11 surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · pdf filecauzate, în principal, de poluarea...

22
Surse de poluare [17] 180 11 Surse de poluare [17] 11.1 Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1] 11.1.1 Poluarea şi echilibrul biologic Ecologia studiază raporturile pe care organismele le întreţin cu mediul care le înconjoară. Mediul înconjurător reprezintă totalitatea factorilor naturali şi a celor artificiali creaţi prin acţiuni umane, care, în strânsă interacţiune, influenţează echilibrul ecologic, determinând condiţiile de viaţă pentru om şi dezvoltarea societăţii. În Legea Protecţiei Mediului [37] pentru România se indică: „mediul este ansamblul de condiţii şi elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul şi subsolul, toate straturile atmosferice, toate materiile organice şi anorganice, precum şi fiinţele vii, sistemele naturale în interacţiune cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale şi spirituale". Mediul are deopotrivă un sens topografic (locul sau biotopul) şi, mai ales, un sens funcţional, pe care-1 imprimă factorii energetici (căldura, radiaţiile), trofici (apa şi resursele nutritive) şi mecanici (ploaia, vântul). Unitatea de bază a ecologiei este ecosistemul. Acesta reprezintă ansamblul de acţiuni reciproce ce se petrec între numeroase fiinţe şi mediul lor sau, altfel spus, un angrenaj de relaţii ce se stabilesc între lumea vegetală şi animală, sub oblăduirea aceloraşi factori fizici, oferiţi de mediu. În sens mai larg, prin ecosistem se înţelege complexul dinamic de comunităţi de plante, animale şi microorganisme şi, mediul lor lipsit de viaţă care interacţionează într-o unitate funcţională [37]. Structura ecosistemului este caracterizată de patru mari componente, şi anume: componenta abiotică, reprezentată de resursele energetice şi trofice ale mediului; componenta producătoare de materie organică; componenta consumatoare de materie organică (animalele vegetariene şi carnivore); componenta formată din microflora şi microfauna solului, care descompune şi mineralizează deşeurile organice. Un ecosistem natural este echilibrat. Trebuie însă observat că ecosistemele sunt guvernate de mecanisme cu o stabilitate labilă, capabile să reziste prin autoreglare, atât la schimbările minore ale mediului, cât şi la variaţiile numărului şi modificărilor structurale ale populaţiei. Aceste autoreglări au însă limite peste care nu se mai poate trece, fără ca ecosistemul să nu se modifice substanţial, sau chiar să se prăbuşească. Atunci când condiţiile noi depăşesc limitele între care oscilează schimbările obişnuite, echilibrul dinamic al ecosistemelor este rupt, cel mai adesea ireversibil şi cu efecte imprevizibile. Catastrofele naturale şi, mai ales, activitatea umană (surse antropice) produc ecosistemelor cele mai profunde tulburări. Progresul tehnic aduce cu sine, alături de atâtea minunate realizări, numeroase neajunsuri şi o multitudine de substanţe poluante, care ameninţă cu distrugerea mediului înconjurător. Orice substanţă rezultată din procese chimice, fizice şi biologice, care, răspândită în mediul ambiant, dăunează organismelor vii, bunurilor materiale, operelor de artă şi peisajului se numeşte substanţă poluantă.

Upload: hathu

Post on 06-Feb-2018

227 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

180

11 Surse de poluare [17]

11.1 Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

11.1.1 Poluarea şi echilibrul biologic Ecologia studiază raporturile pe care organismele le întreţin cu mediul care le înconjoară.

Mediul înconjurător reprezintă totalitatea factorilor naturali şi a celor artificiali creaţi prin acţiuni umane, care, în strânsă interacţiune, influenţează echilibrul ecologic, determinând condiţiile de viaţă pentru om şi dezvoltarea societăţii. În Legea Protecţiei Mediului [37] pentru România se indică: „mediul este ansamblul de condiţii şi elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul şi subsolul, toate straturile atmosferice, toate materiile organice şi anorganice, precum şi fiinţele vii, sistemele naturale în interacţiune cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale şi spirituale".

Mediul are deopotrivă un sens topografic (locul sau biotopul) şi, mai ales, un sens funcţional, pe care-1 imprimă factorii energetici (căldura, radiaţiile), trofici (apa şi resursele nutritive) şi mecanici (ploaia, vântul).

Unitatea de bază a ecologiei este ecosistemul. Acesta reprezintă ansamblul de acţiuni reciproce ce se petrec între numeroase fiinţe şi mediul lor sau, altfel spus, un angrenaj de relaţii ce se stabilesc între lumea vegetală şi animală, sub oblăduirea aceloraşi factori fizici, oferiţi de mediu. În sens mai larg, prin ecosistem se înţelege complexul dinamic de comunităţi de plante, animale şi microorganisme şi, mediul lor lipsit de viaţă care interacţionează într-o unitate funcţională [37].

Structura ecosistemului este caracterizată de patru mari componente, şi anume:

componenta abiotică, reprezentată de resursele energetice şi trofice ale mediului;

componenta producătoare de materie organică;

componenta consumatoare de materie organică (animalele vegetariene şi carnivore);

componenta formată din microflora şi microfauna solului, care descompune şi mineralizează deşeurile organice.

Un ecosistem natural este echilibrat. Trebuie însă observat că ecosistemele sunt guvernate de mecanisme cu o stabilitate labilă, capabile să reziste prin autoreglare, atât la schimbările minore ale mediului, cât şi la variaţiile numărului şi modificărilor structurale ale populaţiei. Aceste autoreglări au însă limite peste care nu se mai poate trece, fără ca ecosistemul să nu se modifice substanţial, sau chiar să se prăbuşească.

Atunci când condiţiile noi depăşesc limitele între care oscilează schimbările obişnuite, echilibrul dinamic al ecosistemelor este rupt, cel mai adesea ireversibil şi cu efecte imprevizibile. Catastrofele naturale şi, mai ales, activitatea umană (surse antropice) produc ecosistemelor cele mai profunde tulburări.

Progresul tehnic aduce cu sine, alături de atâtea minunate realizări, numeroase neajunsuri şi o multitudine de substanţe poluante, care ameninţă cu distrugerea mediului înconjurător.

Orice substanţă rezultată din procese chimice, fizice şi biologice, care, răspândită în mediul ambiant, dăunează organismelor vii, bunurilor materiale, operelor de artă şi peisajului se numeşte substanţă poluantă.

Page 2: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

181

Poluantul este deci o substanţă solidă, lichidă, gazoasă sau sub formă de energie (radiaţie electromagnetică, ionizantă, termică, fonică sau vibraţii) care, introdusă în mediu, modifică echilibrul constituenţilor acestuia şi a organismelor vii aduce daune bunurilor materiale. Cuantificarea efectelor activităţii umane şi a proceselor naturale asupra mediului, a sănătăţii şi securităţii omului, precum şi a murilor de orice fel se realizează prin evaluarea impactului asupra mediului. Prin prejudiciu se înţelege efectul cuantificabil în cost al daunelor asupra sănătăţii oamenilor, bunurilor sau mediului provocat de poluanţi, activităţi dăunătoare sau dezastre [37],

În urma deteriorării mediului se produce alterarea caracteristicilor fizico-chimice şi structurale ale componentelor naturale ale mediului, reducerea diversităţii productivităţii biologice a ecosistemelor naturale şi antropizate, afectarea echilibrului ecologic şi a calităţii vieţii cauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor deficitară, ca şi prin amenajări necorespunzătoare ale teritoriului [37],

Sursele poluării permanente sunt foarte diversificate şi numai simpla lor înşiruire, fără pretenţia de a fi exhaustivă, arată pericolul la care este supusă şi expusă omenirea.

Astfel fabricile de îngrăşăminte chimice emit importante cantităţi de oxizi de sulf, oxizi de azot, acizi ai fosforului, fabricile de sodă emit clor, fabricile de aluminiu emit fluor, fabricile de ciment emană praf, rafinăriile emană hidrocarburi dioxid de sulf, combinatele de metalurgie neferoasă emit oxizi de sulf, compuşi ai metalelor grele, oxizi de azot etc.

Gazele, evacuate pe coşurile de fum ale instalaţiilor de ardere, conţin, de asemenea, importante cantităţi de oxizi de sulf, oxizi de azot, monoxid şi dioxid de carbon, praf de cenuşă etc.

Chiar şi prin canalul de fum al coşurilor imobilelor de locuit sunt emise importante substanţe poluante. Amploarea şi primejdia acestor emisii se explică, pe de o parte, prin aceea că emisiile de fum se fac la mică înălţime şi deci dispersia lor în aer este slabă, iar pe de altă parte, prin conţinutul relativ ridicat de hidrocarburi grele şi gudroane, explicabil prin temperaturile mici la care se desfăşoară procesele de ardere.

La toate acestea se adaugă noxele evacuate în aer odată cu gazele eşapate de autovehicule, şi anume: monoxid şi dioxid de carbon, oxizi de azot, aldehide, acid clorhidric şi bromhidric, acid sulfuric şi azotic, combinaţii ale plumbului etc. Cantitatea acestora este deosebit de mare, în acest secol al civilizaţiei, şi depăşeşte, în multe regiuni, cu mult pe cea emisă de instalaţiile de ardere staţionare.

11.1.2 Efectele nocive ale poluanţilor Orice substanţă sau produs care, folosit în cantităţi, concentraţii sau condiţii aparent nepericuloase, prezintă risc semnificativ pentru om, mediu sau bunuri materiale (deci pot fi explozive, oxidante, inflamabile, toxice, nocive, corosive, iritante, mutagene sau radioactive) se desemnează drept substanţă periculoasă. Prin STAS 12574-87 [38] se stabilesc concentraţiile maxime (medie lunară sau anuală) admise ale unor substanţe poluante în aerul din zonele protejate.

Din punct de vedere ecologic, există deosebiri destul de importante între diverse categorii de poluanţi. Astfel se deosebesc:

noxe care dăunează direct organismului uman, ca de exemplu oxizii de azot (NOx), oxizii de sulf (SOx), monoxidul de carbon (CO), precum şi unele metale grele;

noxe care acţionează direct asupra vegetaţiei, ca de exemplu dioxidul de sulf (SO2)şi combinaţiile dintre CI şi H2;

Page 3: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

182

noxe care stau la baza formării de acizi, ca de exemplu SO2, SO3, NO şi NO2, ce determină formarea ploilor acide şi distrugerea pădurilor (Waldsterben);

noxe persistente în soluri, care, în cadrul lanţului biologic plantă - animal - om, se acumulează şi devin astfel nocive organismului uman, aşa cum este cazul metalelor grele;

noxe care devin factori de influenţă ai climei, ca de exemplu CO2 şi N2O, precum şi factori importanţi în declanşarea efectului de seră al pământului sau care contribuie la distrugerea stratului natural de ozon.

Se face observaţia că prin atmosferă se înţelege masa de aer care înconjoară suprafaţa terestră, incluzând şi stratul de ozon.

11.1.3 Efectele nocive ale oxizilor de sulf Din oxidarea sulfului combustibil, cea mai mare parte (peste 95 %) se transformă în SO2, restul în SO3. Conversia SO2 în SO3 are loc în flacără, în cazul unui exces mare de oxigen, dar şi pe traseul gazelor, în prezenţa oxizilor de vanadiu şi chiar de fier, care joacă rol de catalizator, mai ales la temperaturi de peste 800 °C (1073 K).

Evacuat în atmosferă, dioxidul de sulf (SO2) reacţionează în proporţie de 1…2 ‰/h cu oxigenul, sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete solare (ruv), dând naştere anhidridei sulfuroase (SO3), conform relaţiei:

2 SO2 + O2 + ruv = 2 SO3 (1.1)

Aceasta, la rândul ei, se combină cu vaporii de apă din atmosferă şi formează acidul sulfuric. În perioadele de ceaţă şi în zilele foarte umede se atinge un grad de transformare de până la 15,7 %.

SO3 + H2O H2SO4 (1.2)

Dioxidul de sulf reprezintă o substanţă toxică, care atrage atenţia prin mirosul şi acţiunea iritantă asupra mucoaselor, provocând spasm şi contracţia muşchilor căilor respiratorii superioare. În concentraţii ridicate, SO2 provoacă senzaţie de arsură asupra mucoaselor respiratorii şi conjunctivale, tuse, tulburări ale respiraţiei, spasm glotic, senzaţie de sufocare etc.

Efectele nocive ale diferiţilor poluanţi în aer, la diferite concentraţii, sunt prezentate în tabelele 1.1 şi 1.2 [1],

Tabelul 11.1 Tabelul 1.1 Efectele nocive ale anhidridei sulfuroase - (SO3) în aer, la diferite concentraţii

Concentraţia [ppm]

Efecte fiziologice Observaţii

0,3 - 1,0 Se face simţită prin miros. Concentraţii tolerabile în ateliere şi zone de lucru.

1,0 - 10 Este posibilă iritarea nasului şi ochilor.

Posibilităţi de suportare, scăzând până la 0 oră cu creşterea concentraţiei.

10 - 100 Iritarea accentuată la aceleaşi organe, ca mai sus.

Idem, ca sus.

150 - 650 Atac al aparatului respirator. O jumătate de oră până la o oră de expunere poate pune viaţa în pericol, funcţie de individ.

10 000 sau 1 % Paralizie respiratorie progresivă.

Concentraţie rapid mortală. O iritare vie a părţilor umede ale pielii, ce apare după câteva

minute, este un indiciu.

Page 4: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

183

Tabelul 11.2 Tabelul 1.2 Efectele unor poluanţi asupra omului

Poluantul Efectul Concentraţia

[ppm]

SO2

Suportabilă o oră. Concentraţie pentru 8 ore. Pragul perceptibil mirosit. Concentraţia maximă pentru şedere permanentă.

200 5-15 2-5

0,1-0,2

H2SO4

Moarte rapidă. Tulburări după 2-3 ore. Tulburări după 8 ore. Măsurabil.

1500 150 20 2

CO Simptome grave după o oră. Tulburări după 8 ore. Neglijabil la şedere permanentă.

2000 100 20

NH3 Mortal după 30 minute. Tulburări după 8 ore. Sesizabil olfactiv.

4000 100 26

HidrocarburiTulburări după 8 ore. 500 CO2 Tulburări după 8 ore. 5000

Prezenţa oxizilor de sulf în mediul ambiant se manifestă atât prin leziuni directe ale plantelor, cât şi prin modificarea compoziţiei apei şi solului. Astfel SO2, în concentraţie mare, distruge clorofila din frunze, acţiunea sa amplificându-se prin sinergism (Intensificare a acţiunii a două substanţe prin asocierea acestora) cu NO2 [2]. Expunând frunze de diferite plante într-o atmosferă de NO2, în concentraţie de 2 ppm şi separat, într-o atmosferă cu SO2, în concentraţie de 0,7 ppm, după 4 ore, nu s-a observat nici o schimbare morfologică în structura frunzelor. Expunând însă aceleaşi frunze într-o atmosferă cu ambele noxe, dar într-o concentraţie individuală mult mai mică decât în primul caz, (0,1 ppm pentru fiecare gaz), s-a observat o continuă modificare a ţesutului frunzelor.

Oxizii de sulf, respectiv acizii sulfuros şi sulfuric, care rezultă prin hidratarea acestora, determină fenomene de coroziune, decolorarea materialelor colorate, reducerea elasticităţii şi rezistenţei pentru unii compuşi organici (amine, polimeri, textile etc.), unele materiale de construcţie şi unele tipuri de cabluri electrice.

Oxizii de sulf, alături de cei de azot, sunt astăzi consideraţi principalele cauze ale ploilor acide, care cauzează distrugerea pădurilor, pe suprafeţe îngrijorător de mari. Modificările în compoziţia apei şi a solului au ca rezultat tulburări de dezvoltare a plantelor, o scădere a producţiei de masă lemnoasă, respectiv a producţiei şi calităţii fructelor, cu întregul cortegiu de consecinţe economice şi de altă natură, ultimele manifestate în lanţul trofic plantă - animal - om.

11.1.4 Acţiunea toxică şi corosivă a oxizilor de azot Din cantitatea totală de NOx dezvoltată prin ardere, aproximativ 95 % este sub formă de monoxid de azot (NO) şi doar restul sub formă de dioxid de azot (NO2). Eliminat în atmosferă, NO, în prezenţa oxigenului din aer şi sub acţiunea razelor ultraviolete (ruv), se transformă, destul de repede, în NO2, care este foarte toxic. În anumite condiţii, NO2 împreună cu H2O formează acidul azotic, conform reacţiei:

NO2 + H2O H2NO3 (1.3)

Prin agresivitatea şi toxicitatea lor, oxizii de azot şi acidul azotic sunt extrem de periculoşi pentru mecanismul biologic uman. Ei atacă căile respiratorii, mucoasele, transformă

Page 5: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

184

oxihemoglobina în meta-hemoglobină, ceea ce poate duce la paralizii. O expunere mai îndelungată la acţiunea oxizilor de azot, chiar şi la concentraţii foarte mici de numai 0,5 ppm, slăbeşte organismul uman, sensibilizându-l foarte mult faţă de infecţiile bacteriene [2], [3]. Această influenţă este mai evidentă asupra sănătăţii copiilor.

Toxicitatea oxizilor de azot creşte foarte mult prin sinergism cu alte substanţe toxice, aşa cum s-a arătat anterior.

Acidul azotic, format din reacţia NO2 cu H2O, determină apariţia mai multor tipuri de coroziune. Acidul azotic atacă construcţiile metalice, provocând distrugerea lor. Acidul azotic formează azotaţi cu diferiţi cationi, prezenţi în atmosferă. Aceştia au o acţiune corosivă asupra cuprului, alamei, aluminiului, nichelului, etc., distrugând reţele electrice, telefonice etc. Astfel de procese pot avea loc chiar la concentraţii foarte mici ale oxizilor de azot în atmosferă (0,08 ppm).

Caracterul puternic oxidant şi nitrurant al oxizilor de azot şi acidului azotic este principala cauză a distrugerii de către aceştia a maselor plastice, lacurilor, vopselelor, utilizate ca materiale de protecţie la instalaţii şi construcţii industriale [4],

Este dovedită acţiunea NOx asupra unor materiale speciale de construcţie din grupa carbonaţilor, ca de exemplu marmura. Oxizii de azot pătrund prin micro-fisurile din aceste materiale, formează acolo nitraţi, care, prin cristalizare, măresc fisurile, provocând distrugerea construcţiei [2],

Recent se acordă deosebită atenţie şi compusului N2O (protoxidul de azot). Deşi se cunosc efectele sale nocive, nu s-a promulgat încă, în nici o ţară, o legislaţie privind emisiile de N2O, pentru protejarea mediului ambiant. N2O este un gaz stabil care se descompune de-abia la 600 °C în elementele N2 şi O2. În troposferă, pătura inferioară a atmosferei, deci până la circa 10 km deasupra pământului, se comportă ca şi un gaz inert.

Experimental s-a dovedit însă că măsurile primare şi secundare, aplicate industrial pentru scăderea concentraţiei de NOx în gazele de ardere, sunt aproape totdeauna însoţite de o producere de emisii secundare, nedorite ca CO, N2O, NH3 [13]. Acest fenomen este un semnal de alarmă şi îşi aduce o contribuţie de până la 10 % la creşterea anuală a concentraţiei de N2O (protoxidul de azot) în troposferă (circa 0,2 %). Alte surse generatoare de N2O sunt: fenomenele naturale din pădurile tropicale şi apele oceanelor, procesele de nitrificare-denitrificare determinate de îngrăşămintele chimice, industria chimică şi vehiculele rutiere.

Efectul nociv al N2O este dublu:

Întâi se aminteşte contribuţia N2O la efectul de seră. N2O absoarbe spectre caracteristice în domeniul razelor ultraviolete (ruv), emise de pământ. Spectrul în domeniul 16…18 m se suprapune peste spectrul de absorbţie al CO2. În general, contribuţia noxei N2O la încălzirea atmosferei terestre este de circa 4 %.

Al doilea, şi de fapt cel mai nociv efect al N2O, este contribuţia sa la distrugerea păturii protectoare de ozon din stratosfera (10-50 km deasupra pământului). N2O face parte din categoria gazelor inerte în troposferă, dar nocive în stratosferă, datorită efectului său catalitic în cadrul unor reacţii fotochimice, ce dezvoltă radicali activi care atacă pătura de ozon. Fenomenul este puternic accentuat de faptul că durata de viaţă a N2O este deosebit de mare (până la 180 ani) [14]. în stratosferă se absorb ruv cu lungimea de undă între 200 nm şi 242 nm de către moleculele de O2. Rezultă disocierea acestora şi producerea de ozon O3.

ruv + O2 O + O (1.4)

O + O2 + M O3 + M (1.5)

Page 6: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

185

ruv + 3 O2 2 O3 (1.6)

unde M este un partener de activare.

Ozonul astfel format absoarbe ruv în domeniul 200-340 nm şi se descompune în oxigen molecular şi atomic, în cadrul fotolizelor. Dacă însă lungimile de undă sunt mai mici decât 310 nm, se formează oxigenul singular, în stare activată (O*):

ruv + O3 O* + O2 (1.7)

O* atacă apoi N2O, rezultând monoxidul de azot activat (NO*):

N2O + O* NO* + NO* (1.8)

Urmează reacţia catalitică în care NO* atacă ozonul:

NO* + O3 NO2 + O2 (1.9)

NO2 + O NO* + O2 (1.10)

O3 + O O2+O2 (1.11)

Acesta este ciclul Johnston-Crutzen de distrugere a stratului de ozon. Ozonul este atacat şi de alţi radicali ca de exemplu hidrocarburi pe bază de fluor şi/sau clor. Cel mai important catalizator, ce contribuie cu aproximativ 25 % la distrugerea stratului de ozon este radicalul NO*, produs din descompunerea protoxidului de azot (N2O).

11.1.5 Acţiunea toxică a oxizilor de carbon Oxidul de carbon este unul dintre toxicii cu mare răspândire, atât în mediul industrial, cât şi în mediul urban. Oxidul de carbon pătrunde în sânge datorită următoarelor proprietăţi fizico-chimice: densitate apropiată de cea a aerului, difuzibilitate mare şi afinitate ridicată a hemoglobinei pentru CO (de 210 ori mai mare comparativ cu O2). Efectul principal este intoxicaţia. Primele semne de intoxicaţie cu oxid de carbon sunt cefaleea, oboseala şi ameţeala. Alte simptome sunt: anorexia, greaţa, apatia, insomnia, tulburări de memorie şi personalitate.

Dioxidul de carbon este toxic numai în concentraţii foarte mari (peste 5000 ppm). CO2 influenţează clima prin efectul de seră creat asupra pământului, contribuţia care-i revine fiind apreciată Ia circa 50 %. Până în prezent nu există soluţii tehnico-economice de combatere a emisiilor de CO2. Singura soluţie fezabilă este accentuarea creşterii eficienţei la producerea, transformarea şi utilizarea energiei termice [5] sau exploatarea energiei nucleare şi a altor surse de energie neconvenţională. Pentru anul 2000, pe plan mondial, se tinde să se limiteze emisia de CO2 la nivelul celei din 1990 [23], [25],

Din fericire, procesul de asimilare clorofiliană (fotosinteza) foloseşte CO2 expirat de fiinţele vii sau eliminat de industrie, dând naştere la glucide şi oxigen:

6 CO2 + 6 H2O lumină

–––––––clorofilă

C6H12O6 + 6 O2 (1.12)

Prin efectele ei, relaţia (1.12) poate fi numită "ecuaţia vieţii".

11.1.6 Acţiunea toxică a clorului şi fluorului Clorul şi fluorul reacţionează de asemenea cu vaporii de apă din aer, formând acid clorhidric, respectiv fluorhidric. Aceste produse, în cazul în care depăşesc concentraţiile limită, devin un pericol iminent, care poate da naştere la calamităţi de mari proporţii.

Clorul are acţiune nocivă datorită proprietăţii sale iritante. El acţionează de obicei împreună sau prin intermediul acidului clorhidric, care se prezintă fie în stare lichidă, fie în stare de

Page 7: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

186

vapori. Aceştia-exercită o acţiune puternic iritantă asupra mucoaselor, putând provoca hemoragii, bronhospasm marcant sau edem pulmonar.

Fluorul contribuie şi el la distrugerea stratului de ozon din jurul pământului.

11.1.7 Efectele nocive ale prafului de cenuşă Cenuşa zburătoare, eliminată prin coşul de fum al instalaţiilor de ardere, praful de cenuşă fin, antrenat de vânt din haldele de depozitare a cenuşii, şi praful de cărbune, provenit din haldele de cărbune sau din transportul şi prepararea acestuia, constituie împreună o noxă solidă, care se găseşte şi sub formă de aerosoli.

În cazul în care cenuşa are un conţinut foarte redus de metale grele (Cr, Ni, Cd, As, Pb), aerosolii formaţi sunt netoxici. Sub aspect nociv, aceştia prezintă importanţă numai atunci când particulele au dimensiuni mari. În acest caz, ele pot irita mucoasele oculare şi cele ale căilor respiratorii.

Mai importantă este activitatea de vehiculare a gazelor nocive şi de înlesnire a exercitării efectelor periculoase ale acestora, la distanţe foarte mari de locul de emisie. Un asemenea exemplu îl constituie cazul monoxidului de carbon, care poate să ajungă la distanţe foarte mari de locul unde a fost emis, numai purtat de praful de cenuşă. Dacă nu ar fi fost purtat de praf, ar fi reacţionat uşor în apropierea sursei de emisie.

Cenuşile murdăresc şi degradează mediul ambiant, se depun pe vegetaţie, clădiri, străzi şi dau un aspect neplăcut.

Aerosolii toxici constituie categoria de poluanţi care au cele mai nocive efecte. Din fericire, cenuşile conţin arareori Pb, F, As. Aerosolii toxici sunt constituiţi din hidrocarburile policiclice aromatice, rezultate ca produse ale arderii incomplete şi imperfecte a combustibililor. Acestea se condensează sub formă de picături foarte fine şi plutesc în aer. Asemenea aerosoli sunt foarte periculoşi datorită acţiunii cancerigene a hidrocarburilor.

11.1.8 Pragul de nocivitate Cercetările în acest domeniu au urmărit să stabilească limita (graniţa) tolerabilă a poluanţilor în aer, în condiţiile protejării sănătăţii oamenilor. S-a ajuns la concluzia că impurificarea atmosferei poate determina trei riscuri:

a) toxicitatea imediată, datorată expunerii la concentraţii relativ ridicate ale poluanţilor. Aceste cazuri sunt mai puţin întâlnite şi se datorează unor situaţii excepţionale, ca de exemplu apariţia unor accidente în funcţionarea instalaţiilor industriale;

b) intoxicarea pe termen mai lung, care apare în cazul expunerii la substanţe cu proprietăţi cumulative, ele fiind reţinute în organism, în stare activă, un timp oarecare. Absorbţia repetată a micilor doze din aceste substanţe şi eliminarea lor greoaie creează premisele atingerii pragului de concentraţie toxică la nivelul receptorilor sensibili. Este cazul metalelor (plumb, mercur, cadmiu), al fluorului, dar şi al anhidridei sulfuroase şi acidului sulfuric, susceptibile de a contribui la apariţia bronşitelor cronice;

c) inducţia proliferărilor maligne, care rezultă din expunerea la substanţe considerate cancerigene sau potenţial cancerigene. între aceste substanţe se numără substanţele aromatice: dimetil-amino-benzenul, dimetil-amino-stilbenul, benzo-pirenul (provenit mai ales de la motoarele diesel prost reglate) sau dietil-nitro-samina. Alături de aceste hidrocarburi, o acţiune similară pot declanşa derivaţii arsenului, cobaltului, zincului, plumbului şi cromului.

Trebuie remarcat că nu numai factorul concentraţie este esenţial pentru mediul ambiant, ci şi alte condiţii, printre care se amintesc cele meteorologice şi acţiunile sinergetice ale

Page 8: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

187

poluanţilor, la care se adaugă stările fiziologice şi variaţiile individuale de sensibilitate ale fiinţei umane.

În tabelele 1.1 şi 1.2 se fac unele precizări în legătură cu pragul de nocivitate al unor noxe întâlnite frecvent în compoziţia gazelor de ardere. Pragurile de nocivitate ale agenţilor chimici care poluează atmosfera sunt încă provizoriu stabilite, cunoştinţele în acest domeniu fiind în stadiu de dezvoltare. Incertitudinea, în ceea ce privesc efectele tardive asupra sănătăţii populaţiei expuse la poluanţi, impune ca cercetările în acest domeniu să se amplifice şi, pe baza lor, să se acţioneze pentru intensificarea combaterii poluării mediului ambiant, în totalitatea lui.

La ora actuală, în România, prin STAS 12574/87 [38], sunt stabilite condiţiile de calitate ale aerului atmosferic, astfel încât concentraţiile maxim admise ale poluanţilor să nu depăşească pragul de nocivitate şi să se protejeze populaţia, flora şi fauna din zona înconjurătoare centralelor termice şi nu numai împotriva efectelor nocive ale acestor substanţe [6].

În tabelul 1.3 [38] sunt prezentate normele sanitare admisibile pentru substanţele poluante specifice centralelor termoelectrice.

Tabelul 1.3 Normele sanitare (imisii) admisibile pentru substanţele poluante specifice centralelor termoelectrice {38}.

Concentraţia maximă admisă [mg/m3N] Substanţa poluantă

medie scurtă durată medie lungă durată 30 min zilnică anuală Dioxid de sulf 0,750 0,250 0,060 Dioxid de azot 0,300 0,100 - Pulberi în suspensie 0,500 0,150 0,075 Pulberi sedimentabile 17 g/m2 pe lună

La stabilirea concentraţiei maxim admise trebuie să se ţină cont de efectul sinergetic al SO2 şi NO2 cu pulberile în suspensie, prezente simultan în aer.

Ca urmare, concentraţia Ci, a substanţei poluante "i" în aer trebuie stabilită astfel încât să se respecte relaţia:

i=1

nCi

Ci max ≤ 1 (1.13)

în care: i = 1, 2,..., n;

Ci - concentraţia substanţei poluante i în aer;

Ci max - concentraţia maxim admisă pentru poluant.

Până nu demult, problema poluării mediului prin instalaţii de ardere se considera rezolvată dacă, prin dimensionarea corespunzătoare a înălţimii coşului de fum, se asigura o rază de răspândire a noxelor, astfel încât concentraţia acestora, la nivelul solului, să fie mai mică decât valoarea limită, admisă de legislaţia în vigoare.

Pornind de la această concepţie, Institutul de Studii şi Proiectări Energetice (ISPR) din România a elaborat actul normativ PE 229/84, care stabileşte metodologia de calcul pentru determinarea înălţimii coşurilor de fum, a concentraţiei de SO2 si de pulberi de cenuşă Astfel a fost posibilă determinarea, prin curbele de izopoluare, a zonelor afectate şi estimarea frecvenţei de apariţie a acestei concentraţii, în decursul unui an [26].

În prezent, acest mod de rezolvare se consideră necorespunzător, deoarece, din cantităţile enorme de noxe eliminate anual prin coşurile de fum, o parte se răspândeşte în jurul surselor

Page 9: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

188

de poluare, rămânând pe teritoriul ţării respective, dar o altă parte este purtată de curenţii aerieni şi de ape, peste graniţe. Calculele de evaluare a dispersiei noxelor (CO, SO2, NO*) în baza distribuţiei gaussiene prezentate în [26] şi [27] arată că, de multe ori, efectul cumulativ al mai multor surse generează depăşiri ale imisiilor la sol sau la anumite înălţimi, atât în apropierea surselor, cât şi la depărtare, chiar poluare trans-frontieră.

Şi într-un caz şi în celălalt, efectul poluant se amplifică în decursul timpului, mai ales pentru noxele persistente, ce formează aşa-numitele gaze sursă (generatoare de efecte nocive).

11.1.9 Supravegherea emisiilor Supravegherea emisiilor necesită aparate care să măsoare şi să înregistreze continuu şi/sau intermitent concentraţia noxelor în gazele de ardere.

Aparatele de măsură trebuie etalonate de instituţii competente, la intervale de 3 ani pentru CTE (centrale termoelectrice) având puteri mai mari de 300 MWe, respectiv la intervale de 5 ani, pentru celelalte.

Pentru supravegherea emisiilor la CTE cu puteri mai mari de 50 MWe sunt necesare aparate şi instalaţii care să poată măsura în gazele de ardere (fum) uscate (sau umede):

1. debitul (apă sau abur), în t/h; 2. emisia de praf, în mg/m3

N; 3. emisia de SO2, în mg/ m3

N; 4. emisia de NOx, în mg/ m3

N; 5. emisia de CO, în mg/ m3

N; 6. concentraţia de CO2, în %; 7. concentraţia de oxigen (O2)f, în %.

Pentru supravegherea emisiilor, se impune raportarea lor la concentraţii volumice de bază ale oxigenului în fum, OB, conform tabelului 1.10.

Tabelul 11.3 Tabelul 1.10 Valorile concentraţiilor oxigenului OB de referinţă pentru care au fost fixate limitele concentraţiei maxime a noxelor în gazele de ardere, înainte de a fi evacuate prin coşul de fum.

Tipul focarului OB [%]Focar cu grătar 7 Focar cu strat fluidizat 7 Focar cu praf de cărbune şi evacuarea cenuşii în stare solidă 6 Focar cu evacuarea cenuşii în stare lichidă 5 Focar pentru combustibil lichid 3 Focar pentru combustibil gazos 3

Recalcularea valorilor măsurate CM ale concentraţiei noxelor gazoase se face ţinându-se seama că etalonarea aparatelor s-a făcut pentru valoarea de referinţă de 0 °C, pe de o parte, dar şi de situaţiile când valorile măsurate ale concentraţiei oxigenului în gazele de ardere OM = (O2)f sunt diferite de cele indicate în tabelul 1.10, notate cu OB.

Relaţia de recurenţă este:

CB (raportată la OB) = 21 - OB

21 - OM CM (1.14)

în care: OM - valoarea măsurată a oxigenului în fum, în %; OB - valoarea de referinţă, conform tabelului 1.10, în %.

Recalcularea emisiilor sub formă de praf trebuie să ia în considerare, în afară de concentraţia de oxigen, şi temperatura de funcţionare la care s-au făcut măsurătorile, deoarece instalaţiile de determinare a concentraţiei de praf măsoară conţinutul de praf pentru 1 m3 de gaz, în condiţiile reale de funcţionare, şi nu în cele normale.

Page 10: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

189

Relaţia de calcul este.

CB = 21 - OB

21 - OM 273.15 + t

273.15 CM [mg/m3] (1.15)

în care: CM este valoarea măsurată a concentraţiei de praf în mg/m3N; t - temperatura la care

s-a măsurat concentraţia, în °C.

11.1.9.1 Exemplul de calcul 1 (pg 34) S-a măsurat concentraţia SO2 în gazele de ardere şi s-a obţinut CM = 1000 mg/m3, la o concentraţie OM a oxigenului de 8 %. Gazele de ardere provin din arderea cărbunelui în stare de praf, evacuarea cenuşii realizându-se în stare solidă.

Să se calculeze concentraţia raportată la conţinutul de oxigen de referinţă.

Rezolvare.

Concentraţia CB, raportată la conţinutul de referinţă al oxigenului în gazele de ardere OB = 6 %, este:

CB (raportată la 6 % O2) = 21 - OB

21 - OM CM =

21 - 621 - 8 1000 = 1154 mg/m3

11.1.9.2 Exemplul de calcul 2 Concentraţia de praf măsurată este CM = 30 mg/m3, cea de oxigen este OM = 8 %, iar temperatura în timpul măsurătorilor este de 160 °C. Care este concentraţia ce se raportează ?

Rezolvare

În urma recalculării, rezultă pentru arderea cărbunelui în stare de praf şi evacuarea cenuşii în stare solidă (OB = 6 %):

CB (raportată la 6 % O2 şi 0 °C) = 21 - 621 - 8

273.15 + 160273.15 30 = 54.89 mg/m3

N

11.1.10 Calculul emisiei de noxe Emisiile de noxe se exprimă uzual în concentraţie masică Cm [mg/m3, mg/m3

N] şi în concentraţie volumică Cv [ppm].

Având în vedere că 1 ppm = 1 cm3/m3, rezultă relaţia de transformare de la concentraţia volumică Cv [ppm] la concentraţia masică Cm [mg/m3

N]:

Cm = Cv MG

22.41383 [mg/m3N] (1.16)

în care:

MG este masa moleculară a gazului nociv, în kg/kmol;

22,41383 - volumul molar, în condiţii normale (0 °C, 1013 mbar), în m3/kmol.

în practica industrială, concentraţia masică Cm a unei noxe se exprimă în mod frecvent în mg/m3

N

Relaţia de legătură între cele două unităţi de măsură ale concentraţiei masice ppm şi mg/m3N

pentru diferite noxe, se exemplifică după cum urmează:

o pentru SO2:

Page 11: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

190

1 ppm NO2 = MNO2

22.41383 = 46.005522.41383 = 2.0525 mg/m3

N

o pentru NO2:

1 ppm SO2 = MSO2

22.41383 = 64.059

22.41383 = 2.858 mg/m3N

o pentru CO:

1 ppm CO = MCO

22.41383 = 28.02

22.41383 = 1.25 mg/m3N

Emisiile de noxe pot fi exprimate şi ca raport dintre masa noxei şi puterea calorifică inferioară a combustibilului.

Emisia K, raportată la puterea calorifică inferioară Hs a combustibilului, depinde de concentraţia masică Cm:

K = 10-6 Cm (Vgt)

Hii [kg/GJ] (1.17)

unde:

Hii - puterea calorifică inferioară, în GJ/kg sau GJ/m3

N;

(Vgt) - cantitatea de gaze totală pentru un anumit , în m3N/kg sau m3

N/m3N

Cm - concentraţia masică, în mg/m3N.

Emisia masică absolută se stabileşte cu una din relaţiile următoare:

în care Bef este debitul efectiv de combustibil, în kg/s sau m3N/s.

Pentru a păstra unitatea expresiei concentraţiilor noxelor pe bază de azot (Ci), se obişnuieşte transformarea acestora în concentraţie echivalată de NO2 (Ce NO2 i), care, apoi, se raportează

la conţinutul normat de oxigen OB în gazele de ardere, conform celor de mai sus (relaţia 1.14).

Relaţia de transformare este:

Ci/CeNO2 i = Mi/MNO2 (1.21)

De exemplu, concentraţia iniţială de NO (CNO) echivalată ca şi NO2 (CNO2), se calculează

astfel: CNO2 = (46/30)CNO

11.1.10.1 Exemplul de calcul 3 În cadrul unor măsurători experimentale vizând formarea oxizilor de azot în procesul de ardere, s-au făcut următoarele determinări: CNO = 391,4 ppm, CN2O = 3,6 ppm, CNO2

= 45,1

ppm, la temperatura de 27 °C şi un conţinut de 4 % O2.

Page 12: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

191

Să se exprime concentraţia totală echivalată în NO2, raportată la situaţia unui focar, ce funcţionează cu praf de cărbune şi evacuarea cenuşii în stare solidă, pentru zece temperaturi, în intervalul (0…1000) °C.

Rezolvare. Cantitatea totală echivalată (Cte) de NO2 se calculează prin sumarea a trei termeni corespunzători concentraţiei echivalate în NO2 pentru NO, N2O şi NO2.

Valoarea se referă la o concentraţie de 4 % O2 şi la o temperatură de 27 °C.

Cte = Ce NO + Ce N2O + Ce NO2 = 391,4(46/30) + 3,6(46/44) + 45,1=

= 600,147 + 3,764 + 45,1 = 649,011 ppm.

Apoi se aplică relaţiile (1.14) (1.15) şi (1.16), obţinându-se rezultatele din tabelul 1.11.

Tabelul 11.4 Tabelul 1.11 Tabel cu rezultatele numerice exemplul de calcul 3

Concentraţia de oxizi de azot echivalată în NO2Temperatura [K]

ppm la 4 % O2ppm la 6 % O2mg / m3N la 6 % O2

273 590,600 521,117 1069,592 300 649,011 572,656 1175,370 400 865,348 763,542 1567,170 500 1081,685 954,427 1958,961 600 1298,022 1145,314 2350,757 700 1514,359 1336,199 2742,548 800 1730,696 1527,084 3134,340 900 1947,033 1717,970 3526,133

1000 2163,370 1908,856 3917,926 1100 2379,707 2099,741 4309,718 1200 2596,044 2290,627 4701,512 1300 2812,381 2481,613 5093,300

11.1.11 Emisia de particule solide Cantitatea de particule emise de instalaţiile de ardere poate fi evaluată aproximativ, în calculele de proiectare, cu relaţia următoare [9], [10]:

în care:

D este gradul de reţinere al instalaţiei de desprăfuire, din tabelul 1.12;

Ai - conţinutul de cenuşă raportat la proba iniţială, în %;

q4 - pierderile relative de căldură datorate arderii incomplete, în %;

Hii - puterea calorifică inferioară, raportată la proba iniţială, în kJ/kg;

aantr - fracţia de cenuşă antrenată, conform tabelului 1.13;

B - consumul de combustibil solid, în kg/s.

Tabelul 11.5 Tabelul 1.12 Gradul de desprăfuire a instalaţiilor.

Tipul instalaţiei D

Cicloane inerţiale (tip NIIOGAZ) 0,60 - 0,70 Baterii de cicloane 0,70 - 0,80

Page 13: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

192

Scrubere umede (tip MP-VTI) 0,90 - 0,95 Electrofiltre 0,98 - 0,997

Tabelul 11.6 Tabelul 1.13 Fracţia de cenuşă antrenată de gaze.

Tipul instalaţiei de ardere aantr

cu alimentare manuală 0,12-0,20 Grătar plan fix

cu alimentare mecanică sau pneumatică 0,05-0,15 Grătar rulant cu alimentare mecanică sau pneumatică 0,07-0,15

cu evacuarea cenuşii în stare solidă 0,85 - 0,95 focar bicameral 0,50 - 0,70 cu ciclon vertical 0,20 - 0,40

Arderea cărbunelui în stare pulverizată cu evacuarea cenuşii în

stare lichidă cu ciclon orizontal 0,10-0,15

Concentraţia de noxe solide (cenuşă, funingine şi cocs zburător) pentru cazul arderii păcurii sulfuroase poate fi calculată cu următoarea relaţie experimentală [9]:

mPS = (1 - L)[f() + 840 Ai] [mg/m3N] (1.23)

în care:

L este gradul de depunere a antrenatelor din gazele de ardere pe suprafeţele schimbătoarelor de căldură, şi anume: 0,15 ... 0,30 la funcţionarea de durată, 0 în perioada de suflare a suprafeţelor;

f() - cantitatea de funingine şi de cocs zburător formată prin ardere, în mg/m3N,

conform figurii 1.1. Astfel debitul de noxe devine:

m•

PS = B(Vgt)c mps [mg/s] (1.24)

Page 14: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

193

Figura 11.1 1.1 Nomograma de calcul a emisiei de funingine f(), [9],

11.1.11.1 Exemplul de calcul 4. Să se determine debitul de noxe sub formă de cenuşă, funingine şi cocs zburător pentru păcura cu compoziţia: Ci = 84,6 %, Hi = 9,4 % Sc

i = 3,35 %, Ni = 0,2 %, Oi = 1,3 %, Wi = 0,85 % şi Ai = 0,3 %, dacă se cunosc consumul de combustibil B = 714 kg/h, coeficientul excesului de aer = 1,07 şi cantitatea de gaze uscate (Vgu)f

= 10,26 m3N/kg.

Rezolvare. Pentru perioada de suflare a suprafeţelor de încălzit L = 0 şi, ca atare, cantitatea, respectiv debitul de noxe sunt:

mPS = (1 - L)[f() + 840 Ai] = 259 [mg/m3N] (1.23)

m•

PS = B(Vgt)c mps = (714/3600) 10,26 259 = 527,039 mg/s = 0,527039 g/s = 1,897 kg/h

Observaţie: în cazul unei funcţionari de durată (L = 0,2) debitul scade corespunzător la (1 -

L) m•

PS = 0,8 m•

PS

11.1.11.2 Exemplul de calcul 5 În focarul unui cazan de abur având parametrii nominali Dn = 27,8 kg/s, la pn = 14,7 bar şi ts = 250 °C, se ard B= 12.74 kg/s cărbune de Caransebeş, având conţinutul de cenuşă Ai = 40,8 % şi puterea calorifică Hi

i = 5800 kJ/kg.

Să se determine debitul de particule emise în mediul ambiant prin coşul de fum, dacă pierderea relativă de căldură datorată arderii incomplete q4 = 4,2 %, evacuarea cenuşii se face în stare pulverizată, iar desprăfuirea gazelor de ardere se realizează cu ajutorul unui electrofiltru.

Page 15: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

194

Rezolvare. Debitul de particule emise este:

11.1.12 Emisia de oxizi de sulf Cea mai mare parte a sulfului conţinut în combustibil, şi anume peste 95 %, se transformă în SO2, iar restul, de sub 5 %, dă naştere la SO3. Calculul emisiilor produse, în echivalent SO2, se poate efectua cu relaţia [9]:

m•

SO2 = 20 Sc

iB(1 - ')(1 - ") [g/s] (1.25)

în care:

Sci este conţinutul în sulf al combustibilului, în %;

' - fracţia de oxizi de sulf, eliminată în instalaţia de desprăfuire, conform tabelului 1.14;

" - fracţia de oxizi de sulf absorbită în particulele fine de cenuşă zburătoare, evacuată împreună cu aceasta, conform tabelului 1.15.

Tabelul 11.7 Tabelul 1.14 Fracţia de oxizi de sulf, eliminată în instalaţia de desprăfuire

Tipul instalaţiei de desprăfuire ' Instalaţie de desprăfuire uscată (cicloane, electrofiltre) 0 Instalaţie de desprăfuire umedă: scrubere cu apă neutră scrubere cu apă alcalină (5-10 mg. echiv/l)

0,015

0,02 - 0,03

Tabelul 11.8 Tabelul 1.15 Fracţia de oxizi de sulf reţinută de cenuşa zburătoare

Combustibil " Şisturi 0,15-0,50 Cărbuni 0,10 - 0,20 Combustibili lichizi (păcură) 0,02

11.1.12.1 Exemplul de calcul 6 Cazanul de 420 t/h, p = 140 bar şi ts = 540 °C are un consum de B = 26400 kg/h păcură cu un conţinut de sulf Sic = 3,8 %. Instalaţia de cazane fiind prevăzută cu un scruber cu apă alcalină, să se determine debitul orar al emisiilor de SOx echivalat ca SO2.

Rezolvare. Debitul căutat este:

m•

SO2 = 20 Sc

iB(1 - ')(1 - ") = 203.826400/3600(1 - 0.025)(1 - 0.02) = 532.532 [g/s]= 1917.1 kg/h

11.1.13 Emisia de oxizi de azot

11.1.13.1 1.6.3.1. Cazul combustibililor lichizi şi gazoşi Pentru instalaţiile de ardere, care funcţionează cu combustibili lichizi sau gazoşi, debitul de NO* se poate determina cu relaţia [9]:

Page 16: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

195

m•

NO2 = 0,034 1 k B Hi

i(1 - 0,01 q4)(1 - 2r) 3 [g NO2/s] (1.26)

în care: Hi

i este puterea calorifică inferioară, în MJ/kg; 1 - coeficient dependent de natura combustibilului conform tabelului 1.16; 2 - coeficient care ţine seama de influenţa recirculării gazelor de ardere, conform tabelului 1.17; r - gradul de recirculare ales în intervalul (0 - 0,25); 3 - coeficient care ţine seama de influenţa tipului de arzător, conform tabelului 1.18; k - coeficient de sarcină, conform tabelului 1.19.

Tabelul 11.9 Tabelul 1.16 Valorile coeficientului 1 [9],

Combustibilul sau tipul de generator 1

Gaze naturale 0,85

Combustibil lichid cu f > 1,05 0,80

Generatoare de apă fierbinte 1,00

Tabelul 11.10 Tabelul 1.17 Valorile coeficientului 2 [9].

Modul de injectare a gazelor recirculate 2

Prin vatra focarului, la dispunerea arzătoarelor pe pereţii verticali ai focarului

0,002

Prin fante dispuse sub ambrazuri 0,015

Prin canalul periferic al arzătoarelor 0,020

Prin conductele de aer 0,025

Prin jeturi secante cu jeturile flăcării 0,030

Tabelul 11.11 Tabelul 1.18 Valorile coeficientului 3 [9].

Tipul de arzător 3

Arzător turbionar 1,00 Arzător laminar (fantă) 0.85

Tabelul 11.12 Tabelul 1.19 Relaţii de calcul ale coeficientului de sarcină k [9].

Tipul generatorului Debitul sau puterea nominală Relaţia de calcul a coeficientului de sarcină k

Generator de abur Dn > 70 t/h Dn ≤ 70 t/h

k = (12D)/(200 + Dn) k = 3,5 D/70

Generator de apă fierbinte - k = 2,5Q/ (23,272 + Qn)

Observaţie. Notaţiile D, Dn, Q şi Qn reprezintă debitul respectiv sarcina curentă şi nominală, în t/h respectiv MW.

Page 17: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

196

11.1.13.2 Exemplul de calcul 7. Generatorul de abur cu străbatere forţată Benson-Vulcan, având parametrii Dn = 1035 t/h, pn = 19,1 MPa şi ts = 540 °C, are un consum B = 73000 kg/h de păcură cu puterea calorifică Hi

i = 39,5 MJ/kg.

Să se determine debitul de NOx şi concentraţia acestuia în gazele de ardere, cunoscându-se că pentru (O2)f = 3 % corespunde Vgt = 11,1 m3

N/kg, iar cazanul funcţionează la sarcina nominală. Se va considera situaţia: q4 = 0, r = 0, f > 1,05 şi arzător turbionar.

Rezolvare. Coeficientul de sarcină pentru generatoare de abur cu Dn > 70 t/h se calculează cu ajutorul relaţiei indicate în tabelul 1.19:

k = 12D/(200 + Dn) = 121035/(200 + 1035) =10,05668.

Debitul orar de NOx, exprimat în mod convenţional în kg NO2/h, rezultă:

m•

NO2 = 0,034 1 k B Hi

i (1 - 0,01 q4)(1 - 2r) 3 =

= 0,0340,810,0566873000/360039.5111 = 219,1 g/s = 788 kg/h

Concentraţia de NOx (echivalată în NO2) în gazele de ardere este:

CNO2 =

m•

NO2

BVgu =

219.1103

73600/360011.1 = 973,4 mg/ m3

N = 474,25 ppm.

11.1.13.3 Exemplul de calcul 8. Să se determine concentraţia NO2 În gazele de ardere provenite de la un cazan CR 16 cu Dn = 10 t/h, care are consumul de păcură la sarcina nominală B = 756 kg/h.

Se vor considera următoarele date iniţiale: puterea calorifică inferioară Hii = 39,5 MJ/kg,

pierderea relativă q4 = 0, gradul de recirculare a gazelor r = 0, conţinutul de oxigen (O2)f = 3 % şi Vgt = 11,1 m3

N/kg, f = 1,05.

Rezolvare. Concentraţia căutată este:

CNO2 = 0,034 1 k Hi

i 3/ Vgt = 0,034 • 0,8 • 3,5 •10/70 39,5 • 1/11 = 48,39 mg/m

Observaţie. Dacă se compară rezultatele obţinute din ultimele două exemple de calcul, se constată că ele diferă foarte mult, deşi s-au considerat aceleaşi date iniţiale (acelaşi combustibil, aceleaşi arzătoare turbionare şi acelaşi coeficient al excesului de aer ).

De altfel, comparând valorile concentraţiei de NO2, obţinute în cazul exemplelor de calcul (7 şi 8) de mai sus, cu cele precizate în [8] şi [11], rezultă că formula empirică (1.26), folosită în aceste cazuri şi preluată din [9], nu este aplicabilă decât în cazul generatoarelor de abur mari şi foarte mari, în care se arde păcură, fără să se ia măsuri speciale de frânare a fenomenelor generatoare de NOx.

Pentru condiţii normale de funcţionare ale unui cazan, conţinutul maxim de NOx, echivalat în NO2, care apare la arderea gazului natural, poate fi calculat cu relaţiile [19]:

- pentru intervalul de temperaturi 1000…1300 °C:

CNO2 = 10 + 429510-4(t - 1000)1.834 [mg/ m3

N]

- pentru intervalul de temperaturi 1300…1500 °C:

CNO2 = 25 + 154210-4(t - 1300)2.406 [mg/ m3

N]

- pentru intervalul de temperaturi 1500…1800 °C:

Page 18: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

197

CNO2 = 78 + 0.103110-4(t - 1500)1.5267 [mg/ m3

N]

în care t reprezintă temperatura teoretică de ardere, în °C.

În cazul arderii cu aer atmosferic a gazului natural cu un coeficient al excesului de aer = 1,1, se obţine t = 1876 °C şi CNO2

= 959 mg/m3N, iar pentru = 1,15, se obţine t = 1789 °C şi

CNO2 = 667,4 mg/m3

N.

11.1.13.4 1.6.3.2. Cazul combustibililor solizi În cazul arderii combustibililor solizi în stare pulverizată, emisia de oxizi de azot poate fi estimată, folosind metoda VTI - NPOTKTI [9],

în conformitate cu această metodă, emisia totală de oxizi de azot se compune din suma a doi termeni:

KNO2 = KT

NO2 + KC

NO2 [kg/GJ] (1.27)

în care:

KTNO2

- emisia de NOx generat de azotul din combustibil, în kg/GJ.

KCNO2

- emisia de NOx termic, în kg/GJ;

Emisia de oxizi de azot termici, proveniţi din oxidarea azotului din aerul necesar arderii la temperaturi ridicate (practic peste 1500 °C), se poate estima din relaţia:

KNO2T = 0.451016

exp

-

64500Tfl

f - 1f

Tfl [kg/GJ] (1.28)

în care: Tfl este temperatura flăcării, în K; f - coeficientul excesului de aer în focar. Temperatura flăcării se stabileşte din relaţia:

Tfl = 0,925 TgtTg0 [K] (1.29)

în care: Tgt şi Tg0 sunt temperaturile teoretică şi respectiv la ieşirea din camera de ardere a gazelor, în K.

Coeficientul excesului de aer este:

f = p + f [-] (1.30)

unde: p este coeficientul excesului de aer introdus organizat în focar, f - infiltraţia de aer fals în focar,

În baza relaţiei (1.28) s-a trasat nomograma prezentată în figura 1.2.

Emisia de oxizi de azot, proveniţi din azotul existent în combustibil, se poate stabili din relaţia:

KNO2c = 0.7 XNprw [kg/Gj]

(1.31)

în care: XN = 10Ni/Hii este conţinutul

de azot raportat, în kg/GJ;

Figura 11.2 FIG. 1.2. Emisia de oxizi termici [9],

Page 19: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

198

Ni - participarea masică a azotului în combustibil, în %;

, p, r, , w - factori de influenţă, calculabili cu relaţiile empirice din tabelul 1.21.

Notaţiile cuprinse în tabelul 1.21 au următoarea semnificaţie:

i este coeficientul excesului de aer în arzătoare;

p - proporţia de aer primar în arzătoare;

r - gradul de recirculare a gazelor;

kw = w2/w1 raportul vitezelor aerului secundar (w2) şi amestecului de aer primar cu praful de cărbune (w1);

Hii - puterea calorifică inferioară, în MJ/kg.

Debitul de oxizi de azot emis este:

m•

NOx = 10-3BcHi

i KNO2 [kg/s] (1.32)

unde: Bc este consumul efectiv de combustibil, în kg/s;

Hii - puterea calorifică inferioară, în MJ/kg;

KNO2- emisia totală de oxizi de azot, în kg/GJ.

Tabelul 11.13 Tabelul 1.21 Formule de calcul pentru factorii de influenţă.

Denumire Tip arzător Formula de calcul

Arzător turbionar = (0,35i + 0,4)2 Coeficientul de influenţă a excesului de aer Arzător tip fantă = (0,53i + 0,12)2

Coeficient de influenţă a proporţiei de aer primar p = 1,73 p +0,48

Coeficient de influenţă a gradului de recirculare r = 1 - 0,016 r

Coeficient de influenţă a temperaturii flăcării = 0,11

3Tfl - 1100

Arzător turbionar w = 0,4 kw2 + 0,32 Coeficientul de influenţă a

amestecării jeturilor Arzător tip fantă w = 0,98 kw - 0,47

Concentraţia masică este:

CNO2 =

103 KNO2 Hi

i

(Vgt)c

[mg/m3N] (1.33)

unde: (Vgt)c reprezintă, în m3

N/kg, cantitatea totală a gazelor de ardere pentru coeficientul

excesului de aer c.

Emisia de oxizi de azot, proveniţi din azotul existent în combustibil, se poate stabili şi cu nomogramele din figura 1.3 pentru arzătoarele de tip fantă, respectiv din figura 1.4, pentru cele turbionare.

11.1.13.5 Exemplul de calcul 9 În focarul cazanului având parametrii Dn = 420 t/h, pn = 137 bar şi ts = 550 °C se ard în stare pulverizată B = 37,2 kg/s lignit de Voivozi, având Hi

i = 8757 kJ/kg şi un conţinut de azot N' = 0,5 %. Cazanul este înzestrat cu 6 arzătoare tip fantă, caracterizate printr-un raport al vitezelor de insuflare kw = w2/w1 = 2,4, proporţia de aer primar p = 0,2 şi coeficientul

Page 20: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

199

excesului de aer în arzătoare i = 1,2. Din calculul termic au rezultat, pentru un grad de recirculare r = 0, temperatura teoretică Tgt = 1873 K şi temperatura gazelor de ardere la ieşirea din focar Tg0 = 1273 K.

Să se determine debitul de oxizi de azot şi concentraţia acestora în gazele de ardere evacuate pe coşul de fum, dacă excesul de aer este c = 1,4, iar volumul total de gaze arse (Vgt)c

= 4,56 m3N/kg.

Rezolvare: Azotul raportat este:

XN = 10Ni/Hii = 10 0,5/8,757 = 0,57 kg/GJ,

iar temperatura flăcării rezultă

Tfl = 0,925 TgtTg0 = 0,925 18431273 = 1417 K

Cu aceste date, din figurile 2 şi 3 rezultă:

KTNO2

= 0, KCNO2

= 0,27 kg/GJ, KNO2 = KT

NO2 + KC

NO2 = 0 + 0,27 = 0,27 kg/GJ.

Debitul emis de oxizi de azot este:

m•

NOx = 10-3BcHi

i KNO2 = 10-3 37,2 8,757 0,27 = 87.955 10-3 kg/s.

Concentraţia masică se calculează astfel:

CNO2 = 103 KNO2

Hii / (Vgt)c

= 103 0,27 8,757/4,56 = 518 mg/m3N

Page 21: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Surse de poluare [17]

200

Figura 11.3 FIG. 1.3. Emisia de oxizi de azot proveniţi din azotul din combustibil, pentru arzătoarele de tip fantă [9].

Page 22: 11 Surse de poluare [17] - tmt.ugal.ro · PDF filecauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei şi solului, supraexploatarea resurselor, gospodărirea şi valorificarea lor

Noxele produse în instalaţiile de ardere şi efectele lor poluante [26, 1]

201

Figura 11.4 FIG. 1.4. Emisia de oxizi de azot proveniţi din azotul existent în combustibil, pentru arzătoarele turbionare [9].

11.1.13.6 Exemplul de calcul 10 Într-un focar cu evacuarea cenuşii în stare lichidă se arde huilă cu un conţinut de azot Ni = 1 %, având puterea calorifică inferioară Hi

i = 22,5 MJ/kg. Pentru un grad de recirculare r = 0 şi excesul de aer la coş de c = f se apreciază tgt = 1723 °C, tg0 = 1523 °C, p = 0,35, (Vgt)c

=

6,75 m3N/kg şi kw = 1,8. Care este concentraţia masică de NO2 în gazele de ardere ?

Rezolvare.

CNO2 =

103 KNO2 Hi

i

(Vgt)c

= 103 0,27 8,757/4,56 = 518 mg/m3N (1.33)

11.1.13.7 Exemplul de calcul 11 Într-un focar cu evacuarea cenuşii în stare lichidă se arde huilă cu un conţinut de azot Ni = 1 %, având puterea calorifică inferioară Hi

i = 22,5 MJ/kg. Pentru un grad de recirculare r = 0 şi excesul de aer la coş de c = f se apreciază tgt = 1723 °C, tg0 = 1523 °C, p = 0,35, (Vgt)c

= 6,75 m3

N/kg şi kw = 1,8. Care este concentraţia masică de NO2 în gazele de ardere ?