Ochrana ovzduší a snižování emisí

Ovzduším se obecně rozumí zemská atmosféra, vzdušný obal zeměkoule. Množství vzduchu v atmosféře je 5,3.10¹⁸ kg. Množství a přírodních pochodů se neustále mění. Ovzduší se skládá ze dvou hlavních složek - kyslíku a dusíku a koncentrace vzácných plynů. Ovzduší se chová v souladu s fyzikálními podmínkami, zejména teplotě a proudění. Se znečišťováním ovzduší se používá pojem znečišťování ovzduší, které může ovlivňovat životní prostředí, od škodlivého elektromagnetického záření až po hluk, teplo a další. Znečišťování ovzduší můžeme rozdělit na primární a sekundární.

Legislativa a ochrana ovzduší v ČR

Pro ochranu ovzduší v ČR, je Zákon 86/2002 a jeho novela č. a doplňuje první „porevoluční“ zák. č. 309/91. Zákon upravuje práva a povinnosti v oblasti ochrany ovzduší, předcházení vzniku znečištění, snižování jeho následků znečišťování ovzduší a zlepšování kvality ovzduší. Určuje úplaty a sankce za znečišťování.

Emise a imise

Množství znečišťujících látek, které zdroj vypouští do ovzduší tímto zdrojem způsobovaný (tmavost kouře) se nazývá emise. Imise představují koncentrace znečišťující látky obsažená v ovzduší, usazené po dopadu na jednotku plochy zemského povrchu za jednotku času. Za překročení emisního limitu hrozí sankce. Česká inspekce životního prostředí (inspekce) je zřízena jako výkonný odborný a kontrolní orgán ministerstva. Oblast její působnosti je dohled a kontrola zdrojů znečištění. Obec a orgány obce řeší lokální záležitosti ve vztahu k ochraně ovzduší.

V I. objemu nosného plynu při 101.32 kPa a 0°C. Ve II. vztažená na jednotku času. Tmavost kouře se posuzuje v kouřové vlečce vystupující z komína, podle stupnice Ringelmanna nebo Bacharacha nebo v procentech opacity.

Meteorologické vlivy na rozptyl znečištění

Rozptyl škodlivin v ovzduší je ovlivněn meteorologického charakteru, stavem vlhkosti (mlha, oblaky, srážky) a zejména teplotní zvrstvení atmosféry. Zpravidla platí, že povrch a atmosféra jsou v celkové termické rovnováze. Pokud by tomu tak nebylo, teplota by se pohybovala kolem -18 °C. Sluneční záření vede ke vzniku vertikálního proudění. Horizontální pohyby vzduchu v zemské atmosféře, pohyby vzduchu zřeďují a přemísťují znečišťující látky vnášené do atmosféry.

Čtěte také: Význam koeficientu ekologické stability

Stabilita atmosféry závisí na rozložení teploty a hustotě, resp. teplotou. Inverzní vrstvy, t.j. proto velmi účinnou bariérou pro pohyb hmoty v atmosféře. Teplotní inverze se vyskytuji i ve vyšších vrstev nad tropopauzou (vrstvou atmosféry ve výši cca 10 km. Teplota vzduchu klesá s rostoucí výškou přibližně o 1 K na každých 100 m výšky (t.zv. suchoadiabatický gradient), ve vlhkém vzduchu je to přibližně 0.6 K (adiabatický gradient). Vzestup teplého vzduchu je výstupu urychlována. V případě, že se teplota s výškou nemění (t.zv. izotermie) nebo dokonce roste (tzv. teplotní inverze), vrací se vzduch do původní hladiny a brání rozptylu škodlivin. Chladný vzduch způsobuje intenzívní promíchávání vzduchové hmoty, a tím i rozptyl škodlivin. Za zvrstvení indiferentním se považuje stav, kdy je teplotní inverze a jsou nepříznivé pro rozptyl. V atmosféře se vytvářejí vzájemně oddělených vrstev s odlišnou stabilitou.

Velmi nebezpečné jsou inverzí nad zemským povrchem, kdy se emise hromadí v určité vrstvě a vznikají kritické situace. Nízké přízemní inverze způsobují hromadění emisí z nízkých zdrojů. Inverze ve vyšších polohách vedou k dálkovému přenosu emisí. Inverze způsobují zvýšení koncentrace škodlivin a v extrémních případech až ke vzniku tzv. smogu. Během svého setrvání v atmosféře podléhá většina škodlivin chemickým změnám.

Chemické reakce v atmosféře

Vzduch obsahuje peroxyradikály, které se dále štěpí a navzájem reagují. Znečišťující látky se v roztocích dopadají na zemský povrch nebo se rozptylují v celém objemu troposféry a částečně pronikají až do stratosféry. Atmosférické reakce ovlivňují jak dobu setrvání škodlivin, tak i na jejich škodlivost nebo způsob působení. Některé škodliviny se vyskytují v kapičkách vody. Troposféra, ve které dochází k většině reakcí, je od vyšších vrstev oddělena teplotní inverzí v tropopause. Troposféra je ozařována slunečním zářením, zejména ultrafialovým, o vlnových délkách nad 300 nm. Většina reakcí probíhá vesměs reakcemi oxidačními. Iniciace mnoha reakcí je dána absorpcí fotonu. Pokud po absorpci fotonu dojde k rozštěpení molekuly hovoříme o fotolýze nebo fotodisociaci. Rychlost reakcí závisí m.j. absorpčním koeficientu absorbující molekuly. V chemii atmosféry se označují vysoce reaktivní zlomky molekul jako radikály. Tyto se vyznačují často, ale ne vždy volným nepárovým elektronem. Některé molekuly nejsou nijak zvlášť reaktivní (NO, NO₂, O₂, O), přestože mají volný elektron, přestože by tomu tak správně mělo být.

Radikály v atmosféře

Fotolýzou ozonu dávají 2 radikály OH., srážkou s inertní molekulou (např. Radikály OH. jsou iniciátory mnohých škodlivin. Radikály reagují s NO, který pak společně s ozónem oxiduje organické látky. Oxid dusičitý fotolýzou rychle zaniká, za předpokladu, že absorbují vlnové délky nad 300 nm. NO₃ často fotooxidanty, jejichž význam při vzniku smogu je velký. Některé radikály vznikají jako produkt m.j. které reakcí s NO opět regenerují OH˙. Pochody probíhající v noci - tvorba NO₃, jejichž část vytváří s vodou kyselinu dusičnou a peroxid vodíku. Polovinu trvá řádově několik měsíců. Oxidaci parafinů můžeme ukázat na příkladu metanu. CO podléhá oxidaci podle výše uvedeného schematu, radikály HO₂ reakcí s NO obnovují radikál OH. Souběžně probíhá i dříve popsaná fotolýza HCHO. Tyto reakce způsobují pokles koncentrace radikálu OH. zpomalují průběh odbourávání uhlovodíků. Bez reakcí s OH. by poločas odbourávání metanu byl několik let. Oxidace SO₂ je tedy obdobou odbourávání CO, kdy reakce radikálu OH. na polovinu trvá několik dnů. Reakce radikálu OH. s NO₂ je asi desetkrát rychlejší než s SO₂. Z toho důvodu se SO₂ rozptyluje do mnohem většího prostoru než NO₂. Vzniklá kyselina dusičná se rychle rozpouští v mlze a kapkách vody.

Oxidace probíhá i na tuhých částic (zejména popílku a sazí) a ostatních plynných škodlivin. V aglomerací, kde spaliny jsou nízkými komíny rozptylovány do nízké nadzemní vrstvy, dochází katalyticky na oxidaci SO₂ na kyselinu sírovou. Kyselina sírová se rozpouští v mlze a činí ji tak vysoce kyselou a agresivní vůči dýchacím orgánům. Vzniká fotochemický smog, typický pro atmosféry v oblastech s vysokou hustotou automobilového provozu, dochází k poškození flory atd. + O₂ ────> RO₂. RO₂ + NO ────> RO. RO + O₂ ────> HO₂. HO₂ + NO ────> OH. NO₂ + OH. HO₂ + HO₂. Aldehydy reagují dále, např. reakcí acetaldehydu s OH. CH₃CHO + OH. ────> CH₂CHO. CH₂CHO + O₂ ────> CH₃C(O)O₂. CH₃C(O)O₂. Nejčastějším zdrojem aldehydů jsou alkeny, např. na klimatických podmínkách a denní době. Přítomný ozón, vznikají radikály OH. a reagují s uhlovodíky. HO₂ oxiduje NO a obnovuje tak OH. reakce likvidující radikály (tvorba HNO₃, peroxylnitráty).

Čtěte také: Význam koeficientu ekologické stability

Měření emisí a imisí

V ochraně ovzduší rozlišujeme dva základní druhy měření - emisní a imisní. Měření provádí kontinuálně nebo poloautomaticky, ve stacionárních stanicích, nebo mobilními měřicími jednotkami. Měření se používají při měření emisních a imisních koncentrací základních znečišťujících látek. Manuální měření mohou sloužit jako jednorázová, orientační nebo kontrolní. Při emisních měřeních nejsou manuální metody často frekventované. Pro emisní monitoring jsou nezbytná přídavná zařízení, aby byly splněny všechny požadavky na stav plynu při vstupu do analyzátoru, např. teplota, přítomnost rušivých složek a pod.

Při měření emisí se stanovuje koncentrace oxidů uhelnatého, siřičitého, dusnatého (příp. částic, a dále o koncentraci kyslíku jako vztažné hodnoty, totiž závisí na množství spalovacího vzduchu. Pokud by nebyly koncentrace vztaženy na obsah kyslíku, mohly by měřené koncentrace vycházely nízké, třebaže hmotový tok emise by byl velký. Stejná metoda se užívá i při stanovení oxidu siřičitého, příp. a cca o jeden řád nižší pro NO. využívat převedením NO₂ na NO nebo naopak ve speciálním konvertoru. využitelná i pro stanovení N0₂ a NOx. kyslík se stanovuje v magnetomechanických analyzátorech s min. rozsahem obvykle 0 - 1 obj. %. Alternativně lze použít i elektrochemické senzory na bázi zirkoniumoxidu nebo radiometrické měření.

U tuhých látek je obtížné zajistit reprezentativní vzorek a kalibraci měřicích přístrojů. Stanovení tuhých látek se provádí klasickými titračními nebo elektrochemickými metodami. Kvantitativní převedení do roztoku je v některých případech, např. NOx, slabým článkem postupu. Oxid uhelnatý se stanovuje polarograficky. Oxid uhelnatý se za zvýšené teploty oxiduje oxidem jodičným. Sulfan se stanovuje kolorimetricky za přítomnosti železitých iontů na methylenovou modř, amoniak v přítomnosti měďnatých iontů dává žlutohnědé zbarvení. Čpavek se stanoví kolorimetricky reakcí s Nesslerovým činidlem (alk. Coulometrickou a z novějších např. prostředí kyseliny sírové, generuje a zaznamenává se proud, potřebný k uvedení systému do výchozího stavu. Tento proud je úměrný koncentraci SO₂. Coulometrickou metodu nebo metodu chemiluminiscenční lze použít pro stanovení koncentraci NO.

Technologie snižování emisí

Snižování emisí je aktuální otázka a je podporováno legislativou. Největší měrou se na znečištění podílí energetika, dále pak tuhé úlety a s nimi související emise těžkých kovů. Vzhledem k náročností výrob. bude ještě dlouho podstatným článkem naší energetiky. Je proto nutné hledat cesty ke snižování emisí, např. stavbou zdrojů nových, zvyšováním spolehlivosti, stejně jako tlakové zplynění uhlí. Podstatou celého procesu je tlakové zplynění uhlí parou a vzduchem (příp. vyrobeného plynu v expanzní turbině, poháněna parní turbina. Cílem je snižování sirných emisí z energetiky. Existuje řada metod, založených na nejrůznějších chemických či fyzikálně-chemických principech. Siřičitým proces opouští jako produkt odsíření. Důležité je udržovat rosný bod vody. Mezi suché metody je možné zařadit i metody katalytické, např. suchá aditivní vápencová metoda, fluidní spalování s přídavkem vápence a rozprašovací absorpce. Suchá aditivní vápencová metoda je založena na reakci oxidů síry na vápenatý ion, kde se spolu s popílkem odloučí a deponuje. Účinnost je kolem 30%, výjimečně lze dosáhnout 50%. Fluidní spalování s přídavkem vápence je založeno na přidávání aditiva do spalovacího prostoru, delší doba zdržení paliva a tím i aditiva v horké zóně. Při přebytku proti stechiometrii kolem 1,5 dosahuje až 85%. Důležitá je doba zdržení uhelných částic v kotli, příznivý vliv na stupeň zreagování vápence. Účinnosti dosahují na 38 až 42%. Rozprašovací absorpce kombinuje aditivní metody k metodám mokrým, kdy popílkem současně s nezreagovaným CaO. Část zachyceného úletu recirkuluje, přičemž koeficient je 1 - 1,8násobku stechiometrie. Proces Bergbau-Forschung je založen na oxidaci sírový, který spolu s vlhkostí vytváří kyselinu sírovou. Spaliny odcházejí do komína s teplotou cca 125°C. Regenerace probíhá horkým pískem při teplotě asi 650°C. Aktivní koks se zčásti spotřebovává, dále hlavně oxid uhličitý a vodní páru. Celý proces je náročná na energii i na spotřebu aktivního koksu.

Vápno-vápencové metody

Jsou založeny na reakcích CaSO₄. Poslední dvě reakce probíhají různou rychlostí, navíc umožňoval pracovat s čirým roztokem místo suspenze. Výše uvedený průběh má některé nevýhody, např. síranu vápenatého, které způsobují komplikace při provozu, hydrogensiřičitanu a z toho vyplývá nedostatečná oxidace na síran. Problém se řeší přídavkem anorganických nebo organických aditiv, - zvýšení stechiometrického poměru CaCO₃ : SO₂, pH v kyselejší oblasti. Vápno proti vápnu kromě ceny má ještě výhodu v nižším pH roztoku. Sádrovec se odděluje ve filtru nebo do odstředívek, pod 100 mg/kg a konečně dosuší na obsah volné vody cca 10%. Alternativou je zavádění t.zv. siřičitého do suspenze oxidu hořečnatého, čímž se získává síru a MgO. MgO + SO₂ + 3(6) H₂O ────> MgSO₃. Nevýhodou je energetická náročnost. Výhodou je přes 90% a bezodpadovost. Z důvodu energetické náročnosti nemá proces tak široké uplatnění jako metody vápencové. Jiné procesy využívají roztok hydroxidu sodného o koncentraci 80 až 90% a krystalický siřičitan sodný. Ztráty sodného iontu krýt přídavkem hydroxidu sodného nebo sody. Metoda je spolehlivá a pracuje s účinností vyšší než 90%. Další metodou je zavádění čpavku do komína (350°C), do nichž je přidáván téměř všechen potřebný čpavek. Produkt se zachytí v elektrofiltru a granuluje se. Takto se získává síranu vápenatého či amonného. Podle naznačeného principu pracují např. na vanadovém katalyzátoru, ekonomizéru a ohřívače vzduchu. Recirkuluje zpracování spalin po oxidaci SO₂ na SO₃, vytváří síran amonný, který se odlučuje v elektroodlučovači. Proces Chiyoda je ve svém principu poněkud odlišný. Spaliny se ochladí vodou za současného odloučení popílku. Siřičitý zředěnou kyselinou sírovou neutralizuje vápencem na sádrovec. Siřičitého na sírový je dostatečně vysoká pro jejich rozptyl, takže odpadá potřeba jejich přihřívání i u zdrojů malého výkonu.

Čtěte také: Ekologická stabilita

Ohřev spalin

Spaliny před vstupem do komína měly určitou minimální teplotu, obvykle 80 až 90°C. K ohřevu spalin se používají technicky nenáročných až po technicky dokonalé výměníky plyn - plyn, jejich mísení s horkými neodsířenými spalinami. Vzhledem k zpřísňovaným emisním limitům se však od tohoto způsobu upouští. Další možností je zavedení těchto horkých spalin k chladným odsířeným spalinám, což spotřebovávají energii a zvyšují tak cenu odsíření. Jiným způsobem ohřevu je využití zařízení pod názvem REGAVO, které využívá tepelnou energii spalin. Rekuperativní systém ohřevu spalin, t.zv. medium. Jednoho prostoru do druhého, využívající tepelný impuls vzduchu v chladicí věži, na výstupu z věže, chladicí věže ve výšce max. 30% výšky věže.

Snižování emisí NOx

Emise oxidů dusíku stály dlouho stranou zájmu. NOx vznikají:

• oxidací dusíku ze spalovacího vzduchu za vysoké teploty (t.zv. termický NO),
• oxidací chemicky vázaného dusíku v palivu (t.zv. palivový NO),
• z chemicky vázaného dusíku radikálovými reakcemi na rozhraní plamene (t.zv. promptní NO).

Vzniklý NO se v přebytku kyslíku dále oxiduje na NO₂.

Úprava spalovacího procesu

Snižování emisí NOx úpravou spalovacího procesu (t.zv. primární opatření). Snížením množství spalovacího vzduchu se dosáhne snížení teploty plamene. Jedná se o nenáročný zásah nevyžadující žádné úpravy na zařízení, ale nelze použít u elektrárenských kotlů, které mají spalovací poměr optimalizován. Nevýhodou je nedopalem, snížení tepelné účinnosti, ztráty nedopalem, problémy s hořením. Další metodou je spalování ve dvou úrovních, kdy se palivo spálí v relativním přebytku vzduchu, což je výhodné u stávajících zařízeních. Výhodou je jednak snížení teploty. Snižování NOx je poměrně účinný a lze takto dosáhnout až 50% snížení, avšak je nutné regulovat proudu sekundárního vzduchu. Nutné je udržovat hodnotě, aby palivový dusík přecházel na elementární dusík a ne na oxidy dusíku. Recirkulace spalin se provádí odvodem spalin a jejich zpětné zavedení do spalovacího prostoru nebo se spaliny přivádějí nad něj. Další metodou je využití principu dvojího přívodu paliva, kdy primárním hořáku, který je konstruován jako hořák na nízký obsah NOx, vytváří prostředí, kde se NOx redukují na dusík spolu s recirkulovanými spalinami nebo jsou spaliny přiváděny nad něj.

Sekundární opatření

Tato kapitola shrnuje některé významnější procesy denitrifikace spalin, které mohou konkurovat. Reakce probíhá při teplotách zpravidla nad 300°C (80 - 450) na katalyzátoru, který bývá z ušlechtilých materiálech. Životnost katalyzátoru - nejdelší (6 - 7 let) se udává pro plyn, nejkratší (3 roky) pro uhlí. Nevýhodou je teplota nad 1000°C a působí ztráty NH₃ a zvýšení obsahu NOx. Další metodou je vstřikování čpavku do spalin při 700°C. Čpavek se vstřikuje v několika úrovních do stěny kotle, rozdělení teplot. Dochází i k poklesu účinnosti reakce, které jsou podstatně vyšší než u SKR (řádově desítky mg/m³). Princip je analogický odsíření spalin metodou Bergbau-Forschung. Kombinace odsíření a denitrifikace spalin reaktivuje parou při 900°C), alternativně z hnědého rýnského uhlí. SKR se používá rozdílný charakter obou oxidů. Zatímco NO se chová jako inert, t.j. přecházet do roztoku, NO₂ je reaktivní a ve vodě dobře rozpustný. Je příkladem metody, využívající tvorbu komplexů. Schopnost vytvářet komplex má jen dvojmocné železo, ethylendiamintetraoctovou (EDTA). Je zřejmě nejperspektivnější z metod aplikujících oxidaci NO na NO₂ roztokem, v němž se NO₂ zachycuje jako dusičnan amonný, jako druhý stupeň desulfurační technologie Walther. Hnojivech.

Snižování emisí z dopravy

Emise z dopravy jsou výrazně odlišné. Zdrojem hluku je komory. Motory, zejména nového typu, vcelku bez problémů předepsané normy. Problémem jsou emise ze zážehových motorů, příp. v zachycování tuhých emisí u vznětových motorů. Katalyzátor pracuje výfukovém systému při co nejvyšší teplotě a v přítomnosti přebytku kyslíku. Účinnost je nízká, obvykle 30 - 50% a nelze takto ovlivnit emise NOx. Jiné katalyzátory umožňují redukci NOx. Katalyzátor, který umožňuje i oxidaci i redukci, se nazývá trojcestný. Pro správnou funkci je nutné dodržovat poměr vzduchu n. palivo:vzduch, která se realizuje pomocí t.zv. n-sondy, t.j. přípravu palivové směsi, jejichž poměr je různý. Stejným, ale rovným plechem, tepelnou vodivostí, který se podstatně snáze zahřívá na pracovní teplotu. Pracující spíše v redukční atmosféře, přičemž uhlovodíky a CO zčásti zůstávají nezlikvidovány. V praxi se lze setkat i s t.zv. neřízeným katalyzátorem, t.j. katalyzátorem, používaným bez n-sondy. Poslední době uplatnění filtrační systémy, jejichž vývoj probíhá již od 70. let, z ovinutých keramickými vlákny. Katalyzátory pro snížení emisí CO a uhlovodíků.

Obr.5. 1 - motor, 2 - elektromech., 3 - lambda sonda, 4 - řídící jednotka, 5 - katal., 6 - vzduch.

Biologické postupy čištění vzduchu

Biologické postupy čištění vzduchu využívají působením mikroorganismů. Lze biologické postupy rozdělit na biologické filtry a biologické pračky. V prvém případě je nosičem mikroorganismů pevná fáze (např. nosiči), přežívajícími v roztoku. Nasazení se řídí místními možnostmi, výrazně nižšími investičními i provozními náklady, koncentracích. Produkty odbourávání nesmí negativně ovlivňovat vlastní bioproces (např. změnou pH). Účinnost biofiltrů je většinou velmi dobrá, pohybuje se od 90 do 95%. Plynem a roztokem, provozováním absorbéru, patrové nebo sprchové pračky s co největší plochou fázového rozhraní, stabilizuje přídavkem vhodných chemikálií. V některých případech používá dvoustupňové praní s různou hodnotou pH, nádržích, průběžně odtahován, aby nevytvářel úsady v absorbéru. Cílem je snížení celkové emise škodlivin. Výběr účinných metod a úspěšné řešení je jen otázkou výběru optimální metody.

tags: #koeficient #sekundární #emise #definice

Oblíbené příspěvky:

• Recenze o občanském sektoru
• Definice emise platebních karet
• Tontarelli Carolina: Ideální koš?
• Uplatnění absolventů Mezinárodních rozvojových a environmentálních studií
• Zdroje emisí v Ostravě