Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti."— Előadás másolata:

1 HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Vegyész- és Biomérnöki Kar Budapesti Műszaki Egyetem 2012 KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA Vegyészmérnök B.Sc. hallgatók részére KÖRNYEZETI KÉMIA Környezetmérnök B.Sc. hallgatók részére Biomérnök M.Sc. hallgatók részére 3. NITROGÉN-OXIDOK

2 AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

3 NITROGÉN-OXIDOK Szerzők: Dr. Bajnóczy Gábor Kiss Bernadett

4 Nitrogén oxidok Atmoszférában: NO, NO 2, NO 3, N 2 O, N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O 5 Folyamatosan : csak NO, NO 2, N 2 O A többi képződés után rövid idő alatt elbomlik: a három oxid valamelyikére vízgőz molekulával lép reakcióba NOszíntelenszagtalantoxikusnem gyúlékony NO 2 vöröses barnaorrfacsaró szagú erősen toxikusnem gyúlékony N2ON2Oszíntelenédeskés illatúnem toxikusnem gyúlékony

5 Az atmoszférában folyamatosan megtalálható nitrogén-oxidok fizikai tulajdonságai atmoszférikus nyomáson Nitrogén- monoxid NO Nitrogén-dioxid NO 2 Dinitrogén-oxid N 2 O molekulatömeg Olvadáspont o C Forráspont o C Sűrűség 0 0 C, kPa 25 0 C, kPa g/dm g/dm g/dm 3 1,916 g/dm 3 1,963 g/dm g/dm 3 Oldhatóság vízben * 0 0 C kPa 73,4 cm 3 / dm 3 (97.7 ppmm) ** bomlik1305 cm 3 /dm 3 Konverziós faktorok 0 0 C, kPa 1 mg/m 3 = ppmv *** 1 ppmv = mg/m 3 1 mg/m 3 = ppmv *** 1 ppmv = 2,053 mg/m 3 1 mg/m 3 = 0,509 ppmv *** 1 ppmv = 1,964 mg/m 3 NO 2 0ºC alatt színtelen nitrogén-tetroxid (N 2 O 4 ) molekulává egyesül → emelkedő hőmérsékleten nitrogén-dioxidá bomlik NO 2 természetes háttér koncentrációja 0,4 – 9,4 μg/m3 (0,2 – 5 ppb) városok felett átlagosan : 20 – 90 μg/m3 (0,01 – 0,05 ppm) időszakosan elérheti : 240 – 850 μg/m3 (0,13 – 0,45 ppm) N 2 O háttér koncentrációja közelítőleg 320 ppb

6 Nitrogén oxidok Környezetvédelem: NO és a NO 2 a savas eső, fotokémiai szmog, ózonréteg csökkenés miatt érdemel figyelmet N 2 O : Rendkívül stabil Troposzférában fotokémiai reakcióban nem vesz részt, így élettartama kb. 120 év. Természetes háttérkoncentrációja : 313 ppmv Éves növekedési üteme az emberi tevékenység miatt 0,5-0,9 ppmv Az elmúlt évtizedekben azonban világossá vált, hogy üvegházhatású, továbbá közvetett módon ózonréteg károsító hatása is van.

7 A nitrogén-oxidok természetes forrásai atmoszférikus eredetű NO: légkörben zajló elektromos tevékenységnek (villámlás) kb. 20 ppb NO → HNO 3 alakul → távozik így a levegő nitrogéntartalmának előbb utóbb el kellene fogyni Bioszféra tartja fenn: élőszervezetbe beépült N, szerves anyag → talajlakó mikroorganizmusok lebontják → NO, N 2 O, N vagy NH 3 formájában visszakerül az atmoszférába (nitrifikácó, denitrifikáció, ammonofikáció)

8 Mikroorganizmusok tevékenységéből eredő nitrogén-oxidok (NO, N 2 O) Talajok NO emissziója 5-20 μg N/m 2 óra, ami jelentős mértékben függ a talaj szervesanyag- és nedvességtartalmától és hőmérsékletétől. Természetes N 2 O forrás: óceánok, folyók deltavidékei is

9 Természetes eredetű nitrogén- oxidok forrásai A villámláskor létrejövő elektromos kisülés hőmérsékletén a levegő nitrogénje és oxigénje nitrogén-monoxidot képez. A talajba kerülő elhalt élő szervezetek nitrogéntartalma baktériumok segítségével alakul át nitrogén-oxidokká. Folyómedrek fenekén kialakult oxigénhiányos környezetben mikrobiológiai tevékenység során nitrogén-oxidok képződhetnek. (torkolatnál)

10 Emberi tevékenységből származó nitrogén-oxidok Közlekedés, benzin és dízelüzemű motorok Energiatermelés fosszilis tüzelőanyaggal Talajerő utánpótlás nitrogéntartalmú anyagokkal

11 Emberi tevékenységből származó nitrogén-oxidok NO: Fosszilis tüzelőanyagokat felhasználó erőművekből és a közlekedésből származik (1:1, Σ > 90%, főleg NO) Talaj N tartalmú szerves és szervetlen trágyázása következtében megnövekedett biológiai tevékenységnek köszönhető N 2 O: Mezőgazdasági tevékenység: talaj szerves és N tartalmú szervetlen trágyázásának eredménye. Közlekedés (katalizátoros autók) Fosszilis alapú erőművek Vegyipar (a nejlon alapanyagának az adipinsavnak a gyártása, salétromsav gyártás) Atmoszférikus koncentrációja évenként 0,2%-kal növekszik.

12 Nitrogén-monoxid képződése: Termikus N 2 molekulák között nagy kötő erő → közvetlenül nem egyesül az oxigénnel Láncreakció: (Zeldovich, 1940) N 2 + O = NO + N N + O 2 = NO + O N + OH = NO + H Lángban képződik → Sebesség meghatározó lépés nagy aktiválási energia miatt A reakcióhoz szükséges oxigénatomok koncentrációja jelentős mértékben függ a hőmérséklettől, emiatt a termikus úton keletkező nitrogén-oxidok mennyisége 1400 ºC fölött válik számottevővé,

13 Termikus nitrogén-monoxid képződés hőmérséklet és idő függése Hőmérséklet [ 0 C ] Egyensúlyi NO koncentráció [ ppm ] 500 ppm NO koncentráció kialakulásához szükséges idő [ sec ] 271,1 x , , ,117 A termikus NO mennyisége függ: a láng hőmérsékletétől és a tartózkodási időtől.

14 Kevés O 2 alacsony Prompt nitrogén-monoxid képződése szénhidrogének CH + CH 2 + CH 3 + CH + N 2 = HCN + N CH 2 + N 2 = HCN + NH CH 3 + N 2 = HCN + NH 2 HCN + O = NO + CH NH + O = NO + H NH + OH = NO + H 2 Fenimore, 1970: Láng magasabb hőmérsékletű részein (kiégési, másodlagos zóna), itt nagyobb az atomos oxigén koncentrációja : → Sebesség meghatározó lépés A prompt nitrogén-monoxid képződése csak kismértékben függ a hőmérséklettől. Egy valós körülmények között üzemelő gázégőnél a prompt NO mennyisége a teljes mennyiséghez képest közelítőleg 5%. A reakciót az alkil gyökök indítják.

15 Nitrogén-monoxid a tüzelőanyag nitrogéntartalmából Szerves molekulákhoz kötött N ( piridin, pirrolváz, aminocsoport) kötési energiája jóval kisebb (150 – 750 kJ/mol), mint a nitrogénmolekuláké → reakcióképesebb A tüzelőanyagból származó NO kevéssé érzékeny a hőmérsékletre, de a levegő- tüzelőanyag arány jelentősen befolyásolja. A láng oxigénhiányos területein (redukciós zóna) a HCN és NH 3 oxidáció helyett nitrogénné redukálódik.

16 Nitrogén-dioxid képződés a lángban NO + HO 2 = NO 2 + OH H + O 2 + M = HO 2 + M H + O 2 = OH + O NO 2 + H = NO + OH NO 2 + O = NO + O 2 A füstgázban csak néhány százalék NO 2 található. oka: NO 2 már 150 ºC – on bomlani kezd, >620 ºC teljes mértékben elbomlik. Alacsonyabb hőmérsékletű részek: Hidroperoxil gyök képződése: Magasabb hőmérsékleten meghatározó reakció: A NO 2 jelentős része visszakeveredik a melegebb térrészbe, ahol : termikusan bomlik vagy ismét visszaalakul NO az alábbiak szerint:

17 Dinitrogén-oxid képződés : Alacsony hőmérsékletű égetéskor HCN + O = NCO + H NCO + NO = N 2 O + CO N 2 O + M = N 2 + O+ M N 2 O + H = N 2 + OH A tüzelőanyag N tartalmának kb %-ka 800 ºC – 900 ºC N 2 O-dá alakulhat. Jellemzően fluidizált szénportüzelésű kazánokban → füstgázban 50 – 150 ppmv N 2 O Kőszén termikus bomlásakor felszabaduló hidrogéncianidból : 950 ºC felett nem képződik dinitrogén-oxid, mivel 900 ºC felett termikusan bomlik: M egy tetszőleges molekula Növekvő lánghőmérséklet növeli a hidrogéngyökök koncentrációját, amik redukálják a dinitrogén-oxidot : Képződésnek kedvez az alacsonyabb lánghőmérséklet => alacsony fűtőértékű tüzelőanyagoknál (pl. biomassza) fokozott mértékű N 2 O képződéssel kell számolni!

18 Rostély tüzelésű kazán T < 1200 o C NO képződés Cirkulációs fluidizációs tüzelésű kazán T = 800 – 900 o C N 2 O képződés A jobb hőelvonás miatt alacsonyabb az égési hőmérséklet Égési hőmérsékletek két különböző típusú kazánban

19 Dinitrogén-oxid képződése katalitikus mellékreakcióként Antropogén N 2 O forrás: a katalizátoros autó (kevesebb, mint a mezőgazdasági tevékenységből származó, de egyre nő) Hármashatású katalizátorokban lejátszódó reakciók mellékterméke: 1. NO redukció 2. CO oxidáció 3.szénhidrogén oxidáció Elsődleges reakció terméke Másodlagos reakció terméke 250  C-on is végbemegy, hőmérséklet emeléssel visszaszorul!

20 Katalizátorral felszerelt benzinüzemű gépkocsik dinitrogén-oxid emissziója Katalizátor típusmg/kmévjárat Katalizátor nélkül~ Kettős hatású (oxidációs) ~ Hármas hatású (oxidáció – redukció) ~ Hármas hatású (oxidáció – redukció ~ Dízelmotor (személygépkocsi) ~ 10 Kibocsátott CO 2 –re vonatkoztatva : 4-8∙10 -5 g N 2 O/gCO 2 GWP: CO 2 = 1 GWP: N 2 O ≈ 270 Katalizátorok bevezetése, jelentős mértékben megnövelte a N 2 O emissziót. Természetesen ez nem kérdőjelezi meg a katalizátorok alkalmazásának környezetvédelmi hasznát, de fejlesztések szükségesek ezen a téren!

21 Nitrogén-oxidok képződése a lángban Egyszerűsített átalakulásMegjegyzés Termikus NO C felett képződik, erősen hőmérsékletfüggő, oxidációs zónában képződik Prompt NO C felett képződik, kismértékben, hőmérsékletfüggő, redukciós zónában képződik NO a tüzelőanyagból C felett képződik, kismértékben hőmérsékletfüggő, oxidációs zónában képződik. NO 2 A láng hidegebb részein képződik, melegebb részeken elbomlik N2ON2O C – C –on képződik, nagyobb hőmérsékleten elbomlik

22 Nitrogén-monoxid nitrogén-dioxid átalakulások az atmoszférában Végbemehet O 2 -vel is → lassú Elsődleges láncvivő Másodlagos láncvivő

23 Körforgás a troposzférában A troposzférikus ózon lehet, hogy egy másik molekulával reagál - troposzférikus ózon mennysége a levegőben lévő [NO2] ⁄ [NO] aránytól függ =>minden olyan anyag, ami gyorsítja az NO → NO 2 átalakulást az ózon koncentrációt növeli - folytonos átalakulások miatt a 2 oxid mindig együtt fordul elő = > mennyiségüket együttesen mérjük és a koncentrációt NOx jelöljük

24 Dinitrogén-oxid az atmoszférában Forrás: természetes és antropogén Troposzférában rendkívül stabil: hidroxilgyökökkel nem reagál λ >260 nm hullámhosszon nem abszorbeál Az alsó légrétegben mutatott stabilitása miatt sokáig nem tekintettük potenciálisan a környezetre veszélyesnek. Utóbbi évek kutatásai alapján: fokozott mértékben üvegházhatású

25 Nitrogén-oxidok távozása az atmoszférából N 2 O 5 + H 2 O = 2 HNO 3 NO 2 + O = NO 3 NO 3 + NO 2 = N 2 O 5 NO 2 + H 2 O → HNO 3 + HNO 2 Nitrogén-monoxid, nitrogén-dioxid NO fotokémiailag inaktív, vízben rosszul oldódik, NO 2 -vé alakul NO 2 jól oldódik: lassú NO 2 kivonás más úton is: Csak napnyugta után játszódik le. MERT Fény hatására

26 Dinitrogén-oxid N 2 O + O = 2 NO Troposzférában mozgó légtömegek szállítják a sztatoszférába, itt bomlik: Káros : bontja az ózonréteget Oxidáció: Fotokémiai: N2ON2O N 2 + O Az emberi tevékenység megzavarja a képződés és kivonás egyensúlyát. A légkör dinitrogén-oxid koncentrációja évente 0,25%-kal növeli a természetes háttér koncentrációhoz képest.

27 Nitrogén-oxidok hatása Növényekre Kifejezetten ártalmasak a növényzetre Légkörben NO és NO 2 együtt (NOx) → hatásvizsgálat csak laborban ppmv NO expozíció a növényeknél azonnali %-os fotoszintézis csökkenést okoz (reverzibilis hatás) NO 2 erőteljes roncsoló hatás levelek széle barnás, barnásfekete lesz levélfelületen foltosodás jelentkezik növényi sejt kezd összehúzódni és a protoplazma elválik a sejtfaltól Végül: sejt teljes kiszáradása

28 Nitrogén-oxidok hatása Emberre/emlősökre NO 2 kb. 4x olyan mérgező, mint a NO Szagküszöb: 1-3 ppmv nyálkahártya irritáció: 10 ppmv körül jelentkezik 200 ppmv 1 percen keresztül történő belélegzése halált okoz! A halál leggyakoribb oka: tüdővizenyő léghólyagocskákban salétromsav keletkezik léghólyagocskák féligáteresztő falán történik a szén-dioxid oxigén gázcsere salétromsav : fehérje denaturáló hatású → féligáteresztő képesség megszűnik → folyadékkal töltődik fel gázcserefelület vesztés → halál

29 Nitrogén-oxidok hatása Szerkezeti és egyéb anyagokra A képződő savas eső a fémes szerkezeti anyagokkal érintkezve elektrokémiai korróziót okoz A savas eső salétromsav tartalma CaCO 3 tartalmú anyagokat (pl. mészkő) nitrát képződés során oldja, így felületi pusztulást okoz. Nedves felülettel érintkező NO 2 a felületen salétromsavat képez, amely erőteljes oxidációs hatása miatt tönkre tehet egyes textilanyagokat, színezékeket.

30 Nitrogén-oxid emisszió csökkentésének lehetőségei Technológiai fejlesztések: 15%-os csökkenés (1980 óta) Antropogén emisszió ~90%-ka Kazánokban Belsőégésű motorokban Csökkentés lehetőségei: Olyan körülményeket hozunk létre, amelyek nem kedveznek a képződésnek A keletkezett füstgázból eltávolítjuk

31 NO emisszió csökkentése az égési folyamatok befolyásolásával Lángban képződő NO mennyisége függ: tüzelőanyag N tartalma lánghőmérséklet tartózkodási idő a jelenlévő redukáló anyagok mennyisége A lánghőmérséklet, tartózkodási idő, a lángban képződő redukáló anyagok mennyisége a légfelesleg-tényezővel befolyásolható. A légfelesleg-tényező globális vagy lokális változtatásával befolyásolhatjuk a nem kívánt nitrogén-monoxid képződést.

32 Kétfázisú égetés (air staging): az égéshez szükséges levegő megosztása → láng egy részében redukciós körülmények → oxidációs zóna, ahol az égési folyamat befejeződik. Alkalmazható: égőfejeknél vagy a teljes tűztérben Nitrogén-monoxid emisszió csökkentése kétfázisú, levegővel szakaszolt égetéssel

33 Nitrogén-monoxid emisszió csökkentése háromfázisú, tüzelőanyaggal szakaszolt égetéssel Legbelső térben tökéletes égetés, utána tüzelőanyag hozzávezetés az előzőleg keletkezett NO redukálása érdekében, végül levegő hozzávezetéssel oxidáljuk a redukciós térben megmaradó szénhidrogéneket és a szén-monoxidot Alkalmazás égőfejeknél

34 Nitrogén-monoxid emisszió csökkentése háromfázisú, tüzelőanyaggal szakaszolt égetéssel

35 Csökkentett NOx emissziójú kazán szakaszolt tüzelőanyag adagolással 1. zónában a tüzelőanyag (elsődleges tüzelőanyag: olaj vagy szénpor) n>1 alkalmazásával kerül elégetésre. 2. zónába a tüzelőanyag energiatartalmának % - ának megfelelő mennyiségű CH-gázt (másodlagos tüzelőanyag) vezetnek. Az oxidációs lángtérben keletkező NO-t (főleg termikus és kötött N eredetű) a redukciós lángtérben képződő szénhidrogéngyökök nitrogénné redukálják. NO hidrogéncianiddá történő átalakulása igen gyors, de a nitrogénné történő redukció már jóval lassabb és n= 0.9 mellett legalább 1000 ºC –ot igényel. 3. zónában levegőfelesleg hozzáadásával biztosítják a még el nem égett anyagok tökéletes égését. Az eljárás alkalmazásával %-os nitrogén-monoxid emisszió csökkenést lehet elérni.

36 Füstgázvisszavezetés Alkalmazás: Olajtüzelő Gáztüzelő berendezések Füstgáz fajhője (a víztartalom miatt) > tüzelőanyag-levegő elegyé → tüzelőanyag-levegő elegyhez keverve csökken a lánghőmérséklet Csökkenő lánghőmérséklet csökkenti a termikus NO mennyiségét A visszavezetett mennyiség általában ~10% Nagyobb arányú 20 % feletti visszavezetésnél megnövekszik a CO és szénhidrogén emisszió. 1.Benyomott levegőhöz keverik (FGR: fuel gas recirculation) 2.Tüzelőanyaghoz keverik (FIR: fuel induced recirculation)

37 A nitrogén-monoxid kivonása erőművek füstgázaiból Lehetőségek: szelektív nem katalitikus redukcióval (termikus DENOx eljárás) szelektív katalitikus redukcióval (katalitikus DENOx eljárás) Mindkét eljárást fejlett országok iparilag is alkalmazzák bár az eljárásnál használt ammónia miatt számos ellenérv ismeretes.

38 Nitrogén-monoxid eltávolítása szelektív nem katalitikus redukcióval 4 NO + 4 NH 3 + O 2 = 4 N H 2 O 2 NH 2 ▬CO▬NH NO + O 2 = 4 N H 2 O + 2 CO 2 NO tartalmú füstgázhoz 900 ºC –on ammóniát adagolnak: A környezetvédelmi szempontból problematikus és toxikus ammónia helyett karbamidot is lehet használni: Előny: a módszer egyszerűsége Hátrány: a reakció hőmérséklet érzékenysége. ammónia esetén 870 – 980 ºC, karbamid esetén 980 – 1140 ºC játszódik le megfelelően Magasabb Magasabb hőmérsékleten az ammónia NO-dá oxidálódik Alacsonyabb Alacsonyabb hőmérsékleten a füstgázban megjelenik a környezetvédelmi szempontból kifogásolható ammónia. A megfelelően beállított paraméterekkel az eltávolítás hatásfoka 40 – 70 %.

39 Nitrogén-monoxid eltávolítása szelektív katalitikus redukcióval Jobb hatásfok érhető el Összetétel: V 2 O 5 vagy WO 3 titán-dioxid hordozón Alkalmazott NH 3 / NO arány ~0,8 (mol/mol), h a távozó füstgáz maradék ammónia tartalma alacsony legyen Hátránya: Katalizátor a füstgáz SO 2 tartalmát SO 3 oxidálja (kénsav korrózió) Ammónium-szulfát lerakódást okozhat a katalizátoron A kéntartalom kedvezőtlen hatásai miatt ezt a módszert csak 0,75%-nál kisebb kéntartalmú tüzelőanyagoknál célszerű alkalmazni.

40 A nitrogén-monoxid kivonása gépjárművek füstgázaiból A belsőégésű motoroknál: keletkezett füstgázok kezelése Az égés körülményeinek változtatása megoldás lehet, de ezzel egyidejűleg más légszennyező anyagok (CO, szénhidrogének) koncentrációja a növekedhet Nincs olyan levegő – tüzelőanyag arány, amelyik minden szempontból megfelelő lenne.

41 A nitrogén-monoxid kivonása gépjárművek füstgázaiból A belsőégésű motorokból származó NO főleg termikus eredetű, mivel a motorhajtóanyagok nitrogéntartalma kevés. Nehéz az égési folyamatba beavatkozni => a kipufogó gázból kell eltávolítani a NO-t, szelektív katalitikus redukcióval. A gépkocsi katalizátorok felépítéséről, műszaki megoldásairól a szénhidrogének című fejezet után kerül sor


Letölteni ppt "HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti."

Hasonló előadás


Google Hirdetések