Głównym źródłem antropogenicznej emisji zanieczyszczeń do atmosfery wciąż jest spalanie paliw w celu pozyskania energii. Ponad 90% CO₂ pochodzi właśnie z procesów spalania paliw. Co zrobić, by zmienić te niekorzystne proporcje?

Wśród zanieczyszczeń występujących w atmosferze rozróżnia się zanieczyszczenia pierwotne i wtórne. Pierwotne to te powstające jako produkty uboczne niecałkowitej przemiany chemicznej w procesach technologicznych lub związki chemiczne łączące się w trakcie całkowitej przemiany chemicznej, o właściwościach toksycznych, kancerogennych i szkodliwych dla środowiska, wprowadzane do atmosfery bezpośrednio ze źródła powstawania przez emiter ? najczęściej komin, rurę wydechową czy kanał odprowadzający gazy procesowe. Do głównych pierwotnych zanieczyszczeń należą:

• dwutlenek węgla (CO₂),
• tlenek węgla (CO),
• tlenki azotu (NOx),
• dwutlenek siarki (SO₂),
• chlorowodór (HCl),
• fluorowodór (HF),
• trwałe związki organiczne (TZO), które obejmują wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), dioksyny i furany (PCDDs i PCDFs) oraz polichlorowane bifenyle,
• lotne związki organiczne (LZO) (wg dyrektywy 1999/13/WE są to związki organiczne o prężności par równej lub wyższej od 0,013 kPa, w temperaturze 20°C, często określane także mianem metanowych lotnych związków organicznych ? MLZO; ang. ? MVOCs). Dla celów inwentaryzacji zanieczyszczeń rozróżnia się także niemetanowe związki organiczne, czyli wszystkie lotne związki organiczne z wyjątkiem metanu (NMLZO; ang. ? NMVOCs). Należy tutaj zwrócić uwagę, że metan (CH₄) zaliczany jest do gazów cieplarnianych. Jego okres życia w atmosferze jest oceniany na ok. 10 lat,
• metale ciężkie, zwłaszcza rtęć (Hg) i jej związki, kadm (Cd) oraz tal (Tl) i ich związki oraz antymon (Sb), arsen (As), ołów (Pb), chrom (Cr), kobalt (Co), miedź (Cu), mangan (Mn), nikiel (Ni) i wanad (V),
• pył całkowity oraz jego frakcje: PM10 i PM2,5.

Kancerogenne pyły

Do najbardziej toksycznych zanieczyszczeń organicznych zaliczane są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (w tym benzo(a)piren), dioksyny i furany (PCDDs i PCDFs), polichlorowane bifenyle, a także metale ciężkie i pyły, zwłaszcza drobne subfrakcje ? PM10 i PM2,5. Pył PM10 zawiera cząstki o średnicy mniejszej niż 10 mikrometrów, które mogą docierać do górnych dróg oddechowych i płuc, natomiast pył PM2,5 (cząstki o średnicy mniejszej niż 2,5 mikrometra) mogą przenikać także do krwi.

Pyły, zwłaszcza PM10 i PM2,5, zaliczane są do szczególnie niebezpiecznych zanieczyszczeń emitowanych ze spalania paliw stałych w postaci aerozolu (smogu), ponieważ zawierają metale ciężkie, a z ich rozwiniętą powierzchnią są zasocjowane i zaadsorbowane takie toksykanty jak WWA, PCDDs i PCDFs. Wskutek tego PM10 i PM2,5 odpowiedzialne są za choroby układu oddechowego i krążeniowego, a także różnego rodzaju alergie. Duża emisja toksykantów z sektora mieszkaniowego, z uwagi na małą wysokość kominów (zazwyczaj nieprzekraczającą 10 m), powoduje ? zwłaszcza na obszarach gęsto zaludnionych ? wysoką koncentrację zanieczyszczeń powietrza na poziomie przygruntowym, wysoce niebezpieczną z uwagi na bezpośrednie wdychanie zanieczyszczonego powietrza i spożywanie zanieczyszczonej żywności. Badania kancerogenności ?dymu? ze spalania węgla wykazały, że jest ona porównywalna do emitowanych substancji z baterii koksowniczej, a wyższa niż dymu papierosowego, odpowiednio 2,1; 2,1 i 0,003. Emisja dioksyn, jednej z największych trucizn, wzrasta ponad stukrotnie, jeżeli w domowym piecu lub kotle c.o. spala się lub współspala z paliwami stałymi tworzywa sztuczne, gumę itp.

Skrócenie średniej długości życia

Należy podkreślić, że przekroczenia stężeń pyłu w powietrzu wiążą się z przekroczeniami dopuszczalnych stężeń kancerogennego benzo(a)pirenu. Jak wynika z raportów Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), długotrwałe narażenie na działanie pyłu zawieszonego PM2,5 skutkuje skróceniem średniej długości życia. Szacuje się (w 2000 r.), że życie przeciętnego mieszkańca Unii Europejskiej jest krótsze z tego powodu o ponad 8 miesięcy, a liczba przedwczesnych zgonów w UE to prawie 400 tys. Należy przypuszczać, że w Polsce z powodu najwyższych ilości emitowanych drobnych pyłów w UE skrócenie życia i liczba przedwczesnych zgonów będzie wzrastać. Równie niebezpieczna jest krótkotrwała ekspozycja na wysokie stężenia pyłu PM2,5, bowiem powoduje wzrost liczby zgonów z powodu chorób układu oddechowego i krążenia oraz wzrost ryzyka nagłych przypadków wymagających hospitalizacji.

Spalanie paliw w celu pozyskiwania energii jest głównym źródłem antropogenicznej emisji zanieczyszczeń. Ponad 75% emisji NOx i SO₂, ok. 70% emisji CO, ponad 75% emisji pyłów i ponad 90% CO₂ pochodzi właśnie z procesów spalania paliw. Najniższą emisją toksycznych substancji charakteryzuje się spalanie węgla w strudze ? w kotłach pyłowych, najwyższą zaś spalanie w warstwie, w piecach i kotłach c.o. z ręcznym wprowadzaniem paliwa do komory spalania.

Węgiel i biomasa ? podobieństwa i różnice

Podstawowy skład pierwiastkowy węgla i biomasy jest taki sam, różna jest natomiast zawartość głównych pierwiastków: węgla, wodoru, azotu, tlenu i siarki. Biomasa zawiera średnio czterokrotnie więcej tlenu w porównaniu do węgla energetycznego, zaś dwukrotnie mniej pierwiastka węgla, ale również mniej siarki, azotu i popiołu (średnio od 5 do 10 razy mniej w zależności od rodzaju biomasy). W związku z tym jej cechą charakterystyczną jest wysoka zawartość części lotnych (65-80%) i wysoka reaktywność, które determinują konieczność stosowania odpowiednich rozwiązań technicznych zabezpieczających jej efektywne energetycznie przetworzenie ? zwłaszcza przy spalaniu muszą one zapewnić warunki zupełnego spalenia wydzielających się w krótkim czasie lotnych produktów rozkładu biomasy. Konsekwencją tego jest też większy udział emitowanych cząstek pyłu PM10 i PM2,5. Niekorzystną cechą biomasy jest jej wysoka i zmienna ? w zależności od rodzaju biomasy i okresu sezonowania ? zawartość wilgoci (od 10% do 60%), która także ma wpływ na procesy spalania.

Nieefektywność domowych pieców

Tradycyjne instalacje spalania to najczęściej urządzenia starej generacji, o niskiej sprawności cieplnej (w znacznej części praktycznie poniżej 50%, szczególnie piece i pieco-kuchnie) i wysokiej emisji zanieczyszczeń, wynikającej z przestarzałych rozwiązań konstrukcyjnych (rys. 1 i 2). Ich podstawowe wady to niekontrolowany i nieefektywny energetycznie proces spalania (brak automatycznego sterowania ilością spalanego paliwa, brak kontroli i dystrybucji powietrza wprowadzanego do komory spalania), intensywna okresowa emisja produktów niepełnego spalania (tlenku węgla, zanieczyszczeń organicznych i sadzy) oraz możliwość spalania i współspalania odpadów, co znacząco wpływa na wzrost emisji toksycznych zanieczyszczeń. Nowoczesne instalacje spalania węgla i biomasy to urządzenia pozbawione ? częściowo lub całkowicie ? powyższych wad. Sprawność energetyczna kotłów nowoczesnej generacji z automatycznym doprowadzaniem paliwa znacznie przekracza 80%, a może sięgać nawet 90%, równie wysoka jest ich efektywność ekologiczna (rys. 2 i 3).

Rys. 1. Wskaźniki emisji zanieczyszczeń dla węglowych urządzeń grzewczych małej mocy (opracowanie własne)

Rys. 2. Wskaźniki emisji dla urządzeń grzewczych małej mocy, zasilanych drewnem (opracowanie własne)

Rys. 3. Stopień redukcji emisji zanieczyszczeń z kotłów c.o. opalanych paliwami stałymi po wprowadzeniu automatyzacji procesu spalania (opracowanie własne)

Możliwości redukcji emisji

Realizowane programy ograniczania niskiej emisji, w ramach których zainstalowano nowoczesne kotły węglowe z automatyzacją procesu spalania, jednoznacznie potwierdzają możliwości redukcji emisji toksycznych zanieczyszczeń. Automatyzacja procesu spalania paliw stałych ? węgla i biomasy (zwłaszcza drewna) przyczynia się do zmniejszenia emisji CO o ok. 99%, LZO o ponad 99%, pyłu o ponad 97%, bebzo(a)piren (B(a)P ) o ponad 99%, a PCDD/Fs o ponad 85% (rys. 3). Liczba emitowanych zanieczyszczeń zależy od jakości paliwa. Zastosowanie brykietów lub antracytu w piecu stałopalnym w miejsce węgla pozwala radykalnie zmniejszyć emisję pyłu (w tym sadzy), związków organicznych, benzo(a)pirenu i innych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych.

Tab. 1. Stopień redukcji emisji zanieczyszczeń z kotłów c.o. opalanych paliwami stałymi po wprowadzeniu automatyzacji procesu spalania (opracowanie własne)

Od ok. 10 lat na rynku paliw dla sektora komunalno-bytowego wzrasta ilość mułów węglowych. Przyczyniła się do tego wprowadzona 1 stycznia 2003 r. dobrowolność stosowania norm na węgiel do celów energetycznych, określających przeznaczenie paliw węglowych. Z naukowych szacunków wynika, że spalenie 0,4 mln ton mułów powoduje prawie trzykrotny wzrost emisji benzo(a)pirenu, spalenie zaś połowy tej ilości paliwa w formie kwalifikowanych sortymentów węglowych w nowoczesnych kotłach komorowych, a połowy w kotłach zautomatyzowanych zmniejszy ilość emitowanego benzo(a)pirenu o 30% w stosunku do aktualnego. Wykorzystanie automatycznych kotłów ograniczy emisję nawet o 70%. Emisja zanieczyszczeń zależy zarówno od technologii spalania, jak i od jakości paliwa. Nawet najlepsze urządzenie grzewcze ? kocioł czy piec ? będzie emitował zanieczyszczenia, jeżeli będzie zasilany paliwem ? węglem czy stałym biopaliwem o właściwościach niespełniających wymagań paliwa stałego do czystszego spalania.

Rys. 4. Roczna emisja benzo(a)pirenu (w tys. kg.) ze spalania węgla w indywidualnych gospodarstwach domowych w województwie śląskim: A ? 2 mln ton węgla (oszacowanie wg danych GUS o liczbie gospodarstw domowych zużywających węgiel w 2008 r.); B ? 2,4 mln ton węgla; C ? 2,4 mln ton węgla, w tym współspalania 0,4 mln ton mułów; D ? 1,2 mln ton kwalifikowanych sortymentów węgla w nowoczesnych kotłach komorowych i 1,2 mln ton węgla w nowoczesnych kotłach automatycznych; E ? 2,4 mln ton węgla w nowoczesnych, automatycznych kotłach; F ? z zastąpienia energii zawartej w 2,4 mln ton węgla olejem opałowym (Kubica K.: Spalanie mułów węglowych w źródłach małej mocy zagrożeniem dla zdrowia i środowiska ? ich wycofanie z rynku paliw koniecznością. ?Ekologia? marzec 2013).

dr inż. Krystyna Kubica, Polska Izba Ekologii

Fot. Depositphotos/Garsya