Antropogeniczne zanieczyszczenia atmosfery pochodzące z paliw kopalnych

Abstract

Atmosfera jest jednym z podstawowych elementów środowiska, chroniącym życie na ziemi przed szkodliwym promieniowaniem korpuskularnym oraz krótkofalowym, ale również stanowi ośrodek, do którego wydala się odpady produkcyjne i bytowe, co powoduje poważne zmiany w składzie chemicznym, wywołane działalnością gospodarczą człowieka, niekorzystnie wpływające na wykorzystanie powietrza przez organizmy żywe na drodze procesów biologicznych. Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego można klasyfikować na wiele sposobów, jednakże w poniższej pracy omówiono antropogeniczne zanieczyszczenia, czyli spowodowane działalnością człowieka. Zalicza się do nich dwutlenek siarki, dwutlenek węgla, tlenki azotu, metan, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz metale ciężkie i lotne pyły.
Autor: Iwona PŁAWIAK

1. Wprowadzenie

Atmosfera stanowi jeden z podstawowych elementów środowiska. Jest gazową powłoką, która chroni życie na Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem korpuskularnym oraz krótkofalowym z kosmosu, kształtuje klimat i pogodę, jednocześnie będąc rezerwuarem wolnego tlenu niezbędnego do oddychania oraz podstawowych procesów produkcyjnych. Stanowi ośrodek, do którego zostaje wydalonych wiele odpadów produkcyjnych i bytowych, przez co zostaje naruszony skład chemiczny, powodując poważne konsekwencje. Zanieczyszczeniem powietrza ogólnie można nazwać takie chemiczne bądź fizyczne przeobrażenia charakterystyki atmosfery, wywołane działalnością gospodarczą człowieka, które wpływają niekorzystnie na stopień wykorzystania powietrza przez organizmy żywe podczas procesów biologicznych. Według Ustawy z dn. 31.01.1980 O ochronie i kształtowaniu środowiska (Dz.U.Nr.3, poz.6) zanieczyszczeniem powietrza nazwać można „wprowadzenie substancji stałych, ciekłych lub gazowych w ilościach, które mogą ujemnie wpłynąć na zdrowie człowieka, klimat, przyrodę żywą, glebę, wodę lub spowodować inne szkody w środowisku”.

Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego można sklasyfikować w różnorodny sposób, jednakże podstawowo dzieli się na [1]:
- emitowane bezpośrednio, pierwotnie, jak na przykład dwutlenek siarki, tlenek węgla, metan, tlenki azot, związki ołowiu, freony, itp.
- wtórne, które powstają w atmosferze w wyniku reakcji chemicznych przebiegających z udziałem zanieczyszczeń pierwotnych, np. kwas siarkowy, fitotoksyny, ozon.
MOLENDA J., STECZKO K. Ochrona środowiska w gazownictwie i wykorzystanie gazu, Warszawa, WNT, 2000, 228-330.

Źródła emisji zanieczyszczeń dzieli się na naturalne, będące następstwem procesów przebiegających w przyrodzie oraz antropogeniczne, które są spowodowane działalnością człowieka. Tutaj przede wszystkim mamy do czynienia z emisjami związanymi z procesami energetycznego spalania paliw w obiektach stacjonarnych oraz ruchomych, czyli pochodzących z transportu samochodowego. Oprócz tego emisja antropogeniczna obejmuje wiele innych substancji chemicznych, które pochodzą zarówno z przemysłu rolniczego, jak i zwiększenia zużycia produktów chemicznych w różnych gałęziach przemysłu oraz w życiu codziennym.

Do najważniejszych zanieczyszczeń wydalanych do atmosfery systemy ewidencji międzynarodowych są sklasyfikowane[1]: - gazy cieplarniane-CO2, CH4, N2O, CFCs
- gazy kwaśne–SO2, NOx, NH3
- prekursory ozonu troposferycznego – CO, NMVOC, NOx
-cząstki stałe – pyły i metale ciężkie
MOLENDA J., STECZKO K. Ochrona środowiska w gazownictwie i wykorzystanie gazu, Warszawa, WNT, 2000, 228-330.

Systemy ewidencji charakteryzują się różnym stopniem dokładności, ich zasób obejmuje możliwie dokładne informacje dotyczące głównych źródeł oraz wielkości emisji zanieczyszczeń, a także czasowy i przestrzenny zasięg, skutki działań mających na celu ograniczenie bądź zaprzestanie emisji do atmosfery. Pozwala nam również w sposób możliwie dokładny zlokalizować źródło, oszacować wielkość oraz wskaźnik emisji oraz metody pomiarów. Przykładem takich systemów są COINAIR lub IPCC/OECD. Ich celem jest zapewnienie porównywalnej i obiektywnej informacji o wielkości emisji. System IPCC/OECD odnosi się głównie do inwentaryzacji emisji gazów cieplarnianych, natomiast COINAIR stanowi część programu, który ma na celu utworzenie bazy danych dotyczących stanu środowiska w krajach Unii Europejskiej.

1.1. Dwutlenek siarki

Emisja naturalna stanowi zaledwie 30-40% emisji całkowitej dwutlenku siarki. Pochodzi ona głównie z wulkanów oraz oceanów. Antropogeniczna emisja SO2 to przede wszystkim spalanie paliw kopalnych, głównie ze spalania zasiarczonego węgla, oleju opałowego oraz innych produktów naftowych, które zawierają związki siarki. Emisja dwutlenku siarki wynosi w skali globalnej 75 mln S/rok. Obecnie w rafineriach produkty naftowe są coraz głębiej odsiarczane, jest to efekt postępu technologicznego a także coraz szerzej wprowadzanych procesów odsiarczania spalin. W skali światowej można zaobserwować tendencje do zmniejszenie antropogenicznej emisji SO2, co jest konsekwencją wdrażania w wielu krajach odpowiednich przepisów prawnych normujących dopuszczalne emisje SO2 i zawartości związków siarki w paliwach, a także propagowanie procesów odsiarczania spalin w energetyce węglowej oraz powszechniejszej substytucji za pomocą gazu ziemnego, co można zaobserwować głównie w gospodarce komunalnej.

1.2. Dwutlenek węgla

Emisja dwutlenku węgla zależy w dużej mierze od zawartości pierwiastka węgla, który jest związany chemicznie w różnorodnych związkach chemicznych wchodzących w skład paliwa. Miarą możliwie dużej zawartości węgla jest niska zawartość stosunku liczby atomów wodoru do liczby atomów węgla w cząsteczce, którą można uznać za charakterystyczną dla badanego paliwa. Emisję CO2 związaną ze spalaniem określonego paliwa można oszacować stosując wskaźnik tzw. maksymalnej emisji dwutlenku węgla(1, 2):

(1)
(2)

Gdzie: WEC – wskaźnik emisji węgla, g/GJ; WECO2 – wskaźnik maksymalnej emisji CO2, g/GJ; c- zawartość węgla w paliwie, kg C/kg paliwa; Qi – wartość opałowa paliwa, MJ/kg; 44/12 – stosunek masy cząsteczkowej CO2 do masy atomowej węgla[1]. MOLENDA J., STECZKO K. Ochrona środowiska w gazownictwie i wykorzystanie gazu, Warszawa, WNT, 2000, 228-330. Prognozy globalne i regionalne dla poszczególnych krajów uwzględniają bardzo duże różnice wynikające z sytuacji wyjściowej. Zmniejszenie ekspozycji CO2 jest związane przede wszystkim z oszczędnym używaniem energii, wykorzystaniem na większą skalę energii odnawialnej, jak i propagowaniem energetyki atomowej.

1.3. Tlenek węgla

Tlenek węgla to gaz silnie toksyczny, zatem jego emisja jest nie tylko niepożądana ze względu na środowisko, ale również na wzmożenie efektu cieplarnianego. Związek ten uczestniczy w reakcjach, które prowadzą do tworzenia się ozonu troposferycznego oraz dwutlenku węgla, a ponadto zwiększa czas życia metanu. Ocenia się stężenie tlenku węgla w atmosferze na 0,1 ppmv.

Wymienia się trzy źródła antropogenicznej emisji tlenku węgla:
- spalanie biomasy
- transport samochodowy
- niecałkowite spalanie paliw kopalnych oraz ich produktów przeróbki. Emisje tlenku węgla pochodzącego z niecałkowitego spalania szczególnie można zaobserwować w małych instalacjach w gospodarce komunalnej. Spowodowane jest to często przestarzałym sprzętem źle sprzężonym z procesem spalania.

1.4. Tleneki dwutlenek azotu - nox

Stężenia tlenku, dwutlenku oraz innych tlenków azotu zwyczajowo określa się, jako NOx. Globalną emisję ocenia się na 40-50 mln ton rocznie, z czego 60 % stanowią źródła antropogeniczne, pochodzące ze spalania paliw kopalnych oraz ich pochodnych, a także biomasy. Stosunkowo mała jest emisja tlenków azotu z przemysłu chemicznego, jest to spowodowane ciągłą renowacja aparatury, jak i wprowadzaniu coraz efektywniejszych procesów usuwania NOx pochodzących z gazów wydmuchowych. Najczęściej przebiega to za pomocą katalitycznej redukcji tlenków azotu w obecności wysokometanowego gazu ziemnego:

Można również stosować amoniak bądź mocznik. Metody te określa się, jako wtórne ograniczające zawartość NOx w spalinach. Stosuje się także jednoczesne usuwanie tlenków azotu i dwutlenku siarki.

1.5. Metan

Metan wyróżnia się dużymi wartościami potencjału cieplarnianego. 70% emitowanego związku jest pochodzenia antropogenicznego, a mianowicie z kopalni, wysypisk odpadów, oczyszczalni ścieków. Szacuje się, że z technicznego punktu widzenia możliwe jest zmniejszenie o 20-80% emisji CH4 z systemów ropy i gazu ziemnego oraz o około 30-90% z kopalni węgla. Jednakże pomimo prób ograniczenia emisji, ocenia się ciągły wzrost zawartości metanu w atmosferze, który jest równy 0,6% w skali rocznej.

1.6. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne są to związki chemiczne zbudowane z węgla i wodoru, zawierające w cząsteczce kilka pierścieni aromatycznych. Węglowodory pojawiają się powietrzu w wyniku parowania lub spalania paliw, głównie ropy naftowej i ropopochodnych. Ich emisja jest niewielka i występuje w głównej mierze w wyniku nieprawidłowości zachodzących podczas spalania paliw. Jednym z bardziej niebezpiecznych węglowodorów jest 3,4-benzopiren, będący substancją rakotwórcza. Największy udział w wytwarzaniu benzo(s)piranu wynoszący ok.82% mają procesy spalania paliw w lokalnych i domowych systemach grzewczych.

1.7. Lotny pył oraz metale ciężkie

Zawartość metali ciężkich w paliwach kopalnych wynosi od 0,008-0,826 (chrom) do 0,1-0,9 (mangan). Niewątpliwie największy problem stanowi ich emisja z procesów spalania węgla, głównie są to cząstki stałe unoszone przez spaliny, jako składnik tzw. lotnych pyłów. Zatem istotne jest odpowiednie odpylanie spalin, które umożliwia znaczne wyeliminowanie związków metali ciężkich w postaci stałej. Osobliwy problem stwarza również eliminowanie emisji rtęci, występującej w, około 90%, ponieważ osadzanie jej na filtrach jest tylko częściowe i dlatego tak ważne jest w przypadku gazów ziemnych oczyszczanie natychmiast po wydobyciu ze złoża. Rtęć emitowana z procesów spalania węgla wskazuje, iż problem jest poważniejszy. Ocenia się, że antropogeniczna emisja pyłów nie stanowi więcej niż kilkanaście procent całkowitej emisji. Szczególnie niebezpieczne są pyły pochodzące ze spalania paliw stałych i ciekłych, ponieważ przenoszą one do atmosfery związki metali ciężkich i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które są zaadsorbowane na powierzchni cząstek pyłów.

Autor: Iwona PŁAWIAK

LITERATURA
[1] MOLENDA J., STECZKO K. Ochrona środowiska w gazownictwie i wykorzystanie gazu, Warszawa, WNT, 2000, 228-330.
[2] RADOVIC U., Zanieczyszczenia atmosfery. Źródła oraz metodyka szacowania wielkości emisji zanieczyszczeń. , Warszawa, Zakład Energometrii CIE, 1997.
[3] RUTKOWSKI J.D., SYCZEWSKA K., TRZEPIERCZYŃSKA J., Podstawy inżynierii ochrony atmosfery, Wrocław, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 997