Κεφάλαιο 2 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ
2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κυριότεροι ατμοσφαιρικοί ρυπαντές κατά τη βιομηχανική λειτουργία, και ιδιαίτερα κατά την αξιοποίηση των ορυκτών υλών και των υλικών, είναι τα στερεά σωματίδια (οι σκόνες), το SO2 και το CO. Τα στερεά σωματίδια είναι ο περισσότερο διαδεδομένος ατμοσφαιρικός βιομηχανικός ρύπος. Σκόνες υπάρχουν στις πρώτες ύλες ή παράγονται κατά τη διακίνηση, την προετοιμασία και την τροφοδοσία των πρώτων υλών ή κατά τη διαχείριση των ενδιάμεσων προϊόντων. Για παράδειγμα, κατά τη διακίνηση των πρώτων υλών με μεταφορικές ταινίες, παράγονται σκόνες στα σημεία πτώσης των ταινιών. Σκόνες παράγονται, ακόμη, κατά τη μεταφορά των πρώτων υλών με αυτοκίνητα ή κατά τη φόρτωση και εκφόρτωσή τους σε πλοία ή σε αποθηκευτικούς χώρους. Σκόνες παράγονται, επίσης, κατά τη θραύση, την ταξινόμηση και τον εμπλουτισμό των πρώτων υλών. Ακόμη, σκόνες παράγονται κατά την επεξεργασία τους σε όλες τις μεταλλουργικές εγκαταστάσεις, όπως για παράδειγμα στις μονάδες συσσωμάτωσης, [δηλαδή μπρικετοποίησης (briquetizing) ή σφαιροποίησης (pelletizing)] ή επίτηξης (sintering), στις υψικαμίνους, στις ηλεκτροκαμίνους, στις περιστροφικές καμίνους ή στις μονάδες εξευγενισμού (refining) και χύτευσης, όπως είναι οι μεταλλάκτες, και στις μηχανές χύτευσης ή κοκκοποίησης του μετάλλου κ.λπ. Μέρος της σκόνης αυτής παρασύρεται με τα απαέρια στην ατμόσφαιρα, αν δεν συγκρατηθεί σε κατάλληλες εγκαταστάσεις. Στη μεταλλουργία, το SO2 παράγεται κυρίως κατά τη φρύξη και την τήξη των θειούχων ορυκτών του Cu, Pb, Ζn και Ni. Κατά την παραγωγή του θειικού οξέος (H2SO4) στη χημική βιομηχανία, το SO2 προέρχεται από τη φρύξη του σιδηροπυρίτη (FeS2) ή από την οξείδωση του στοιχειακού θείου (So). Επίσης, στις μονάδες παραγωγής θερμοηλεκτρικής ενέργειας ή όταν, κατά την παραγωγική διαδικασία, απαιτούνται μεγάλες ποσότητες καυσίμων, δημιουργείται σοβαρό πρόβλημα, λόγω της παραγωγής SO2 από το θείο (S) των καυσίμων. Στις αστικές περιοχές, το SO2 προέρχεται κυρίως από τη θέρμανση και από τα αυτοκίνητα. Στον πίνακα 5 δίνονται οι εκπομπές SO2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση (European
34
Τεχνολογία Προστασίας Περιβάλλοντος στη Βιομηχανία
Environmental Agency ή ΕΕΑ33) και στις Η.Π.Α. κατά το 2011. Στον πίνακα 6 δίνονται οι εκπομπές SO2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση από το 1990 έως το 2011 και στις Η.Π.Α. από το 1970 έως το 1999. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί, έχουμε μια συνεχή μείωση των εκπομπών SO2. Αυτό συμβαίνει και σε παγκόσμια κλίμακα, σε μικρότερο βαθμό. Μάλιστα, ήδη από το 1970 καταβάλλονται συνεχείς προσπάθειες περιορισμού της παγκόσμιας ανθρωπογενούς παραγωγής SO2. Πίνακας 5. Πηγές εκπομπών και εκπομπές SO2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕΑ33) (2014) και στις ΗΠΑ (2011). Εκπομπές SO2 Εκπομπές SO2 EEA33* ΗΠΑ** Πηγές εκπομπών Πηγή εκπομπής Εκατ. % Εκατ. % τόνοι τόνοι 1. Παραγωγή και διανομή 4,258 58,1 Καύση καυσίμων 5,739 87,7 ηλεκτρικής ενέργειας 2. Χρήση ηλεκτ. ενέργειας 1,500 20,2 στη βιομηχανία 3. Νοικοκυριά, δημόσιο 1,117 15,2 και εμπορικές επιχειρήσεις 4. Βιομηχανική διαδικασία 0,256 3,5 Βιομηχανική 0,661 10,1 διαδικασία 5. Μη οδικές μεταφορές 0,190 2,6 Μεταφορές 0,121 1,8 6. Οδικές μεταφορές 0,009 0,1 7. Γεωργία 0,004 0,1 Γεωργία 0,008 0 8. Άλλες πηγές 0,003 0 Άλλες πηγές 0,017 0,3 Σύνολο 7,338 100,0 Σύνολο 6,539 99,9 *European Environmental Agency (2014). **Environmental Protection Agency (2011).
Εκτός από το SO2, υπάρχουν και άλλοι αέριοι ρύποι στη βιομηχανία, όπως το υδροφθόριο (HF) στην παραγωγή αλουμινίου, το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) στη μεταλλουργία του σιδήρου και των σιδηροκραμάτων (όπως είναι τα Fe-Mn, Fe-Si και Fe-Cr), το χλώριο (Cl2) και το υδροχλώριο (HCl) στη μεταλλουργία του Mg, οι χλωριούχες ενώσεις μετάλλων (MeCl2) κατά την αποτέφρωση στερεών αστικών αποβλήτων, τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) στη χαλυβουργία και οι οργανικές ενώσεις από την ατελή καύση των καυσίμων. Στις αστικές περιοχές, το CO προέρχεται κυρίως από τα αυτοκίνητα. Στις βιομηχανικές περιοχές, προέρχεται από την ατελή καύση του άνθρακα και/ή από την παραγωγική διαδικασία. Στον πίνακα 7 δίνονται οι κυριότεροι ατμοσφαιρικοί ρυπαντές στη
Ατμοσφαιρική Ρύπανση
35
μεταλλουργία. Στην εικόνα 5 δίνεται η επίδραση του CO στον άνθρωπο, σύμφωνα με στοιχεία της εταιρίας Outokumpu Oy. Πίνακας 6. Εκπομπές SO2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στις Η.Π.Α. ΕΕΑ33 ΗΠΑ Δείκτης Δείκτης Έτος Εκπομπές SO2 Εκπομπές SO2 εκπομπών εκπομπών (εκατ. τόνοι) (εκατ. τόνοι) 1970 28,3 1980 23,5 1990 100,0 27,7 100 21,5 1996 63,6 17,6 79,5 17,1 1997 59,8 16,6 81,9 17,6 1998 54,7 15,2 82,3 17,7 1999 48,6 13,5 79,5 17,1 2000 45,0 12,5 2005 36,2 10,0 2010 26,1 7,2 2011 26,5 7,3 30,2 6,5
Εικόνα 5. Επίδραση του CO στον άνθρωπο. (1: Μη αντιληπτά συμπτώματα, 2: Αντιληπτά συμπτώματα, 3: Πονοκέφαλος, ναυτία, 4: Επικίνδυνη συγκέντρωση, 5: Θάνατος) (Πηγή: Outokumpu Oy Company).
36
Τεχνολογία Προστασίας Περιβάλλοντος στη Βιομηχανία
Πίνακας 7. Σημαντικότεροι ατμοσφαιρικοί ρυπαντές στη μεταλλουργία. Κατηγορία βιομηχανίας 1. Μεταλλουργία σιδήρου και χάλυβα
2. Μεταλλουργία πρωτογενούς Cu
3. Μεταλλουργία πρωτογενούς Zn 4. Μεταλλουργία πρωτογενούς Pb 5. Μεταλλουργία πρωτογενούς Ni από οξειδωμένα μεταλλεύματα 6. Μεταλλουργία πρωτογενούς Ni από θειούχα ορυκτά 7. Μεταλλουργία πρωτογενούς Al 8. Μεταλλουργία σιδηροκραμάτων (Fe-Mn, Fe-Si, Fe-Cr κ.λπ.) 9. Βιομηχανία τσιμέντου 10. Βιομηχανία πυριμάχων, ασβέστη, ορυκτών, κεραμικών, γυαλιού, αδρανών 11. Βιομηχανία άνθρακα
12. Βιομηχανία λιπασμάτων 13. Βιομηχανία αποτέφρωσης στερεών αστικών αποβλήτων
Μονάδες συσσωμάτωσης Υψικάμινος, ηλεκτροκάμινος, μεταλλάκτης LD ή OBM Ηλεκτροκάμινος ανοιχτού τόξου, κάμινος τήξης Φρύξη, κάμινος τήξης, μεταλλάκτης, μονάδες Inco, Outokumpu, Noranda, Mitsubishi Μονάδες συσσωμάτωσης (sintering), υψικάμινος Φρύξη Μονάδες συσσωμάτωσης (sintering), υψικάμινος Φρύξη, συσσωμάτωση (sintering) Υψικάμινος, κάμινος κυπέλλωσης Περιστροφική κάμινος Ηλεκτροκάμινος Μεταλλάκτης LD ή OBM
Κύρια αιτία ρύπανσης Σκόνη Σκόνη και CO “ Σκόνη “ Σκόνη και SO2 “ “ “ Σκόνη “ Σκόνη και SO2 Σκόνη “ Σκόνη, Pb και SO2 Σκόνη, Pb Σκόνη Σκόνη και CO Σκόνη
Φρύξη, κάμινος τήξης, μεταλλάκτης, μονάδες Inco, Outokumpu Κελιά ηλεκτρόλυσης Περιστροφική κάμινος Περιστροφική κάμινος Ηλεκτροκάμινος
Σκόνη και SO2 “ “ Φθορ. ενώσεις Σκόνη Σκόνη Σκόνη και CO
Περιστροφική κάμινος Περιστροφική κάμινος, φρεατώδης κάμινος, Κάμινος πολλαπλών δαπέδων
Σκόνη Σκόνη “ “
Αποστακτική κάμινος, φρεατώδης κάμινος, κάμινος ρευστοστερεού στρώματος Κάμινος ρευστοστερεού στρώματος Κάμινος αποτέφρωσης
Σκόνη, πίσσα, αμμωνία, υδρογονάνθρακες Σκόνη και SO2 Σκόνη, MeCl2
Μεταλλουργική μονάδα
Κεφάλαιο 4 ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ
4.1. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Τα στερεά απόβλητα διακρίνονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. • Στερεά αστικά απόβλητα ή αστικά μεταλλεύματα (urban ores). Πρόκειται για τα γνωστά σκουπίδια. • Στερεά βιομηχανικά απόβλητα. Πρόκειται για κάθε είδους στερεά υπολείμματα κάθε βιομηχανικής δραστηριότητας. • Επικίνδυνα (τοξικά) στερεά απόβλητα. Πρόκειται για τα στερεά ραδιενεργά απόβλητα και τα στερεά απόβλητα της ιατρικής (από κλινικές, νοσοκομεία, χειρουργεία κ.λπ.), τα οποία απαιτούν ειδική μεταχείριση και δεν εξετάζονται στην παρούσα έκδοση.
4.2.
ΣΤΕΡΕΑ ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ (urban ores)
4.2.1. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΗΤΕΣ Τα στερεά αστικά απόβλητα είναι τα γνωστά σκουπίδια, τα οποία στον ανεπτυγμένο κόσμο παράγονται με ρυθμό 0,66 τόνοι/κάτοικο και έτος. Επομένως, σε μια πόλη με 4 εκατομμύρια κατοίκους, όπως η Αθήνα, παράγονται 4 x 106 x 0,66 = 2,64 106 τόνοι σκουπιδιών/έτος. Τα στερεά απόβλητα ονομάζονται και αστικά μεταλλεύματα (urban ores), ένεκα της σημαντικής περιεκτικότητάς τους σε χρήσιμα υλικά (μέταλλα, χαρτί, γυαλί, πλαστικό κ.λπ.), όπως φαίνεται στον πίνακα 31. Από πλευράς όγκου, τα πλαστικά κατέχουν το 30% περίπου του όγκου των στερεών αστικών αποβλήτων.
156
Τεχνολογία Προστασίας Περιβάλλοντος στη Βιομηχανία
Τα στερεά αστικά απόβλητα μπορούν να θεωρηθούν ως πηγή ενέργειας, αφού η ανωτέρα θερμογόνος δύναμη (ΑΘΔ) που κατέχουν ανέρχεται σε 1.800-2.000 kcal/kg. Στις μεσογειακές χώρες, αυτή η θερμογόνος δύναμη είναι χαμηλότερη κατά 10% περίπου, ένεκα της υψηλότερης κατανάλωσης φρούτων και λαχανικών. Πίνακας 31. Σύσταση στερεών αστικών απορριμμάτων (βάρος, %) (Λαμπράκης 1992). Υλικό Ευρώπη Θεσσαλονίκη(1) ΗΠΑ(1) (1989) (1992) 1. Χαρτί 41 16,5 35,8 2. Μέταλλα 9 4,2 9,0 3. Γυαλί 8 4,9 8,4 4. Τρόφιμα 8 5. Πλαστικά 7 10,7 7,4 6. Διάφορα 27 7. Οργανικά 63,7 39,4 Σύνολο 100,0 100,0 100,0
4.2.2.
ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ
Η διαχείριση των στερεών αστικών αποβλήτων θεωρείται από τα δυσκολότερα προβλήματα των αστικών περιοχών. Σήμερα, εφαρμόζονται οι ακόλουθοι τρεις τρόποι διαχείρισης: η αποτέφρωση, η απόθεση σε χωματερές και η ανακύκλωση.
4.2.2.1.
ΑΠΟΤΕΦΡΩΣΗ
Κατά την αποτέφρωση, καίγεται η καύσιμη ύλη των στερεών αστικών αποβλήτων και παράγεται υπόλειμμα, ουσιαστικά ελεύθερο από διασπώμενες οργανικές ουσίες. Πλεονεκτήματα της μεθόδου • Ο όγκος των απορριμμάτων ελαττώνεται στο 10% περίπου του αρχικού. • Το βάρος των απορριμμάτων ελαττώνεται στο 30% περίπου του αρχικού. • Ελαττώνεται η πιθανότητα ρύπανσης ή μόλυνσης του υδροφόρου ορίζοντα από ανόργανα ή οργανικά βλαπτικά υλικά, με σταθεροποίηση της τέφρας. • Υπάρχει η δυνατότητα εξαγωγής μετάλλων από την τέφρα (με μαγνητικό διαχωρισμό).
Στερεά Απόβλητα
157
• Υπάρχει η δυνατότητα αξιοποίησης της τέφρας ως πληρωτικού υλικού (filler) ή δομικού ή υλικού οδοποιίας. • Αξιοποιείται η ενέργεια καύσης. Μειονεκτήματα της μεθόδου • Εξαιτίας της καύσης, παράγονται καυσαέρια τα οποία πρέπει να καθαριστούν, από σκόνη (ιπτάμενη τέφρα) και αέριους ρύπους, πριν αποβληθούν στην ατμόσφαιρα. • Υπάρχει παρουσία πτητικών χλωριούχων μετάλλων (MeCl2) και αερίου HCl στα καυσαέρια από την καύση του χλωριούχου πολυβυνιλίου (PVC) στα πλαστικά. • Στις μεσογειακές χώρες, υπάρχει δυσκολία εξασφάλισης ικανοποιητικών συνθηκών καύσης, εξαιτίας της μεγάλης συμμετοχής φρούτων και λαχανικών. Η δυσκολία αυτή απαιτεί συχνά την προσθήκη ποσότητας καυσίμου.
4.2.2.1.1. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΠΟΤΕΦΡΩΣΗΣ Μια μονάδα αποτέφρωσης, δυναμικότητας 500.000 τόνων σκουπιδιών ανά έτος, μπορεί να δώσει ονομαστική ισχύ:
500.000.000x1.000 x0,9 ≅ 60 365x24x860 όπου
1000 kcal/kg 1 kWh = 0,9
MW
είναι η κατωτέρα θερμογόνος δύναμη (ΚΘΔ) επί φυσικού των σκουπιδιών, 860 kcal και είναι η λειτουργικότητα της μονάδας.
Τα 60 MW αντιστοιχούν στο 10% περίπου, της απαιτούμενης ενέργειας μιας ελληνικής πόλης 1 εκατομμυρίου κατοίκων. Από λειτουργικά στοιχεία προκύπτει ότι μια μονάδα αποτέφρωσης μπορεί να καλύψει το λειτουργικό της κόστος, όχι όμως και το κόστος επένδυσης. Η συνήθης μονάδα καθαρισμού των καυσαερίων είναι το ηλεκτροστατικό φίλτρο (Η/Φ). Η θερμοκρασία των καυσαερίων στον ατμολέβητα είναι 900 οC, ενώ στην είσοδο του Η/Φ είναι 250 οC περίπου. Η ιπτάμενη τέφρα που συλλέγεται στο Η/Φ αποτελεί το 8% περίπου της συνολικής τέφρας. Οι ρύποι στα καυσαέρια είναι σκόνη (ιπτάμενη τέφρα), χλωριούχες πτητικές ενώσεις διαφόρων μετάλλων και αέριο υδροχλώριο HCl. Σημειώνεται ότι ένα υψηλό ποσοστό των βαρέων μετάλλων βρίσκεται υπό μορφή χλωριούχων ενώσεων, επομένως υπάρχει ανάγκη σταθεροποίησης της τέφρας.
158
Τεχνολογία Προστασίας Περιβάλλοντος στη Βιομηχανία
Η μονάδα αποτέφρωσης είναι πλήρως αυτοματοποιημένη. Η κάμινος καύσης είναι πρακτικά μια κινητή κεκλιμένη εσχάρα, η οποία έχει τη δυνατότητα προσθήκης καυσίμου από εξωτερική πηγή ενέργειας όταν χρειάζεται. Στο κτίριο αποτέφρωσης (διακίνηση – τροφοδοσία της καμίνου και καύση) επιβάλλεται υποπίεση από τους ανεμιστήρες (μυζητήρες) που τροφοδοτούν τον αναγκαίο αέρα στην κάμινο καύσης, οπότε δεν υπάρχουν δυσάρεστες οσμές (από τις οργανικές ουσίες των σκουπιδιών) προς το περιβάλλον. Από πλευράς ροών υλικών, διακρίνεται το κύκλωμα στερεών (σκουπιδιών, τέφρας), το κύκλωμα αερίων και το κύκλωμα ατμού. Στο κύκλωμα τέφρας, υπάρχουν μαγνητικοί διαχωριστές για τη συλλογή μεταλλικών αντικειμένων από την τέφρα. Στις εικόνες 41 και 42 φαίνεται η τροφοδοσία και η κάμινος αποτέφρωσης των στερεών αστικών αποβλήτων.
Εικόνα 41. Τροφοδοσία καμίνου αποτέφρωσης στερεών αστικών αποβλήτων (Corbitt 1990).