Környezetvédelem (KM002_1)

Átírás

1 (KM002_1) 3a. Antropogén légszennyezés, levegőtisztaság-védelem 2007/2008-as tanév I. félév Dr. Zseni Anikó egyetemi docens SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki Tanszék A légkör keletkezése A Föld keletkezésekor: főleg H 2, He, CO 2, NH 3, CH 4, N 2, CO, H 2 O alkotja (redukáló hatású légkör) vulkáni működés: gázok H 2 O fotodisszociáció: O 2 UV hatására: O 3 élet kialakulhat a tengerekben fotoszintézis: O 2 -t termel (oxidáló hatású légkör) kb. 300 millió éve a maihoz hasonló O 2 -szint CO 2 -szint: csökken a földtörténet során 1

2 (logaritmikus skála!) present atmospheric level légzésre lehetőség van UV-szűrés már hatékony A légkör összetétele Gáz Állandó nitrogén oxigén argon neon hélium Változó szén-dioxid metán hidrogén ózon Erősen változó vízgőz szén-monoxid nitrogén-dioxid ammónia kén-dioxid N 2 O 2 Ar Ne He CO 2 CH 4 H 2 O 3 H 2 O CO NO 2 NH 3 SO 2 Koncentráció térfogat% ppm 78 20,9 0,934 18,18 5, ,5 (0-5)* (1-20)*10-2 (0-3)*10-3 (0-2)*10-2 (0-2)*10-3 Tartózkodási idő 10 6 év 5*10 3 év 10 7 év 15 év 4 év 6,5 év 2 év 10 nap 4 hónap 6 nap 7 nap 4 nap 2

3 A légkör szerkezete elektromágneses jelenségek UV-elnyelés, rövid- és hosszúhullámú rádióadások visszaverése vízszintes légmozgás, O 3 réteg (20-25 km-en) meteorológiai folyamatok, szennyezések színtere (László Ferenc: korszerűen nyomán) A légkör tömegarányos és térfogatarányos összetétele (Bolygónk születése nyomán) 3

4 Légszennyező források pontszerű források pl. kémény, kürtő, szellőző diffúz források vonalas légszennyező források pl. közút, vasút, légifolyosó, vízi út Elsődleges gázhalmazállapotú légszennyezők Másodlagos szennyezőanyagok Légszennyező emberi tevékenységek Az emisszió fajtája és mennyisége számos tényezőtől függ: lakosság száma az energiatermeléshez és fűtéshez használt tüzelőanyag fajtája az ipari termelés mértéke, korszerűsége a légszennyező anyagok leválasztásának foka gépjárművek száma és műszaki színvonala éghajlat stb. emisszió: 50%-a a közlekedésből 25%-a a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből 25%-a az iparból származik azaz oxidációs, égési folyamatokból! 4

5 A közlekedés légszennyezése A gépkocsik kipufogógázainak összetétele Komponens Benzinmotorok Dízelmotorok Hatás nitrogén oxigén vízgőz CO 2 CO NO x szénhidrogének aldehidek korom benzpirén tf% 0,1-3 tf% 3-6 tf% 5-12 tf% 0,5-10 tf% ppm ppm ppm 0-2 mg/m µg/m tf% 2-14 tf% 0,5-6 tf% 1-6 tf% ppm ppm ppm 0-50 ppm mg/m µg/m 3 nem mérgező mérgező rákkeltő A közlekedés légszennyezése (folyt.) a két motortípus különbsége különböző égésfolyamatok, más üzemanyag eltérő kibocsátás a NO x -emisszió döntően a közlekedésből származik a kipufogógáz-emisszió csökkentésének lehetőségei: műszaki fejlesztések gondos karbantartás a benzin ólomtartalmának csökkentése, ólommentes benzin (Mo-on megvalósult) gázolajak kéntartalmának csökkentése 5

6 A levegő-benzin arány hatása a kipufogógáz összetételére és az égetés hatásfokára (Moser-Pálmai 1992) Magyarország 6

7 Magyarország Magyarország 7

8 Magyarország Magyarország 8

9 Az energiatermelés légszennyezése Az 1000 MW teljesítményű erőművekben elégetett tüzelőanyagokból származó gázemissziók átlagos mértéke (Kerényi, 1988 nyomán) Emisszió Széntüzelésű erőmű Olajtüzelésű erőmű Földgáztüzelésű erőmű t/év % t/év %* t/év %* SO NO x CO szénhidrogének aldehidek összes gázemisszió szilárd részecskék *: a széntüzelésűek kibocsátásának %-ában Az energiatermelés légszennyezése (folyt.) A települések SO 2 - és szilárdrészecske-emissziója elsősorban a kommunális fűtés és az ipari hőenergia-termelés üzemanyagaitól és berendezéseitől függ levegőtisztaság szempontjából legkedvezőbb a gáz, legkedvezőtlenebb a szén (a hagyományos, nem megújuló energiaforrásokat használó fűtési módok közül) 9

10 Ipari légszennyező források Rendkívül változatos szennyezőanyagok, pontszerű források, pl.: szénbányák: szén-, meddőpor cementgyárak: porszennyezés kohászat: CO, CH 4, vaspor acélgyártás: vas-oxid foszforműtrágya-gyártás: HF timföldgyártás: HF szerves vegyipar, NaCl-elektrolizáló üzemek: Cl 2 szerves vegyipar, ércek klórozó pörkölése, klórtartalmú hulladékok égetése: HCl kénsavgyártás, cellulózipar: SO 2 nitrogénműtrágya-, salétromsavgyártás: NO x A mezőgazdasági tevékenységből származó légszennyezések szántóterületekről: porszennyezés Mo.: 70%-a mg-i művelés alatt, ennek kb. fele szántott hónapokig fedetlen műtrágyák pora növényvédőszerek (peszticidek): különösen, ha repülőről szórják őket pl. klórozott szénhidrogének, szerves foszfátészterek a természet biológiai egyensúlyát veszélyeztetik 10

11 Magyarország Magyarország 11

12 Kén-dioxid (SO 2 ) emberi tevékenység: 88 Mt/év (Földön) legfőbb ok: tüzelési folyamatok káros hatásai: légzési nehézségek klorofil bontása épületek károsítása vízben jól oldódik: H 2 O + SO 2 H 2 SO 3 fajlagos kibocsátás: olajtüzelés: 1000 mg/mj, szén: 600 mg/mj, földgáz: 10 mg/mj A kén-dioxid kibocsátásának alakulása 1990 és 2002 között (KSH, 2005 alapján) Lakosság Szolgáltatás Közlekedés Hőerőművek Egyéb hőtermelés Ipar, fűtés eredetű Ipar, technológiai Mezőgazdaság ezer tonna 12

13 SO 2 éves határérték: 50 µg/m 3 SO 2 éves határérték: 50 µg/m 3, NO 2 éves határérték: 40 µg/m 3 13

14 Nitrogén-oxidok (NO x ) 2NO + O 2 = 2NO 2 3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO emisszió: 177 Mt/év (Földön) legfőbb források: égési folyamatok (közlekedés!) káros hatások: tüdő- és légúti ártalmak savas esők szmogképződés A nitrogén-oxidok kibocsátásának alakulása 1990 és 2002 között (KSH, 2005 alapján) Lakosság Szolgáltatás Közlekedés Hőerőművek Egyéb hőtermelés Ipar, fűtés eredetű Ipar, technológiai Mezőgazdaság ezer tonna 14

15 SO 2 éves határérték: 50 µg/m 3, NO 2 éves határérték: 40 µg/m 3 Szén-monoxid (CO) emisszió: 3400 Mt/év (Földön) források: 80%-ban természetes források tüzelőberendezés, közlekedés tökéletlen égési folyamatok eredménye rendkívül mérgező (CO-hemoglobin) 15

16 A szén-monoxid kibocsátásának alakulása 1990 és 2002 között (KSH, 2005 alapján) Lakosság Szolgáltatás Közlekedés Hőerőművek Egyéb hőtermelés Ipar, fűtés eredetű Ipar, technológiai Mezőgazdaság ezer tonna Szén-dioxid (CO 2 ) üvegházhatású gáz légköri koncentráció változásai jelenleg 370 ppm forrásai: fosszilis tüzelőanyagok elégetése erdőégetés erdőhiány miatti lekötés csökkenése mészkőfelhasználás 16

17 17

18 A szén-dioxid kibocsátásának alakulása 1990 és 2002 között (KSH, 2005 alapján) Lakosság Szolgáltatás Közlekedés Hőerőművek Egyéb hőtermelés Ipar Mezőgazdaság ezer tonna 18

19 A főbb fogyasztói szektorok részesedése a világ CO 2 - kibocsátásában (forrás: IPCC 2001) Felhasználói szektor részesedés Ipar 43% Lakóépületek Egyéb épületek Közlekedés Mezőgazdaság Összes felhasználó Ezen belül a fenti fogyasztókat kiszolgáló villamosenergia-ipar mint primerenergiafelhasználó 21% 10% 22% 4% 100% 32% A villamosenergia-ipar nem magának, hanem a fenti felhasználók kiszolgálása érdekében használ fel fosszilis tüzelőanyagokat! Freonok és halonok freonok: pl. CFCl 2, CFCl 3 hűtőközeg, vivőanyag halonok: C + F + Cl + Br atomokból állnak tűzoltás 1986, Monterali egyezmény: felhasználásuk csökken, Magyarországon megszűnt stabilak feljutnak a sztratoszférába is fotokémiai folyamatok klóratomok ózont lebontják a sztratoszférikus ózon mennyiségét hazánk felett továbbra is csökkentik 19

20 Metán (CH 4 ) üvegházhatású gáz elmúlt 200 év alatt duplázódott, kb. 2 ppm természetes forrásai: bomlás, fermentáció antropogén forrásai: rizstermelés, hulladékok bomlása, bányászat, energiaipar, biomasszatüzelés, kérődzők metánemisszió csökken, immisszió nő Mo-on Magyarország 20

21 Illékony szerves vegyületek VOC: Votile Organize Compounds NO x -kal reakció fotokémiai füstköd antropogén források: tüzelőanyagok, üzemanyagok, oldószerek párolgása Magyarország (2002): közlekedés (38%) ipari tüzelés és technológia (23%) oldószerek használata (19%) kommunális fűtés (14%) Magyarország 21

22 Policiklusos aromás szénhidrogének PAH: Policyclic Aromatic Hydrocarbons nagy molekulasúlyú, 4-7 benzolgyűrű összekapcsolódásából eredő vegyületek források: gépkocsik kipufogógáza (mintegy 30 PAH) szerves anyagok magas T-n történő kezelése fitomasszaégetés rákkeltők NO x jelenlétében Nitro-PAH Felszínközeli ózon (O 3 ) a fotokémiai szmog fő alkotója közlekedési eredetű légszennyezőanyagokból napfény hatására keletkezik NO 2 NO + O O + O 2 O 3 sejteket elpusztítja ember: tüdőszövetek roncsolása, tüdőödéma Mo: a felszínközeli ózonkoncentráció nőtt 22

23 Szilárd levegőszennyezők por forrásai: természetes, antropogén ipari üzemekben technológiai folyamatok során, pl.: ásvány- és ércőrlés cementgyártás szilárd energiahordozók (szén) elégetésekor fafeldolgozás keletkezés helyén nagyon nagy koncentráció is lehet káros hatás nem rögtön, tüdőelváltozások A szilárd anyagok kibocsátásának alakulása 1990 és 2002 között (KSH, 2005 alapján) Lakosság Szolgáltatás Közlekedés Hőerőművek Egyéb hőtermelés Ipar, fűtés eredetű Ipar, technológiai Mezőgazdaság ezer tonna 23

24 24

25 25

26 Szilárd levegőszennyezők korom tökéletlen égési folyamatok eredménye nagy fajlagos felületű (6*10 2 6*10 5 m 2 /g) grafitkristály-részecskék (0,01-0,02 µm) gázalakú légszennyezőket adszorbeál Magyarországi légszennyezettségi helyzet összefoglalva A légszennyező anyagok kibocsátása a rendszerváltozást követő években a gazdasági visszaesés és szerkezetváltás hatására csökkent, az ország légszennyezettsége általában javult 1990-es évek: közlekedés vált a legnagyobb légszennyezőforrássá: a közlekedési eredetű NO x -, szilárd anyag-, CO-, CO 2 -kibocsátás, felszínközeli O 3 -terhelés nőtt Korábban jelentős iparral rendelkező területek: légszennyezés csökkent A települések forgalmas területeinek légszennyezése növekedett: különösen a NO x, a por és a felszínközeli O 3 A nagyobb településektől, szennyezőanyag-kibocsátásoktól távol, a mezőgazdasági területeken, erdőkben, természetvédelmi területeken a levegő minősége általában kifogástalan 26

27 A levegő öntisztulása A, a szennyezőanyag eltávozik a légtérből (és egy másik szférát szennyez!) pl. ülepedés, kimosódás, kondenzáció, adszorpció, abszorpció B, a szennyezőanyagok kevéssé ártalmas anyagokká alakulnak át C, a szennyezőanyagok koncentrációja csökken, felhígul (de az összmennyiség nem változik!) Fotokémiai szmog (Los Angeles típusú) nagyvárosokra jellemző meleg, napsütéses napokon: C alacsony páratartalom, kis szélsebesség fő kiváltó ok: autók kipufogógázai (autópályák, autóutak!) NO x, CO, szénhidrogének oxidáló típusú UV-sugárzás hatására: NO 2 NO + O (atomos) O 2 + O O 3 gerjesztett O-atomok OH - szénhidrogének lebontása szerves gyökök peroxi-acetil-nitrát (PAN) 27

28 Fotokémiai szmog (folyt.) legveszélyesebb: az ózon csökken a tüdő vitálkapacitása, a látásélesség, koncentrálóképesség szemirritáció, köhögés, ingerlékeny légutak, fejfájás, torokfájás, légzési nehézség, asztmás roham növények is károsodnak (csökken a fotoszintézis és a gyökérlégzés) Európában: az 1970-es évektől észleltek 1985, 1989: Budapesten is gyanú, de ezt megfelelő mérések híján nem tudták megerősíteni Londoni típusú szmog Kialakulása: főleg télen jön létre (3-5 C) magas páratartalom (>80%) szélcsend inverziós légréteg fő kiváltó ok: fűtés (szén) a szennyezett, el nem távozott levegőnek magas a CO-, por- ésso 2 -tartalma redukáló típusú London: kb haláleset, hirtelen halál (SO 2, kénsav a tüdőbe jut tünetek: kötőhártyagyulladás, fejfájás, mellkasi fájdalom, köhögés, légszomj, hányás, hasi görcs voltak) 28

29 Az inverziós réteg kialakulása (Environmental Science alapján) A halálozások száma, valamint a levegő kéndioxid- és füstkoncentrációja, London, dec. (Moser-Pálmai 1992) 29

30 A levegőszennyezés elleni védekezés műszaki lehetőségei az energiahordozók struktúrájának megváltoztatása (szénről földgázra: SO 2 -emisszió csökkenne) a tüzelőanyagok vagy a füstgázok kéntelenítése magas kémények építése (mennyiség nem csökken!) zárt technológiák alkalmazása üzemek áttelepítése (mennyiség nem csökken!) gépkocsik emissziójának szabályozása stb. porleválasztás gáztisztítás szennyező anyagok leválasztása levegőből Légszennyező anyagok leválasztása a tisztítás mértékét környezetvédelmi előírások határozzák meg tisztítási hatásfok nő költség exponenciálisan nő további feladat: mi legyen a leválasztott komponenssel a tisztítás után a tisztítás során a szennyező komponenseket ártalmatlan anyagokká alakítják vagy a szennyező anyagokat hasznosítható alakban nyerik vissza, újra felhasználják vagy a tisztítás során csak dúsulnak a szennyező anyagok, további kezelésükről vagy elhelyezésükről gondoskodni kell 30

31 Szilárd szennyezők leválasztása levegőből Szilárd szennyezők Száraz leválasztás tömegerőn alapuló leválasztás centrifugális erőn alapuló leválasztás elektrosztatikus leválasztás Nedves leválasztás leválasztó mozgó alkatrész nélkül leválasztó mozgó alkatrésszel nedves elektrosztatikus leválasztás Tömegerőn alapuló leválasztás Porkamrák (Moser-Pálmai 1992) 31

32 Porszűrők Tömlős szűrő porleverő berendezéssel és ellenáramú öblítő gázvezetéssel 1: tömlőtartó, 2: pillangószelep, 3: tisztítás alatti kamra (Moser-Pálmai 1992) Centrifugális erőn alapuló leválasztás Multiciklon (Moser-Pálmai 1992) Örvénycsövek (Moser-Pálmai 1992) 32

33 Elektrosztatikus leválasztás Elektrosztatikus leválasztók szerkezeti megoldásai (Moser-Pálmai 1992) Nedves leválasztás a porszemcséket folyadékkal nedvesítik, a mosófolyadékhoz kötődve azok a gázfázisból távoznak berendezései pl.: permetes mosók töltetes tornyok nedves dinamikus berendezések tányéros tornyok nedves centrifugális berendezések Venturi-mosók (gázporlasztásos mosók) 33

34 Permetező mosótorony (Moser-Pálmai 1992) Töltetes tornyok (Moser-Pálmai 1992) 34

35 Gáz halmazállapotú szennyezők leválasztása levegőből Gáz halmazállapotú szennyezők adszorpció abszorpció Szennyező anyag leválasztása kondenzáció Szennyező anyag átalakítása termikus égetés katalitikus égetés katalitikus redukció véggázok biológiai tisztítása 35