Niska emisja – związki toksyczne w smogu

W okresie letnim zjawisko smogu w powietrzu jest pomijalnie małe, ale jest to najlepszy okres do podjęcia skutecznych działań mających na celu jego likwidację lub ograniczenie w okresie jesienno-zimowym. Dlatego też warto zwrócić uwagę na zagrożenia związkami toksycznymi, jakie znajdują się w smogu.

Jak wiadomo, w okresie jesienno-zimowym w Polsce występuje zjawisko wysokich stężeń pyłu zawieszonego w powietrzu (smog). Zjawisko to jest głównie wynikiem spalania paliw stałych przez użytkowników domowych oraz paliw ciekłych w transporcie. Jest to zjawisko atmosferyczne powstające w wyniku zarówno emisji pyłów, jak i zanieczyszczeń gazowych do powietrza. Smog powstaje w określonych warunkach meteorologicznych, takich jak cisza wiatrowa, silna inwersja termiczna, zamglenie czy średnia dobowa temperatura powietrza poniżej 5˚C. Smog utożsamiany jest powszechnie z wysokim stężeniem w powietrzu pyłów zawieszonych PM10 oraz PM2,5, czyli pyłów o średnicy aerodynamicznej mniejszej odpowiednio od 10 µm i 2,5 µm.

Dopuszczalny dzienny poziom pyłu PM10 w powietrzu obliczany jest jako średnia dobowa i wynosi w Polsce 50 μg/m3, natomiast dopuszczalne roczne stężenie pyłu PM10, wyrażone jako średnia roczna, wynosi 40 μg/m3. Wartość progowa wymagająca informowania społeczeństwo o wystąpieniu przekroczenia stężenia pyłu PM10 wynosi 200 μg/m3, a poziom alarmowy 300 μg/m3 (wartości średnie dobowe). Dla porównania dopuszczalne stężenie pyłu PM2,5 wynosi 25 μg/m3 (wartość średnia roczna).

Wpływ na człowieka

Jak wiadomo, występowanie smogu ma negatywny wpływ na zdrowie człowieka, w tym powoduje choroby układu oddechowego i naczyniowo-krwionośnego. Narażenie na wysokie stężenia pyłów zawieszonych może powodować wystąpienie objawów chorobowych u ludzi. Ponadto należy wspomnieć, że występowaniu smogu towarzyszą również inne szkodliwe zanieczyszczenia atmosfery, takie jak tlenki azotu, tlenek węgla, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, a także pierwiastki toksyczne, w znacznych ilościach zaadsorbowane na powierzchni wspomnianych pyłów.

Problem smogu w Polsce

Do najważniejszych przyczyn powstawiania smogu zalicza się procesy spalania paliw stałych, w tym węgla i biomasy, oraz transport samochodowy. W Polsce przekroczenia dopuszczalnych poziomów stężenia pyłu zawieszonego mają najczęściej miejsce w miastach i aglomeracjach położonych w południowej i środkowej Polsce, tj. aglomeracji: górnośląskiej, krakowskiej, rybnicko-jastrzębskiej i łódzkiej – tabela 1.

Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Talach238tab1

W przypadku spalania węgla pyły mogą być emitowane do atmosfery zarówno przez elektrownie zawodowe, jak i sektor komunalno-bytowy (tzw. niska emisja). Chociaż roczne zużycie węgla kamiennego przez użytkowników indywidualnych stanowi jedynie 14% krajowego zużycia (około 10 mln ton), to sektor ten odpowiada za blisko 50% emisji pyłów do atmosfery. Jest to spowodowane rozproszonymi źródłami emisji oraz brakiem oczyszczania spalin w tym sektorze.

Charakterystyka składników toksycznych

Wszystkie składniki smogu w sposób negatywny wpływają na zdrowie człowieka. Główne składniki smogu, tj. pyły zawieszone (PM10 i PM2,5), powodują choroby układu oddechowego i naczyniowo-krwionośnego. Nie tylko wymiary aerodynamiczne pyłów są szkodliwe, ale również zaadsorbowane na ich powierzchni substancje, tj. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i pierwiastki toksyczne. Na rys. 1 w sposób poglądowy przedstawiono cząstkę sadzy, która jest jednym z podstawowych składników smogu. WWA mają właściwości mutagenne i kancerogenne.

Niska emisja - Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Talach238-1

Z kolei pierwiastki toksyczne w sposób zróżnicowany oddziałują na zdrowie człowieka (tabela 2), a do najbardziej niekorzystnych skutków ich działania należy zaliczyć kancerogenność oraz negatywny wpływ na rozwój płodu.

Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Talach238tab2

Towarzyszące występowaniu smogu składniki gazowe potęgują jego niekorzystne działanie. Tlenki azotu (NOx) powodują podrażnienie dróg oddechowych, zwiększają podatność na infekcje, zaostrzają objawy astmatyczne oraz podrażniają spojówki. Ditlenek siarki (SO2) wywołuje podrażnienie górnych dróg oddechowych, spojówek i skóry. Tlenek węgla (CO), który wykazuje wysokie powinowactwo do hemoglobiny, wpływa na niedotlenienie narządów wewnętrznych.

Pierwiastki toksyczne z węgla

Jak już wspominano, procesy spalania węgla kamiennego przez użytkowników domowych są źródłem znaczącej emisji pierwiastków toksycznych do środowiska. W tabeli 3 przedstawiono zawartości wybranych pierwiastków toksycznych w polskim węglu kamiennym stosowanym do celów energetycznych oraz ich emisję do środowiska w Polsce powstającą w procesach spalania poza przemysłem, głównie przez użytkowników domowych.

Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Talach238tab3

W procesie spalania węgla pierwiastki toksyczne w nim zawarte częściowo uwalniają się, przechodząc do spalin, a częściowo pozostają w popiele. W spalinach pierwiastki toksyczne podlegają pewnym przemianom (rys. 2), w efekcie których w spalinach występują one w dwóch głównych formach: gazowej i zaadsorbowanej na powierzchni pyłów. Zarówno forma zaadsorbowana na pyłach, jak i forma gazowa stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka.

Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Rys.2

Niebezpieczne cząstki stałe

W przypadku palenisk domowych szczególnie wysoka zawartość pierwiastków toksycznych występuje w stałych cząstkach produktów spalania o najmniejszych wymiarach, tj. cząstkach częściowo emitowanych do atmosfery (pył zawieszony), a częściowo w cząstkach gromadzących się na powierzchni wewnętrznej przewodów kominowych w postaci sadzy. Badania sadzy pobranej z komina domu ogrzewanego kotłem zasilanym węglem kamiennym (ekogroszkiem) zostały przeprowadzone w AGH Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na Wydziale Energetyki i Paliw. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 4.

Zwiazki_toksyczne_w_smogu_Talach238tab4

W celu zobrazowania skali problemu zawartość pierwiastków toksycznych w sadzy odniesiono do średniej zawartości danego pierwiastka w skałach osadowych. W ten sposób wyznaczono współczynnik, który charakteryzuje poziom zawartości danego pierwiastka w sadzy w stosunku do środowiska naturalnego.

Na podstawie przedstawionych wyników można stwierdzić, że w sadzy kumulują się wysokie zawartości pierwiastków toksycznych, które przekraczają od kilku do nawet kilkuset razy zawartość tych pierwiastków w otaczającym nas środowisku (od 5 do aż 214 razy). Sadza jest jednym z głównych elementów tworzących smog, a więc jej emisja w sposób bezpośredni oddziałuje na zdrowie człowieka. Badana próbka sadzy stanowiła produkt spalania wysokiej jakości węgla w formie ekogroszku. W przypadku spalania gorszej jakości węgla zawartość pierwiastków toksycznych w sadzy będzie zapewne jeszcze wyższa.

Należy zaznaczyć, że sadza pobrana z komina charakteryzowała się dość długim czasem przebywania w nim, a tym samym długim czasem jej kontaktu z przepływającymi spalinami i zawartymi w nich pierwiastkami toksycznymi. Efektem tego jest znacząca ilość pierwiastków w niej zaadsorbowanych. Emitowane do atmosfery pyły krócej kontaktują się ze spalinami, jednak ze względu na silną zdolność do adsorbowania pierwiastków toksycznych, co wykazały przeprowadzone badania, ich zawartość również może być znacząca.

Zapobieganie emisji

Istnieje możliwość usunięcia pewnej ilości pierwiastków toksycznych z węgla kamiennego przed jego spaleniem, przy wykorzystaniu operacji wzbogacania. Proces wzbogacania pozwala dodatkowo na poprawę jakości węgla, tj. obniżenie zawartości popiołu i zwiększenie kaloryczności. Przyczynia się zatem do zmniejszenia jednostkowego zużycia węgla, a tym samym zmniejszenia jednostkowej emisji pyłów i pierwiastków toksycznych. Należy jednak zaznaczyć, że skuteczność usuwania pierwiastków toksycznych z węgla jest dość zróżnicowana (od 8 do 96%) i zależy od właściwości węgla, rodzaju pierwiastka i użytej metody.

Innym sposobem ograniczenia emisji jest stosowanie nowoczesnych kotłów (klasa 5). Urządzenia te charakteryzują się wyższą sprawnością cieplną, co sprzyja zmniejszeniu jednostkowego zużycia paliwa i zmniejszeniu emisji. Dodatkowo kotły te mogą być wyposażone w układ dopalania cząstek unoszonego z powietrzem paliwa i przez to pozwala uzyskać relatywnie niskie wartości emisji pyłów. Należy jednak wspomnieć, że spełnienie wymagań określonych dla klasy 5 kotłów grzewczych jest możliwe pod warunkiem stosowania odpowiednich typów paliwa stałego, tj. peletów oraz wysokiej jakości kwalifikowanych sortymentów węglowych (np. ekogroszek). W przypadku stosowania paliw gorszej jakości konieczne jest zastosowanie urządzeń odpylających. Wśród dostępnych na polskim rynku tego typu urządzeń znajdują się elektrofiltry kominowe, których skuteczność odpylania wynosi od 60 do 90%.

Należy również wspomnieć o pozytywnych efektach ograniczenia emisji na drodze zmiany technologii ogrzewania. W zależności od uwarunkowań lokalnych wykorzystane mogą być: ciepło systemowe, kotły gazowe, pompy ciepła, instalacje solarne, energia geotermalna itd. Ograniczeniu emisji zanieczyszczeń sprzyja także termomodernizacja budynków, która powoduje zmniejszenie jednostkowego użycia węgla, a tym samym zmniejszenie emisji pyłów i pierwiastków toksycznych do atmosfery.

Podsumowanie

Podczas spalania węgla kamiennego w paleniskach domowych występuje emisja toksycznych pierwiastków, które zaadsorbowane na pyłach są jednym z elementów tworzących smog. Należy podkreślić, że nie ma prostych metod eliminacji emisji tych pierwiastków z domowych kotłów grzewczych. Prowadzone są prace badawcze i rozwojowe nad nową generacją kotłów klasy 5 oraz prace nad konstrukcją elektrofiltrów domowych. Prototypowa seria elektrofiltrów domowych znalazła już zastosowanie praktyczne, niestety tylko na niewielką skalę. Perspektywicznym rozwiązaniem może być usuwanie pierwiastków toksycznych z węgla przed jego spaleniem w instalacjach jego wzbogacania. Działania te nie wyeliminują jednak całkowicie emisji pyłów i pierwiastków toksycznych (tzw. smogu) do atmosfery. W zależności od uwarunkowań lokalnych należy rozważyć szersze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, a także większe wykorzystanie paliw gazowych dla celów grzewczych w gospodarce komunalnej mniejszych miejscowości, a w dużych aglomeracjach miejskich także wprowadzenie ciepła systemowego.

Zbigniew A. Tałach, SNTIiTPNiG

Tadeusz Dziok, AGH w Krakowie

Literatura:

  1. Burmistrz P., Czepirski L., Kogut K., Strugała A., Szczurowski J., 2012: „Reduction of mercury emission during the processing of coal”, “Development of coal, biomass and wastes gasification technologies with particular interest in chemical sequestration of CO2”, AKNET, Kraków, 151-166.
  2. Dziok T. 2018: „Metoda obniżania zawartości rtęci w węglu kamiennym”, „Przemysł Chemiczny” 97(1): 94-100.
  3. Dziok T., Tałach Z., Wierońska F., 2018: „Zanieczyszczenie powietrza pierwiastkami toksycznymi w wyniku spalania węgla – smog i ich oddziaływanie na zdrowie człowieka”, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” 92(4): 127-131.
  4. GIOŚ – Główny Inspektorat Ochrony Środowiska, 2017: „Stan środowiska w Polsce. Sygnały 2016”, „Biblioteka Monitoringu Środowiska”, Warszawa.
  5. GUS – Główny Urząd Statystyczny, 2017, „Zużycie paliw i nośników energii w 2016 r.”, Warszawa.
  6. KOBiZE (Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami), 2018: „Krajowy bilans emisji SO2, NOX, CO, NH3, NMLZO, pyłów, metali ciężkich i TZO za lata 2015-2016 w układzie klasyfikacji SNAP – raport syntetyczny”, Warszawa.
  7. Kubica K., 2013: „Instalacje spalania małej mocy na paliwa stałe – węgiel, biomasę. Możliwości wykorzystania SCIs w ramach Programu Priorytetowego nt. Likwidacja niskiej emisji poprzez wzrost efektywności energetycznej i rozwój odnawialnych źródeł energii oraz dalszych prac nad Krajowym Programem Ochrony Powietrza”, Platforma Producentów Urządzeń Grzewczych na Paliwa Stałe, Polska Izba Ekologii, Katowice.
  8. Makowska D., Wierońska F., Dziok T., Strugała A., 2017: „Emisja pierwiastków ekotoksycznych z procesów spalania paliw stałych w świetle regulacji prawnych”, „Polityka Energetyczna” 20(4): 89-102.
  9. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze, część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
  10. WHO, 1996, “Trace elements in human nutrition and health”, Geneva.
Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij