci. Z hlediska ochrany vegetace se jedná o takovou úroveň znečištění ovzduší škodlivinou, pod níž lze na základě současného stavu vědeckého poznání vyloučit přímý nebo nepřímý škodlivý vliv na lesní ekosystémy. Podle směrnice UN ECE platí v rámci ochrany ekosystému limitní hodnoty aritmetického ročního průměru SO2 v úrovni 20 g/m3. Avšak k prokazatelnému přímému fyziologickému poškození, narušení bilance a výměny minerálních látek, snížení přírůstu dochází již při průměrné roční koncentraci 10 g/m3.
Na základě dostupných dat byly stanoveny kritické hodnoty průměrných ročních koncentrací NOx, které leží pod 30 mg/m3, jež způsobují zhoršení růstu a vitality. Tato hodnota je doporučena WHO, v Evropské unii (EU) je tato koncentrace stanovena jako limit v rámci ochrany vegetace. K ovlivnění zdravotního stavu lesních porostů NO2 může docházet při krátkodobých koncentracích (4hodinový průměr) v úrovni 95 mg/m3. Významné jsou rovněž synergické účinky NOx, SO2 v kombinaci s ozonem (O3). Jestliže jsou v ovzduší přítomny imise SO2 a NOx, tak k poškození citlivých druhů vegetace dochází již od průměrné roční koncentraci O3 v rozsahu od 60 do 300 mg/m3 (pro časové trvání koncentrací od 8 hodin do 30 minut).
V souladu s hypotézami o současném poškozování a hynutí lesních porostů, kde hraje klíčovou roli schopnost pufrování kyselých depozic síry a dusíku, prostupujících přes koruny stromů do půdy, mluvíme o přímém i nepřímém působení na celý lesní ekosystém, nejen na lesní porost, ale i na lesní půdu. Důsledky acidifikace se projevují v různé míře, podle místních podmínek, podle míry depozice S a N, podle expozice (návětrné a závětrné polohy) atd.
Tabulka 1: Kritické dávky eq. H+ /ha, rok pro vybrané druhy podloží
| Druh podloží | Kritická dávka (eq. H+ /ha, rok) |
|---|---|
| Žula | 300 |
| Rula | 400 |
| Pískovec | 500 |
| Vápenec | 1000 |
Kritická dávka je definována jako “nejvyšší dávka znečišťující látky, která ještě nezpůsobí chemické změny vedoucí k dlouhotrvajícím škodlivým účinkům na strukturu a funkci lesního ekosystému”.
tags: #emise #imise #depozice #rozdíl