Környezetvédelem (KM002_1)

Átírás

1 Környezetvédelem (KM002_1) 3a. Antropogén légszennyezés, levegőtisztaság-védelem 2016/2017-es tanév I. félév Dr. habil. Zseni Anikó egyetemi docens SZE, AHJK, 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 Koncentráció Tartózkodási térfogat% ppm idő Állandó nitrogén N év oxigén O 2 20,9 5*10 3 év argon Ar 0,934 neon Ne 18,18 hélium He 5, év Változó szén-dioxid CO év metán CH év hidrogén H 2 0,5 6,5 év ózon O 3 (0-5)* év Erősen változó vízgőz H 2 O nap szén-monoxid CO (1-20)* hónap nitrogén-dioxid NO 2 (0-3)* nap ammónia NH 3 (0-2)* nap kén-dioxid SO 2 (0-2)* 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: Környezetvédelem korszerűen nyomán) A légkör tömegarányos és térfogatarányos összetétele (Bolygónk születése nyomán) 3

4 Levegőszennyezők Levegőszennyező: származásától és állapotától függetlenül az az anyag, amely olyan mértékben jut a levegőbe, hogy azzal az embert és a környezetét kedvezőtlenül befolyásolja vagy anyagi kárt okoz természetes légszennyező anyagok a Föld felszínén egyenletesen helyezkednek el a képződési sebesség kb. egyenlő az atmoszférából történő távozás sebességével antropogén légszennyező anyagok az emberi források általában koncentráltak a képződés sebessége általában gyorsabb, mint a távozásé Elsődleges gázhalmazállapotú légszennyezők Másodlagos szennyezőanyagok Légszennyező források pontszerű források pl. kémény, kürtő, szellőző diffúz források hulladéklerakók felszíne, pernyehányók, meddőhányók vonalas légszennyező források pl. közút, vasút, légifolyosó, vízi út 4

5 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! A közlekedés légszennyezése A gépkocsik kipufogó gázainak összetétele Komponens Benzinmotorok Dízelmotorok Hatás nitrogén tf% tf% oxigén 0,1-3 tf% 2-14 tf% vízgőz 3-6 tf% 0,5-6 tf% nem mérgező CO tf% 1-6 tf% CO 0,5-10 tf% ppm NO x ppm ppm szénhidrogének ppm ppm mérgező aldehidek ppm 0-50 ppm korom 0-2 mg/m mg/m 3 benzpirén μg/m μg/m 3 rákkeltő 5

6 Környezetvédelem A közlekedés légszennyezése (folyt.) a két motortípus különbsége különböző égésfolyamatok, más üzemanyag eltérő kibocsátás NO x emisszió döntően a közlekedésből származik a kipufogógáz emisszió csökkentésének lehetőségei: műszaki fejlesztések gondos karbantartás benzin ólomtartalmának csökkentése, ólommentes benzin (Mo.-on megvalósult) gázolajak kéntartalmának csökkentése Gépkocsik számának és életkorának alakulása hazánkban (KSH) 6

7 A levegő-benzin arány hatása a kipufogógáz-összetételére és az égetés hatásfokára (Moser-Pálmai 1992) A nehéz tehergépjárművek és autóbuszok szennyezőanyag kibocsátására vonatkozó követelmények alakulása 7

8 A nehéz tehergépjárművek és autóbuszok szennyezőanyag kibocsátására vonatkozó követelmények alakulása A szállított áru mennyiségének változása 8

9 Az áruszállítás teljesítményének változása 1 árutonna km = 1 tonna áru 1 km-re történő elszállítása XY árutonna km = X tonna áru Y km-re történő elszállítása ( = X Y) A vasúti és légi közlekedés személyszállítási teljesítménye 9

10 A közösségi közlekedés teljesítményének változásai a helyi személyszállításban (Mo.) Az energiatermelés légszennyezése Az 1000 MW teljesítményű erőművekben elégetett tüzelőanyagokból származó gáz-emissziók átlagos mennyisége (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 10

11 Az energiatermelés légszennyezése (folyt.) A települések SO 2 és szilárd részecske emissziója elsősorban a kommunális fűtés és az ipari hőenergia termelés üzemanyagaitól és berendezéseitől függ levegőtisztaság szempontjából legkedvezőbb a gáz és legkedvezőtlenebb a szén (a hagyományos, nem megújuló energiaforrásokat használó fűtési módok közül) Ipari légszennyező források Rendkívül változatos szennyező anyagok, 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 11

12 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 természet biológiai egyensúlyát veszélyeztetik Légszennyező anyagok üvegházhatású gázok (ÜHG): CO 2, N 2 O, CH 4, fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluorkarbonok (PFC-k), kén-hexafluorid (SF 6 ) ezeken kívül: vízgőz, halonok, ózon, egyéb klór-flourkarbon vegyületek (CFC-k) savasodást okozó gázok: SO 2, NO x, NH 3 ózonprekurzorok: NMVOC, NO x, CO, CH 4 szálló por 12

13 CO 2, CH 4, N 2 O CO 2 : szén-dioxid fosszilis tüzelőanyagok elégetése erdőégetés erdőhiány miatti lekötés csökkenés mészkőfelhasználás CH 4 : metán természetes forrásai: bomlás, fermentáció antropogén forrásai: rizstermelés, hulladékok bomlása, bányászat, energia-ipar, biomassza tüzelés, kérődzők N 2 O: dinitrogén-oxid műtrágyázás, gyártási folyamatok (salétrom, adipin, glioxil, glioxálsav) HFC, PFC, SF 6 HFC-k: fluorozott szénhidrogének freonok kiváltására alkalmazzák az 1990-es évek 2. felétől hazánkban (hűtőberendezések hűtőközegeként) PFC-k: perfluorkarbonok CF 4 és C 2 F 6 primer Al előállításakor 2006-ban megszűnt hazánkban az Al előállítás kibocsátás megszűnt SF 6 : kén-hexafluorid sűrűsége a levegő 5-szöröse nagy villamos szilárdság nagy zárlati teljesítményű hálózatok megszakítóiban gáztöltet 13

14 Freonok és halonok freonok (fluorozott, klórozott szénhidrogének): 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 sztratoszférikus ózon mennyiségét hazánk felett továbbra is csökkentik A magyar nemzetgazdaság és a háztartások üvegházhatásúgáz-kibocsátásának megoszlása összetevők szerint 2011-ben összesen: 73,4 M t CO 2 egyenérték, ebből: 60,5 M t: nemzetgazdaság termelő ágazatokból (82%) 12,9 M t: lakossági eredetű (18%) 14

15 A magyar nemzetgazdaság üvegházhatású gázkibocsátásának mennyisége és szerkezete 28% 23% 17% 15% 17% Üvegházhatású gázok kibocsátása hazánkban (KSH) 15

16 CO 2 kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) N 2 O kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) főként műtrágyázás (NH 4 NO 3 bomlásakor) 16

17 CH 4 kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) szennyvíziszap rothasztók, hulladéklerakók: kevés helyen hasznosítják a keletkező metánt állattenyésztés: technológiailag nemigen csökkenthető Egy főre jutó bruttó CO 2 -kibocsátás Európa országaiban, 2011 EEA 17

18 Ózonréteg károsító gázok felhasználása hazánkban (KSH) Az igényeket importból fedeztük, előállítás hazánkban nem volt Kén-dioxid (SO 2 ) 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 18

19 Kén-dioxid kibocsátás hazánkban (forrás: VM) Nitrogén-oxidok (NO x ) 2NO + O 2 = 2NO 2 3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO legfőbb források: égési folyamatok (közlekedés!) káros hatások: tüdő- és légúti ártalmak savas esők szmogképződés 19

20 Nitrogén-oxid kibocsátás hazánkban (forrás: VM) ~60% Nitrogén-oxidok kibocsátása hazánkban, 2010 (forrás: VM) 20

21 Nitrogén-dioxid éves terheltségi szint alakulása hazánkban (forrás: OMSZ) A magyar nemzetgazdaság és a háztartások savasodást okozó gázkibocsátásának megoszlása összetevők szerint NH 3 : 98%-a mezőgazdaságból NO x : 65%-a szállítás, raktározás háztartások: 15% az összes emisszióból 21

22 22

23 Illékony szerves vegyületek VOC: Volatile Organic Compounds NMVOC: No Metan Volatile Organic Compounds: nem metán illékony szerves vegyületek NO x -kal reakció fotokémiai füstköd antropogén források: tüzelőanyagok, üzemanyagok, oldószerek párolgása 23

24 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 fitomassza égetés rákkeltők NO x jelenlétében Nitro-PAH Szén-monoxid (CO) emisszió: 3400 Mt/év (Földön) források: 80%-ban természetes források tüzelőberendezés, közlekedés tökéletlen égési folyamatok eredménye rendkívül mérgező (CO-hemoglobin) 24

25 Felszínközeli ózon (O 3 ) fotokémiai szmog fő alkotója közlekedési eredetű légszennyező anyagokból napfény hatására keletkezik NO 2 NO + O O + O 2 O 3 sejteket elpusztítja ember: tüdőszövetek roncsolása, tüdőödéma Mo: felszínközeli ózonkoncentráció nőtt 25

26 Szálló por PM 10 : 10 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (10-5 m) PM 2,5 : 2,5 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (2,5 x 10-6 m) (1 mm = 1000 μm) forrásai: természetes, antropogén ipari üzemekben technológiai folyamatok során, pl.: ásvány- és ércőrlés cementgyártás szilárd energiahordozók (szén) elégetésekor fafeldolgozás dízelüzemű járművek keletkezés helyén nagyon nagy koncentráció is lehet káros hatás nem rögtön, tüdőelváltozások minél kisebb méretű, annál nagyobb az egészségügyi kockázat különösen ha nehézfémeket, nehezen lebomló szerves anyagokat tartalmaz 26

27 27

28 A PM 2,5 koncentráció éves átlagai (forrás: OMSZ) WHO irányelv: 10 μg/m 3 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 légszennyező forrássá: 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 28

29 A levegő öntisztulása A, a szennyező anyag eltávozik a légtérből (és egy másik szférát szennyez!) pl. ülepedés, kimosódás, kondenzáció, adszorpció, abszorpció B, a szennyező anyagok kevéssé ártalmas anyagokká alakulnak át C, a szennyező anyagok koncentrációja csökken, felhígul (de az összmennyiség nem változik!) Füstköd (szmog) képződés nagyvárosok és ipari területek fölött esetenként létrejövő, füstből, porból, reaktív kémiai komponensekből álló szennyeződés meteorológiai viszonyok (szélsebesség, turbulencia, diffúziós paraméterek, inverziós időjárási helyzet) fontos szerepe redukáló (Londoni típusú) füstköd oxidáló (Los Angeles típusú) füstköd 29

30 Gázterjedési módok összehasonlítása a) szétterjedés normális körülmények között b) szétterjedés inverziós időjárási körülmények között Az inverziós réteg kialakulása (Environmental Science alapján) 30

31 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, korom, SO 2 -tartalma általában hajnalban jelentkezik redukáló típusú London: kb haláleset, hirtelen halál (SO 2, kénsav a tüdőbe jut tünetek: kötőhártya-gyulladás, fejfájás, mellkasi fájdalom, köhögés, légszomj, hányás, hasi görcs voltak) A halálozások száma, valamint a levegő kén-dioxid és füstkoncentrációja, London, dec. (Moser-Pálmai 1992) 31

32 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) A fotokémiai szmog jellegzetes reakciói 32

33 Fotokémiai szmog (folyt.) 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) PAN koncentrációja 0,02 ppm fölötti: órákon belül károsodik a vegetáció A fotokémiai szmog komponensei koncentrációjának időbeli változása növekvő UV sugárzás redukáló komponensek fogyasztják az ózont 33

34 34

35 35

36 36

37 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 37

38 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 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 38

39 Tömegerőn alapuló leválasztás Porkamrák (Moser-Pálmai 1992) Porszűrők Tömlős szűrő porleverő berendezéssel és ellenáramú öblítő gázvezetéssel 1: tömlőtartó, 2: pillangószelep, 3: tisztítás alatti kamra (Moser-Pálmai 1992) 39

40 Centrifugális erőn alapuló leválasztás Multiciklon (Moser-Pálmai 1992) Örvénycsövek (Moser-Pálmai 1992) Elektrosztatikus leválasztás Elektrosztatikus leválasztók szerkezeti megoldásai (Moser-Pálmai 1992) 40

41 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) Permetező mosótorony (Moser-Pálmai 1992) 41

42 Töltetes tornyok (Moser-Pálmai 1992) 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 42