HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI

1. 7. RÉSZECSKÉK KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA Vegyészmérnök B.Sc. hallgatók részére KÖRNYEZETI KÉMIA Környezetmérnök B.Sc. hallgatók részére Biomérnök M.Sc. hallgatók részére HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Vegyész- és Biomérnöki Kar Budapesti Műszaki Egyetem 2012

2. AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

3. RÉSZECSKÉK Szerzők: Dr. Bajnóczy Gábor Kiss Bernadett

4. Részecskék Jellemzők • Szilárd és/vagy folyadék állapotúak lehetnek • Kis méret • Változatos összetétel • Komoly környezetkárosítást okozhatnak Aeroszól: gázban diszpergált szilárd és/vagy folyadék részecske Füst: gázban eloszlott szilárd részecskék Köd: folyadékcseppek diszperziója gázban Osztályozás: • Élő vagy élettelen anyag • Élő anyag: baktériumok, gombák, spórák • Élettelen: a korom, por, tengeri só, stb. (továbbiakban csak az élettelen részecskéket tárgyaljuk) • Részecskék eredete: • Elsődleges: valamilyen folyamat során közvetlenül részecske képződik, pl. kondenzáció, erózió • Másodlagos részecskék: a részecskék gázhalmazállapotú anyagokból képződnek

5. Káros hatások • Mélyen behatol a légzőrendszerbe: • Molekulánál nagyobb, de nem ülepedő mérettartomány • Áramlás irányára merőleges Brown mozgásból származó sebességkomponensük kisebb, mint a molekuláké, így a nedves nyálkahártyát csak később érik el, azaz mélyebbre jutnak el, mint a molekulák • Fokozzák a gázhalmazállapotú légszennyezők toxicitását: SO2, NO2 stb. részecskék felületére adszorbeálódva mélyebbre hatol • Növelik az atmoszféra zavarosságát • Csökkentik a láthatóságot • Korlátozzák a napsugárzás melegítő hatását • A gázhalmazállapotú anyagokból gyakran képződhetnek szilárd részecskék. • NH3 + SO2→ ammónium-szulfát részecske is képződhet, így ezek a részecskeképződés prekurzorainak tekinthetők.

6. A RÉSZECSKÉK EREDETE • Elsődleges emisszió (a részecske közvetlenül kerül a légkörbe) • Másodlagos emisszió (a részecskék eredetileg gázhalmazállapotú anyagokból képződtek) • Legnagyobb mennyiségű természetes eredetű részecske forrása a tengervíz. • A vízfelszínen képződő buborékok szétpattanásakor képződő sok száz apró vízcseppet a szél felkapja, kiszárítja és a keletkező sókristályok alkotják az úgynevezett háttér aeroszólt. sókristályok képződésebuborékok szétpattanásakor

7. Természetes eredetű részecskék • (2)Vulkánkitörések: • változó mennyiségű, de sokszor jentős tömegű részecske kerül az atmoszférába • vulkáni hamu kis méreténél fogva sokáig időzik a légkörben • (3) A természetes eredetű kénhidrogénből képződő kénsavból és ammóniából ammónium-szulfát részecskék képződhetnek • (4) A talaj szétaprózódásából származó szél által felkavart por, erdőtüzek.

8. Emberi tevékenységből származó részecskék • Különböző ipari folyamatok (kőtörés, őrlés, kohászat, cement és mész gyártás, stb.) és a szénből történő energiatermelés eredménye • Kevesebb, de nem elhanyagolható a hulladék, a mezőgazdasági égetés, és a közlekedés.

9. A RÉSZECSKÉK MÉRETE • Mérettartomány: 0,0002 μm-től (~ kis molekula) 5000 μm-ig • Az atmoszféra szennyezésével kapcsolatos részecsketartomány közelítőleg 0,001 – 100 μm. • Méret függ az eredettől: • 10 μm-nél nagyobbak általában mechanikai folyamatok során jönnek létre (őrlés, törés, erózió stb.) • 10 – 0,1 μm tartományba eső részecskék gyakran égési folyamatok eredményei • Az atmoszférában megtalálhatórészecskék méretei → Méret szerint két fő csoport: • 10 μm ≥ részecskék PM10 • 2,5 μm ≥ részecskék PM2,5jelzéssel látjuk el. 2,5

10. Részecskék mérettartománya A részecskeszennyeződés határértékeit is ennek alapján határozzák meg:adott mérettartományba eső részecskék koncentrációjának (μg/Nm3) egy meghatározott időintervallumban vett átlaga nem lépheti túl a megadott határérték koncentrációt. A részecskék méret szerinti felosztásánál az alábbi kategóriák is használatosak: Óriás részecskék: részecske átmérő > 1 μm Nagy részecskék: 0,1 = < részecske átmérő > = 1 μm Aitken részecskék: részecske átmérő < 0,1 μm

11. A RÉSZECSKÉK KÉPZŐDÉSE Korom • Széntartalomban dús (55-80 %) 10-80 nm-es részecskék agglomerátumai • Mérete 10μm-nél is nagyobb lehet • A szénen kívül a felületükre kondenzálódott, adszorbeálódott szénhidrogéneket, S és N tartalmú vegyületeket, nyomelemeket tartalmaznak. • A széntartalmú anyagok égési mechanizmusát tekintve gyakranképződik korom a kérdés csak az a lángban lesz e elegendő idő és oxigén, hogy a képződött korom elégjen. • Anyagi minőség és a képződési folyamat függ az emissziós forrástól. • A részecskék gyakran több összetevőből állnak, pl. korom, hamu.

12. Koromképződés időbeli, egyszerűsített folyamatai • Kezdeti szakasza megegyezik a policiklusos aromás szénhidrogénekével, így nem véletlen, hogy a korom részecskék sok karcinogén hatású PAH vegyületeket is tartalmazhatnak. • A láng oxidációs zónájában, ahol jelentős az atomos oxigén és hidroxilgyök koncentráció a korom tömege heterogén oxidációs reakciók miatt folyamatosan csökken. korom-C + O → CO korom-C + •OH → CO + H korom-C + NO → CO + N korom-C + H2O → CO + H2 • A nagy széntartalmú korom szerepet játszik a nitrogén-monoxid redukciójában és a láng hőmérsékletén vízgőzzel is reakcióba lép.

13. A RÉSZECSKÉK KÉPZŐDÉSE Hamu • Eredet: széntüzelés, különösen a szénpor tüzelésű kazánok • A tüzelőanyag még nem tartalmaz hamut, hanem az égés során a hamuképző alkotókból képződik. • Széntüzeléskor képződő savas jellegű hamualkotók a szilícium-dioxid és alumínium-oxid, bázikus jellegű alkotók a kalcium-oxid, vas-oxid, magnézium-oxid. • Biomassza tüzelésnél igen jelentős hamualkotó a kálium-oxid és a szilícium-dioxid. • A hamuképző alkotók lehetnek a tüzelőanyagtól elkülönülő egyedi szemcsék, vagy az éghető anyagba beágyazódott részecskék, amelyek égéskor eltérően viselkednek.

14. Hamu • Az egyedi ásványi szemcsék gyorsan elkülönülnek, megolvadnak, párolognak, a füstjárat hidegebb helyein a füstgázban vagy szilárd felületen ( pl. hőcserélő csövei) amorf vagy kristályos formában megszilárdulnak • A tüzelőanyagba beágyazódott szemcsék a tüzelőanyag fogyásával koncentrálódnak majd megolvadnak. • Fémoxidokból a fém elemi formában párologhat el, mivel a széntartalom elemi fémmé redukálja az oxidokat. • A füstgázban a fémek azonban ismét oxidálódnak, a kis részecskék összetapadnak. Az így képződött részecskék alkotják a PM2.5 kategória jelentős részét. • A nem párolgó alkotók inkább a nagyobb méretű PM10 kategóriába tartoznak. • A hőcserélő csöveken lerakódó kálium-klorid látható, amely a lágyszárú növények égetésekor gyakran lép fel.

15. Részecskék távozása az atmoszférából Minden részecske a talaj felszínre kerül. A különbség az atmoszférában való tartózkodási időben van A tartózkodási idő méretfüggő A talajra kerülés két lehetősége Száraz kiülepedés Nedves kicsapódás

16. Részecskék távozása az atmoszférábólszáraz kiülepedés A termikus feláramlások meggátolják a kiülepedést Ennél nagyobb részecskéknek már van lehetőségük a kiülepedésre A részecskék 20%-ka távozik az atmoszférából száraz kiülepedéssel

17. A részecskék távozása az atmoszférából Nedves kicsapódás Kihullás kondenzációs magképzés után Esőcsepp kimosódás Részecske méret > 0.1 μm Részecske méret < 0.1 μm A részecske kondenzációs magként szolgál a gőz-folyadék fázisátalakulás számára(esőcsepp kezdemény) A hulló esőcsepp ütközik a részecskével és kimossa az atmoszférából Az Aitken részecskéket az esőcsepp nem tudja befogni, kimosni, mivel a részecske kikerüli az esőcseppet.

18. Részecskék hatása a növényzetre Fotoszintézis gátlás: a levélfelületén megkötődött részecske gátolja a napfény bejutását . Régebben különösen cementgyárak közelében volt megfigyelhető. A levélre, gyümölcsre leülepedett részecske toxikus anyagot is tartalmazhat (permetszer). A fogyasztása embere állatra veszélyhelyzetet teremt

19. Részecskék hatása az emberre Az emberi testbe kerülő részecskék: önmagukban toxikusak Tartalmazhatnak adszorbeálódott toxikus anyagokat Káros hatás – méret függő A legtöbb megkötődik az orr nyálkahártyán vagy a légcső felső szakaszán, amely mozgó csillókkal borított → a részecskéket a garatba szállítják → eltávolítható Részecske méret > 7-10 μm

20. Részecskék hatása az emberre részecske tartomány 0,1- (7-10) μm A legveszélyesebb részecske tartomány: Lejut a léghólyagocskákba A léghólyagocskák falára leülepedett részecskék csökkentik a gázcsere felületet A léghólyagocskákban nincs eltávolító mechanizmus. Bányász betegség: szilikózis Részecske méret < 0.1 μm Belégzés és kilégzéskor nem ülepedik le.

21. Részecske eltávolítás technológiai lehetőségei • Gázáramból történő részecske eltávolító eszköz kiválasztásánál két dolgot kell alapvetően figyelembe venni • Gázáram paraméterei: Nagy T és p gázáramban jóval korlátozottabbak a lehetőségeink, mint az atmoszférikus nyomású, 200 °C körüli gázok esetében. • Részecske paraméterei: Lényeges kérdés a részecske mérete és anyagi minősége is.

22. Részecske eltávolító berendezés választását befolyásoló folyamat és részecske függő faktorok Részecske méret • A leválasztásnál azokat a fizikai törvényszerűségeket hasznosítjuk, amelyek az adott részecskeméretre nagy hatásfokkal érvényesülnek. Ennek alapján a leválasztókat két nagy csoportra oszthatjuk; külső erőkönésakadályokon alapulók.

23. Különböző részecske leválasztó berendezésekkel elérhető hatásfokok • A részecskék gyakran nem egyforma méretűek, így egy adott eszközzel lehet, hogy csak a részecskéknek csak egy meghatározott hányadát tudjuk eltávolítani. • Bár adatokból a szövet szűrő anyaggal felszerelt zsákos porszűrőkkel lehet elérni a legjobb hatásfokot, használatukat azonban korlátozza az elérhető alacsony gázsebesség.

24. Gravitációs ülepítő • A legegyszerűbb, de legkevésbé hatékony • A csővezetéken áramló gáz egy hirtelen kitágult csatornába (ülepítő kamra) kerül, ahol lelassul. • A kamrában az áramló gáz tartózkodási ideje megnő és a rendelkezésre álló idő alatt a megfelelő méretű részecskék a gravitáció miatt kiülepednek. • Célszerű, ha az áramlás az ülepítő kamrában a lamináris tartományba csökken. • Csak az 50 μm< részecskék távolíthatók el hatékonyan. • Főleg a víz tisztításban alkalmazzák.

25. Ciklon • Egy henger alakú térbe érintőlegesen belépő kb. 15-30 m/sec sebességű gáz, körkörös mozgásra kényszerül. • centrifugális erő, a nehézségi erő több százszorosa is lehet • A berendezéssel jó néhány g/m3 részecsketartalom 0,1 g/m3 alá csökkenthető. • Előnye: • Széles hőmérséklet tartományban használható, akár 1000 °C felett is. • Hátrány: a részecske visszakeveredés miatt 10 μm alatt a hatásfok drasztikusan csökken • a hatásfok több ciklon soros vagy párhuzamos kötésével (multiciklon) javítható.

26. ELEKTROSZTATIKUS PORLEVÁLASZTÓ Fosszilis tüzelőanyagot (szenet) használó erőműveknél. Előnyök: Egyszerű, nincs mozgó alkatrész Kis elektromos energia igény hatásfok: 0,2-0,5 μm részecskékre : 97-98% részecske méret >2 μm : >98% A hatásfokot befolyásolja a hőmérséklet (ajánlott tartomány: 120 – 200 °C) és a részecskék fajlagos ellenállása

27. Elektrosztatikus porleválasztó koronakisülés Ionizációs feszültség < feszültség gradiens < átütési feszültség

28. Elektrosztatikus porleválasztó nincs feltöltődés ha túl sok a CaO, MgO, SiO2, Al2O3 105 - 105 - 1010 - kedvező tartomány fajlagos elektromos ellenállás [ohm*cm] 105 - gyors töltésvesztés, ha sok a Fe2O3, Na2O, H2O

29. Zsákos porszűrők • A legjobb hatásfokú porleválasztó(1μm < részecske esetén ~99%) • 120°C – 200 °C-os tartományban működnek Előnye: • Az egyre vastagodó szűrőlepényen keresztül haladó gáz nemcsak részecsketartalmát veszíti el, hanem a kiszűrt, szilárd anyagon káros légszennyező anyagok pl. dioxinok is megkötődnek. Hátránya: • A szűrőlepény folyamatos vastagodása miatt a szűrési ellenállás folyamatos nő. • A zsákos porszűrők ezért szakaszos üzeműek, szűrőlepényt időszakos eltávolítása rázással vagy ellennyomás alkalmazásával