HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK

KÖRNYEZETI HATÁSAI

Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére

Dr. Bajnóczy Gáboregyetemi docens

Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki TanszékVegyész- és Biomérnöki KarBudapesti Műszaki Egyetem

2012

KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIAVegyészmérnök B.Sc. hallgatók részére

KÖRNYEZETI KÉMIAKörnyezetmérnök B.Sc. hallgatók részére

Biomérnök M.Sc. hallgatók részére

5. SZÉNHIDROGÉNEKFOTOKÉMIAI OXIDÁNSOK

AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,

KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK !

INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSELFELTENNI TILOS !

SZÉNHIDROGÉNESZÉNHIDROGÉNEK, FOTOKÉMIAI K, FOTOKÉMIAI

OXIDÁNSOK OXIDÁNSOK

Szerzők: Dr. Bajnóczy Gábor

Kiss Bernadett

Szénhidrogének: elsődleges légszennyezők

(telített és telítetlen alifások,

terpének, mono és polikondenzált aromás szénhidrogének)

Fotokémiai oxidánsok: másodlagos légszennyezők, az elsődleges

légszennyezőkből keletkeznek pl.: peroxi-acil-nitrátok, ózon

SzénhidrogénekSzénhidrogének 1-4 szénatomszámú:

troposzférikus körülmények között gáz halmazállapotú

4< szénatomszámú: gőz halmazállapotban gőznyomásuk függvényében, de folyadék vagy szilárd részecskeként szintén alkotói vagy szennyezői lehetnek az atmoszférának.

A telítetlen szénhidrogének kémiai szempontból sokkal aktívabbak az atmoszférában, mivel számos fotokémiai reakciókban vehetnek részt.

Szénhidrogének Los Angelesváros levegőjében (1965)

Szénhidrogén KépletKoncentráció

(ppm)

metán CH4 3,22

toluol C7H8 0,05

n-bután C4H10 0,06

i-pentán C5H12 0,04

etán C2H6 0,1

benzol C6H6 0,03

n-pentán C5H12 0,03

propán C3H8 0,05

etilén C2H4 0,06

TerpénekTerpének Troposzférában jelentős mennyiség Oxigéntartalmú csoportokat is tartalmazhatnak

(hidroxil, aldehid, keto) Alapegysége: izoprén molekula CH2=C(CH3)-CH=CH2 Általános képlet: (C5H8)n Osztályozás: az izoprén egységek alapján Monoterpének: mindegyik két egység izoprént

tartalmaz pl. pinén, citral, kámfor, mentol, limonén.

A szénhidrogének jelölésére a (CH)xtovábbá a VOC rövidítést (volatile organic hydrocarbons)

használjuk.

Policiklusos aromás Policiklusos aromás szénhidrogénekszénhidrogének

PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) Két vagy több kondenzált benzolgyűrűt tartalmaznak Néhányuk rákkeltő → egyik legerősebb a benz[a]pyrén,

rövidítése BaPGőznyomásuk alapján az atmoszférában előforduló policiklusos aromás szénhidrogének

Megnevezés Oldhatóság 25 oC vízben

[μg/dm3]

Gőznyomás 25 oC -on [Hgmm]

Rákkeltő hatás

Szerkezeti képlet

Naftalin 12500 1.8x 10-2 Nincs

Antracén 59 2.4x 10-4 Nincs

Fenantrén 435 6,8x10-4 Nincs

Pirén 133 6,9x10-7 Nincs

Benz[a]anthracén 11,0 1,1x10-7 Van

Benzo[a]pirén 3,8 5,5x10-9 Erős

Benzo[e]pirén 2,4 5,5x10-9 Nincs

Benzo[g,h,i]perilén 0,3 1,0x10-10 Nincs

Koronén 0,14 1,5x10-11 Nincs

Első három: festék-, gyógyszer-, növényvédőszer-ipari alapanyagok

Többi: fa, kőszén, földgáz és kőolajszármazékok égésekor képződik és a füstgázzal kerül az atmoszférába

Atmoszférában: kondenzált részecskeként vagy más részecskéhez pl. koromhoz tapad

Az atmoszférában kondenzált részecskeként vagy részecskén adszorbeálódva található policiklusos aromás szénhidrogének

megnevezés Oldhatóság 25 oC vízben

[μg/dm3]

Rákkeltő hatás

Szerkezeti képlet

Benzo[b]fluorantén 2,4 Van

Benzo[k]fluorantén 2,4 Van

Krizén 1,9 Mérsékelt

Dibenz[a,h]antracén 0,4 Van

Indeno[1,2,3-cd]pirén Van

Acenaftén Nincs

Acenaftilén 3420 Nincs

Fluorantén 260 Nincs

Fluorén 800 Nincs

Policiklusos aromás Policiklusos aromás szénhidrogénekszénhidrogének

Két csoportot defináltak (U.S. Environmental Protection Agency), amely egy hetes (7-PAH) és egy tizenhatos (16-PAH) csoportból áll.

A hetes csoport mindegyik tagja rákkeltő, míg a tizenhatos csoportban nem rákkeltő vegyületek is szerepelnek a hetes csoport tagjain kívül.

Policikusos aromás szénhidrogének csoportjai

7-PAH 16-PAH

Benz[a]anthracén Acenaftén

Benzo[a]pirén Acenaftilén

Benzo[b]fluorantén Antracén

Benzo[k]fluorantén Benz[a]anthracén

Krizén Benzo[a]pirén

Dibenz[a,h]antracén Benzo[b]fluorantén

Indeno[1,2,3-cd]pirén Benzo[g,h,i]perilén

Benzo[k]fluorantén

Krizén

Dibenz[a,h]antracén

Fluorantén

Fluorén

Indeno[1,2,3-cd]pirén

Naftalin

Fenantrén

Pirén

Fotokémiai oxidánsokFotokémiai oxidánsok A telítetlen szénhidrogének fotokémiai oxidációjakor

képzőnek Környezetvédelmi szempontból igen kellemetlenek Ide tartoznak: peroxiacil-nitrátok + ózon Csak az ábrán feltüntetett 3 fordul elő jelentősebb

mennyiségben a szennyezett atmoszférában. peroxiacetil-nitrát : PAN, peroxipropionil-nitrát : PPN, peroxibenzoil-nitrát : PBzN

Természetes forrásokTermészetes források Legnagyobb mennyiségben: metán → szerves vegyületek anaerob

bomlása során Természetes háttérkoncentráció:

Metán: 1.0 – 1.5 ppm További szénhidrogének: < 0,1 ppm

Természetes eredetű szénhidrogének pl.: a növények által (pl. citrus félék, fenyők) emittált, gyakran igen kellemes illatú terpének.

Policiklusos szénhidrogének természetes forrásai: erdőtüzek kőolajtartalmú kőzetek eróziója természetes olajszivárgás

Peroxiacil-nitrátok: nincs közvetlen természetes forrása

Ózon Villámlás, 20 – 30 ppbv,.

Antropogén források Antropogén források Emisszó döntő többsége:

Elégetett motorhajtóanyag, fűtőanyag füstgázai Festékek elpárolgó szerves oldószertartalma (toluol,

xilol, alkánok, észterek)

PAH emisszó: Kőszénfeldolgozás (szénlepárlás, kokszgyártás

szénelgázosítás, szurok felhasználás) Kőolajfeldolgozás (bitumen gyártás) Pirolízis (koromgyártás, biomasszából olaj előállítás)

Peroxi-acilnitrátok és ózon emberi tevékenység során csak közvetett úton

képződnek az égetéskor az atmoszférába kerülő szénhidrogénekből és nitrogén-oxidokból.

Szénhidrogének képződéseSzénhidrogének képződése Befolyásoló tényezők: légfelesleg tényező (n),

lánghőmérséklet és a tartózkodási idő Az emisszió fő felelőse: a közlekedés, a megfelelően beállított

légfelesleg tényező ellenére Oka: az úgynevezett falhatás

Hidegebb fal lassítja az oxidáció sebességét és a dugattyú hamarabb tolja ki a gázelegyet ebből a térrészből, mint a teljes elégéshez szükséges idő.

A hőleadó felületek változásával magyarázható, hogy a kisebb tűzterű kazánok sokkal több szénhidrogént, szénmonoxidot és kormot emittálnak, mint a nagy tűzterű kazánok, mivel a nagyobb tűztér esetén kisebb a felület – tűztér viszony.

Policiklusos aromás szénhidrogének Policiklusos aromás szénhidrogének képződéseképződése

Széntartalmú vegyületek égésekor, 500 – 800 0C → e fölött elbomlanak

Égőtér hidegebb részein képződnek => kisebb tűzterű kazánoknál nagyobb PAH emisszió

1. Acetilén és etilénből képződött gyökök egymással történő addíciója, gyűrűzárással (Wang-Frenklach mechanizmus 1997)

H2C=CH2 + H => H2C=CH• + H2

Aromás gyökre történő további acetilén addíció növekvő gyűrűtagszámot eredményez (HACA mechanizmus : hydrogen adsorption and C2H2

addition) .

Policiklusos aromás Policiklusos aromás szénhidrogének képződéseszénhidrogének képződése

2. A többszörösen kondenzált aromásgyűrű igen gyorsan kialakulhat a benzolgyűrű egységek egymásra épülésével is. (korom kialakulása)

Policiklusos aromás Policiklusos aromás szénhidrogének képződéseszénhidrogének képződése

Tájékoztató PAH és BaP emissziók különböző méretű tüzelőberendezések esetén.

Forrás: Huotari J., Vesterinnen R. (1995) , Finland

Szilárd tüzelésűháztartási

kazánok

Kazánok1-5 MW

Kazánok5 – 50 MW

Kazánok>50 MW

PAHμg/MJ

1000 – 30002-10 (szilárd)< 5 (olaj, gáz)

< 10 < 5

BaPμg/MJ < 20 < 0,1 < 0,01

Peroxi-acilnitrátok Peroxi-acilnitrátok képződéseképződéseFény hatására képződő hidroxilgyökök indítják el a

folyamatot, amennyiben a levegőben szénhidrogén jelenik meg.

A képződő alkilgyökök a levegő oxigénjével alkilperoxigyököket képeznek, amelyek jelentős szerepet játszanak a nitrogén-monoxid nitrogén-dioxiddá történő átalakításában.

A folyamat során képződő alkoxigyökökből oxigén hatására aldehidek képződnek.Aldehidek képződhetnek továbbá telítetlen szénhidrogének és ózon reakciójakor is.

Az aldehidek rövid élettartamúak fény vagy hidroxilgyökök hatására acilgyökökre bomlanak, amelyek az oxigén hatására peroxi-alkilgyökökké alakulnak.

A peroxi-alkilgyökök vagy a nitrogén-monoxidot oxidálják vagy nitrogén-dioxiddal peroxi-acilnitrátokat képeznek.

Peroxi-acilnitrátok Peroxi-acilnitrátok képződéseképződése

A peroxi-acilnitrátok koncentrációja függ: szénhidrogének acilgyök képző

képességétől ózon koncentrációtól szennyezett levegő nitrogén-dioxid /

nitrogén-monoxid arányától

Peroxi-acilnitrátok koncentrációja a városi levegőben

1960-as évek 60 – 65 ppbJelenleg kisebb 10 ppb-nél katalizátoros autók miatt

Ózon képződés a Ózon képződés a troposzférábantroposzférában

Trimolekuláris reakció: egy atomos oxigén reagál egy molekuláris oxigénnel..

O + O2 + M = O3 + M* (1)

A szükséges atomos oxigént a nitrogén-dioxid fotolízise biztosítja

NO2 + hν = NO + O v2 = k2[NO2] (2)

Az ózon a nitrogén-monoxiddal reagálva nitrogén-dioxidot képezhet

O3 + NO = NO2 = O2 v3 = k3[O3][NO] (3)

A nitrogén-dioxid fotolitikus bomlása a sebességmeghatározó lépés.

k2:k3 = 1:100

troposzférikus ózon éjszaka nem képződik és koncentrációja a nyári hónapokban, délben a legmagasabb.

Az az állandósult ózonkoncentráció az alábbi összefüggéssel közelíthető.

[O3] = (k2/k3) x [NO2] / [NO]

Ózon képződés a Ózon képződés a troposzférábantroposzférában Sebességi konstansok aránya k2/k3 = 1/100 => 0,1 ppm egyensúlyi ózonkoncentráció

esetén NO2 = 10 ppm és NO = 1 ppm kell hogy legyen

A levegőben NO2 tiszta fotokémiai ciklusa esetén azonban NO2 / NO nem 10 : 1, hanem 1 : 10 => tisztán a nitrogén-dioxid ciklus nem képes olyan mennyiségű ózont termelni, mint amilyen koncentráció a városi levegőt jellemzi

További NO2 termelő: A szénhidrogénekből képződő alkil-peroxigyökök folyamatosan oxidálják a nitrogén-monoxidot nitrogén-dioxiddá.

A városi levegőben jelenlévő (CH)x / NOx aránya alapján megkülönböztethetünk:

szénhidrogének által limitált ózon koncentrációt: ha NOx > (CH)x

nitrogén-oxidok által limitált ózon koncentrációt: (CH)x > NOx

A szénhidrogének és nitrogén-oxidok természetes forrással is rendelkeznek, így a troposzférának természetes eredetű ózon tartalma is van, amely közelítőleg 20 – 30 ppbv, amely lényegesen alacsonyabb, mint a városi levegő 0,1 ppm körüli ózon szintje.

Policiklusos aromás szénhidrogének távozása a Policiklusos aromás szénhidrogének távozása a troposzférábóltroposzférából

PAH-ok hidroxil gyökökkel gyorsan reagálnak, felezési idejük néhány óra.

Nitrogén-dioxid jelenlétében kb. 100 napos felezési idővel mutagén hatású nitro-PAH vegyületek alakulhatnak ki.

Ózonnal szemben ellenállóak, a reakciók felezési ideje több száz nap.

A PAH vegyületek fény

hatására néhány óra alatt elbomlanak, különösen a részecskén adszorbeáltak.

Peroxiacil-nitrátokPeroxiacil-nitrátok távozása a troposzférából távozása a troposzférából

Termikusan bomlanak, képződési reakciójuk visszafordítható a hőmérséklet emelkedésével

CH3C(O)OONO2 → CH3C(O)OO• + NO2

A képződött peroxi-acilgyök sorsa a jelenlévő NO2 / NO aránytól függ az alábbi versengő reakció miatt

CH3C(O)OO + NO → NO2 + CO2 + CH3•

A peroxiacil-nitrátok fotokémiailag is bomlanak, így élettartamuk az atmoszférában nappal egy két óra, éjjel több óra is lehet.

Ózon távozása a troposzférábólÓzon távozása a troposzférából

Erős oxidáló képesség => néhány napos élettartam

A levegő számos alkotójával képes reakcióba lépni, nitrogén-dioxiddal, nitrogén-monoxiddal, telítetlen szénhidrogénekkel, de fotokémiailag is bomlik.

NO + O3 → NO3• + O

NO + O3 → NO2 + O2

R-CH=CH2 + O3 → RCHO + OH•

O3 + hν → O + O2

Füstköd (smog) kialakulása Füstköd (smog) kialakulása Smog (smoke + fog), magyar megfelelője a füstköd

Az ipari fejlődés során a füstköd két típusát (londoni vagy ipari,

fotokémiai vagy los angelesi) különböztethetjük meg.

LONDONI TÍPUSÚ SMOG

Széntüzelés elterjedése => London 1952 december, a kialakult füstködben olyan magas volt a légszennyező anyagok koncentrációja, hogy közel 3000 halálesetet tulajdonítanak a várost négy napig sújtó jelenségnek.

téli hónapokban alakul ki

kora reggeli órákban (reggeli befűtés a széntüzelésű kályhákba)

magas páratartalom kíséretében

napsütés nélkül

Összetevői főleg: szénhidrogének, korom, kén-dioxid.

A londoni smogA londoni smog

A londoni smog kialakulásának közvetlen okaiA londoni smog kialakulásának közvetlen okai

A kialakult súlyos helyzet okai:A kialakult súlyos helyzet okai:

a a légszennyezőklégszennyezők

egy természetes meteorológiai jelenség: egy természetes meteorológiai jelenség:

troposzférikus hőmérséklet inverziótroposzférikus hőmérséklet inverzió kialakulása kialakulása

Felhőtlen éjszakákon: a talajnak az égbolt felé irányuló energia Felhőtlen éjszakákon: a talajnak az égbolt felé irányuló energia kisugárzása olyan mértékű, hogy a lehűlt talaj lehűti a közelében kisugárzása olyan mértékű, hogy a lehűlt talaj lehűti a közelében lévő levegőt, amelyből párakicsapódás történik (talaj menti lévő levegőt, amelyből párakicsapódás történik (talaj menti ködképződés).ködképződés).

A lehűlt hideg levegő felett melegebb levegő helyezkedik el, így a A lehűlt hideg levegő felett melegebb levegő helyezkedik el, így a természetes vertikális hígítási effektus elmaradása és szél hiánya természetes vertikális hígítási effektus elmaradása és szél hiánya miatt a légszennyező anyagok koncentrációjamiatt a légszennyező anyagok koncentrációja gyorsan nő a talaj gyorsan nő a talaj közelben. közelben.

Troposzférikus hőmérséklet inverzió

Hőmérséklet csökkenésa troposzférában

Az emelkedő száraz, szennyezettlevegő hőmérséklet csökkenéseadiabatikus expanzió miatt

….

mag

assá

g

…. talaj hőmérséklet

hideg hideg

hideg

kevésbé meleg kevésbé meleg

meleg

talaj talaj

Fotokémiai smog Fotokémiai smog kialakulásakialakulása

Közlekedés fejlődésének köszönhetően egy másik fajta füstköd okoz környezeti ártalmakat: a los angelesi vagy fotokémiai smog.

A fotokémiai szmog jellemzői:

a nyári hónapokban képződik,

a déli órákban,

alacsony páratartalom mellett,

erős napsütés esetén.

Összetevői főleg másodlagosan kialakult légszennyezők (ózon, aldehidek, nitrogén-dioxid, PAN).

Ez a típusú szmog jelentős autóforgalommal terhelt, melegebb éghajlatú, napsütötte, szél mentes városokban gyakori.

Fotokémiai smogtól szenvedő Fotokémiai smogtól szenvedő városokvárosok

1. Peking

Denver Torontó

A szmogot alkotó főbb komponensek időbeli alakulásaA szmogot alkotó főbb komponensek időbeli alakulása

A fotokémiai szmog erősödésével a levegő vöröses barna árnyalatú lesz, mivel a napsugárzás kék komponensét a nitrogén-dioxid elnyeli.

Szénhidrogének, fotokémiai Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatásaoxidánsok hatása

NövényekreNövényekre Szénhidrogének hatása nem észlelhető Ózon és a peroxiacil-nitrátok: toxikusak A talajközeli növekvő ózon koncentráció komoly fenyegetést jelent

a világ élelmiszer, rostanyag és fa termelésére

A városi környezetből jelentős mennyiségű ózon transzport valósulhat meg a környező mezőgazdasági területek felé:

Talajközeli ózon koncentráció nyári maximumai

Terület Ózon / ppb /

Városi 100 – 400

Vidéki, mezőgazdasági 50 – 120

Lakott területtől távoli trópusi erdő 20 – 40

Parttól távoli, nyílt tengeri 20 -40

A krónikus hatás már 40 ppb koncentráció környékén észrevehető, amely növekedés és terméscsökkenésben nyilvánulhat meg, függetlenül attól, hogy a levél felszínén észlelhető-e az ózonkárosító hatás (világos foltok megjelenése)

Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok

hatásahatása NövényekreNövényekre

Ózon: gázcserenyílásokon keresztül jut be a növénybe

A sejtközi térben és a sejtalkotók reakciójakor során szerves gyökök képződnek, amelyek károsítják a proteineket, sejtmembránt.

A növények ózonérzékenysége eltérő, és közvetlen kapcsolat mutatható ki a jelenlévő növényi antioxidánsok (pl.: C-vitamin) szintje és az ellenállóképesség között.

A magasabb C-vitamin szint és alacsonyabb C-vitamin peroxidáz enzim aktivitás jelentős ellenállóképesség javulást eredményez.

Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok

hatásahatása NövényekreNövényekre

A peroxiacil-nitrátok hatása : a növények alján okoz fényes bronzos elszíneződést

Fajtától függő érzékenység, amely a növényi sejtekben képződő antioxidánsok mennyiségére vezethetők vissza.

A városi területeken újonnan

telepített fák általában úgynevezett szmogtűrő fajták, amelyek levélzete valószínűleg antioxidáns tartalmú.

Szénhidrogének, fotokémiai Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatásaoxidánsok hatásaEmberre / emlősökreEmberre / emlősökre

Az alifás szénhidrogének nem, de az aromás vegyületek rendkívül toxikusak (troposzférikus koncentráció szint)

Legveszélyesebb :

A gőzhalmazállapotú aromások közül a a benzol (vérképzőszervi méreg)

A policiklusos aromás vegyületek közül a benz(a)pirén (karcinogén, rákkeltő)

BENZOL:

Motorhajtóanyagok elégetésekor kerül az atmoszférába, az oktánszám növelési technológiák (aromatizálás, alkilezés) során.

A nagyoktánszámú alkilbenzolok tökéletlen égésekor az oldalláncok leszakadása miatt benzol is képződhet, amelyet a katalizátor csak részben oxidál el.

Szénhidrogének, fotokémiai Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatásaoxidánsok hatásaEmberre / emlősökreEmberre / emlősökre

Rákkeltő PAH vegyületek pl: aktív és passzív dohányzás, füstgázok belélegzése

Rákkeltő hatás: enzimatikus lebontáskor keletkező epoxivegyületek miatt (a folyamathoz sok idő kell)

Kevésbé veszélyes ha a tápcsatornába jutnak pl. grillezett ételek, hőkezelt élvezeti cikkek (kávé)

Tápcsatornán történő gyors áthaladás → a lebontás nem biztos, hogy megvalósul → a kockázati tényező kisebb

Tüdőben: a lerakódott rákkeltő anyag tartalmú kátrányos részecskék mobilitása kicsi (elegendő idő áll rendelkezésre a veszélyes lebontási folyamat megvalósulására)

Az ózon és peroxyacil-nitrátok erős nyálkahártya irritáló hatása közismert → felsőléguti betegségek gyakorisága nő.

Szénhidrogén emisszió Szénhidrogén emisszió csökkentése csökkentése

A szénhidrogén emisszió szoros összefüggésben van a fotokémiai oxidánsok az ózon és peroxi-acilnitrátok képződésével=> a szénhidrogén emisszió csökkentésével jelentősen korlátozható ezen szennyezők képződése is

Legnagyobb forrás: nem tökéletes égés

Szénhidrogén koncentráció:

1. Alsó éghetőségi, vagy robbanási határ alatt → termikus vagy katalizátoros utóégetőt, kondenzátort vagy adszorpciót alkalmazhatunk

2. Alsó és felső éghetőségi határok között → ellenőrzött égetés

3. Felső éghetőségi határkoncentráción túl → levegővel, vízgőzzel elegyítve égetjük el

Termikus utóégetőTermikus utóégető Utóégető: a füstgáz szénhidrogéntartalmát 700 – 1000 0C-on 0,5-1

másodperces tartózkodási idővel egy segéd égővel égetjük el. (Termikus oxidáció, 99% hatásfok)

Regeneratív módszer: a kezelt és a kezelendő füstgáz felváltva áramlik keresztül egy hőtároló-hőleadó anyagon (pl. kerámia) keresztül

reganeratív termikus utóégető

regeneratív termikus utó égető

Termikus utóégetőTermikus utóégető

rekuperatív utóégető

rekuperatív utóégető

1. Rekuperatív eljárásnál a kezelt füstgáz hőtartalmát egy hőcserélőn keresztül folyamatosan adjuk át a kezelendő füstgáznak.

2. Probléma: NO emisszió növekedése→ Túl sok szén-monoxid képződés esetén: az utóégető kamra hőmérsékletét 850 °C fölé kell emelni és a tartózkodási időnek el kell érni a 2 másodpercet.

Termikus utóégető hőhasznosítás nélkülTermikus utóégető hőhasznosítás nélkül

A felső éghetőségi koncentrációt meghaladó szénhidrogén tartalomnál, amennyiben a gáz más célból gazdaságosan nem használható fel, elfáklyázzák pl. olajipar.

Égetés előtt az éghető gáz koncentrációját a felső és alsó éghetőségi határ közé kell beállítani levegő és/vagy vízgőz segítségével.

Vízgőz adagolása metán kivételével a koromképződés csökkentése érdekében szükséges (vízgáz reakció).

C + H2O = CO + H2

Kőolajfinomító véggázainak égetése

Hm, talán mégsemtökéletes !

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető Alacsony hőmérsékletű oxidáció (200 – 500 oC) hatásfoka kb.

95%, kedvezőbb NOx kibocsátás Meggondolandó ha a füstgázban jelentős:

a korom részecske tartalom (ülepedés veszélye a katalizátorban) nehézfémtartalom (katalizátor méreg) a katalizátor test hőmérséklete gyakran változik, túlhevülés

veszélye is fennáll (mechanikai károsodás) Szén, olaj, biomassza tüzelés füstgázainak kezelésére a

katalizátor szennyeződése miatt inkább a regeneratív vagy rekuperatív utóégetőt alkalmazzák.

Katalizátoros utóégető előnyösen alkalmazható technológiai folyamatból származó (szerves oldószerekkel történő műveletek: festés, extrakció, stb.) szénhidrogén emisszió kezelésére.

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető

A katalitikus utóégetők legsikeresebb alkalmazási területe a gépkocsi kipufogó gázok ártalmatlanítása.

Egy benzinüzemű gépjármű motor tipikus füstgáz alkotói:

Gépjármű motortipikus kipufogógáz összetétele

Gáz koncentráció

Szénhidrogén ≈ 750 ppm

Nitrogén-oxidok ≈ 1050 ppm

Szén-monoxid ≈ 0,68 tf%

Hidrogén ≈ 0,23 tf%

Szén-dioxid ≈ 13,5 tf%

Oxigén ≈ 0,51 tf%

Víz ≈ 12,5 tf%

Nitrogén ≈ 72,5 tf%

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégetőKettős hatású: szénhidrogének és szén-monoxid oxidációja Pt katalizátoron

Hármas hatású: oxidáció és a nitrogén-monoxid redukciója (Pd katalizátor)

0,95 – 1,05 légfeleslegtényező tartományban (ablak tartomány) elfogadható konverzióval valósul meg az oxidáció és a redukció

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető• Követelmény: a légfeleslegtényező pontos beállítása.

• lambda szonda folyamatosan méri a füstgáz oxigéntartalmát és a mért

érték függvényében szabályozza az üzemanyag levegő keverési arányt.

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető

• A motor üzemelése közben időszakosan a katalizátorban redukciós körülmények alakulnak ki (pl. gyorsítás → üzemanyagban dús keverék).

• Ekkor segít a katalizátor hordozó belső felületére felvitt cérium-oxidok, amelyek oxigénnel az alábbi egyensúlyi reakcióra képesek:

2 CeO2 Ce2O3 + 1/2 O2

• A Ce(III)-oxid normál üzemállapotban, amikor van elegendő szabad oxigéntartalma a füstgáznak Ce(IV)-oxiddá alakul.

• Oxigén hiányos állapotban az egyensúly az oxigén felszabadulás felé tolódik el, ezáltal a katalizátor belső környezete újra az ablaktartományon belül kerül.

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető A kerámia testeken átmenő járatok belső

felületére viszik fel a platinát, palládiumot és a cérium vegyületet. A katalizátor 290 0C –on kezd el működni és kb. 400 0C – on éri el az optimális üzemelést.

A katalizátorok bevezetésének két további haszna is van:

Az egyik az ólmozatlan üzemanyag használata (az oktánszám növelésére alkalmazott ólomvegyületek tönkretennék a katalizátort)

A másik a benzin kéntartalmának kötelező és folytonos csökkentésének kényszere.

Kéntartalom csökkentés: A benzin kéntartalma katalizátor nélkül a füstgázban kén-dioxid formában jelentkezik, amely az atmoszférikus levegővel történő keveredés, felhígulás után alakul át kénsavvá.

A katalizátoron áthaladó kén-dioxid azonban kén-trioxiddá oxidálódik, amely az atmoszférába kijutva azonnal az orrunk szintjén irritáló hatású kénsavvá alakul.

Katalitikus utóégetőKatalitikus utóégető Hátrány: üvegházhatású dinitrogén-oxid és a szén-dioxid kibocsátás

CO2 emisszió az égetés velejárója, de a motorok hatásfokának javításával csökkenteni lehet

Valószínűleg csak évtizedek múlva derül ki, hogy milyen problémát okozhat a katalizátorból a környezetbe távozó platina. A platina sói toxikusak és már ma is az autópályák mentén élő

növények platina szennyezettsége nagyobb, mint a távolabbiaké.

A belsőégésű motorok égésgázainak kezelése jelenleg csak a benzin üzemű motoroknál vált kötelezővé.

Oka: a dízelmotorok jóval nagyobb mértékű korom emissziója tönkretenné a katalizátort.

Várható, hogy egy évtizeden belül a dízel autókat is fel kell szerelni valószínűleg először csak oxidációs katalizátorokkal, regenerálható koromszűrőkkel. Nagyteljesítményű dízel nehézgépjárművek már most is rendelkeznek katalitikus utóégetőkkel.

Szénhidrogének Szénhidrogének kondenzációjakondenzációja

Viszonylag nagy szénhidrogén tartalomnál (~ 5000 ppm felett) és 40 oC feletti forráspontnál célszerű alkalmazni.

Kondenzáció: hűtés vagy nyomás hatására

40 oC alatti forrpontoknál a kondenzáció költsége ugrásszerűen növekszik.

Előny: alkalmazását nem befolyásolja a kezelendő gáz alsó és felső robbanási határértéke.

Szénhidrogének Szénhidrogének adszorpciójaadszorpciója

Aktív szénen 90-98 %-os hatásfok

Költséges → célszerű alacsony (20- 5000 ppm) szénhidrogén tartalom mellett alkalmazni

Az eljárás érzéketlen az alsó és felső éghetőségi határokra

Hátrány:

Tűzveszélyes és jelentős mennyiségű veszélyes hulladékot termel

Az aktívszenes oszlop dezaktiválódhat klórozott szénhidrogének és nyomelemek hatására

A tisztítandó gáz nedvességtartalma ( > 50 % ) jelentősen csökkenti az adszorpció hatásfokát

Ketonok pl. aceton eltávolítására nem alkalmas a szén felületén lejátszódó exoterm polimerizációs reakció miatt, amely az oszlop begyulladását is okozhatja

Regenerálható

Az aktívszén granulátummal töltött oszlopot kimerülés után forró vízgőzzel, levegővel, nitrogénnel vagy vákuummal

Policiklusos aromás Policiklusos aromás vegyületek emissziójának vegyületek emissziójának

korlátozásakorlátozása PAH vegyületek a füstgáz hőmérsékletétől és a tüzelőanyag

hamutartalmától függően megoszlanak a gáz és szilárd fázisú részecskék között

Emisszió csökkentés a forrásoldalon: megfelelően magas hőmérséklet, légfeleslegtényező és tűztér méret alkalmazásával Gáz és részecske fázisú PAH 50 MW-os kazán

füstgázában

TüzelőanyagRészecske

koncentráció( μg/ Nm3 )

Részecskéhezkötött PAH( μg/ Nm3 )

PAHgázfázisban( μg/ Nm3 )

tőzeg 40-80 15 – 360 316 -919

Fa 80-120 518 – 23 6557 - 11704

A füstgázból való eltávolításukra minden részecske leválasztó eszköz alkalmazható. (aktívszenes granulátum)