Kolmonoxidutsläpp från ett förbränningskraftverk. En rapport over studiebesök vid Oriketo förbränningskraftverk

Transkript

1 Kolmonoxidutsläpp från ett förbränningskraftverk En rapport over studiebesök vid Oriketo förbränningskraftverk David Sandqvist, Mia Klavér, Toni Aaltonen, Anton Lindholm 5/7/2010

2 Syfte Förbränningsprocesser är mycket komplicerade och ger upphov till flera olika reaktionsprodukter. Ett exempel på en oönskad förbränningsprodukt är kolmonoxid. Syftet med denna rapport är att granska kolmonoxid och särskilt dess bildning och emission vid förbränningsprocesser i förbränningskraftverk. Vidare beskrivs kolmonoxidens olika miljöeffekter. Som beräkningsexempel har använts Oriketo förbränningsverk. Allmänt om kolmonoxid Kolmonoxid består, som namnet säger, av en kolatom (kovalent) bunden till en syreatom. Det är en färglös och luktfri gas, lättare än luft. Dess förekomst i atmosfären orsakas såväl av naturliga faktorer (till exempel vulkanutbrott), som av diverse antropogena processer (till exempel olika förbränningsprocesser). Vid höga koncentrationer är kolmonoxid mycket giftig för alla aerobiska livsformer, eftersom det kraftigt försämrar hemoglobinets syretransporterande egenskaper. Dock är bakgrundskoncentrationen i atmosfären så låg att den inte är direkt farlig för människor. Dessutom tros kolmonoxid ha vissa normala fysiologiska funktioner i människokroppen. Medelkoncentrationer på 100 ppm eller högre är direkt skadliga för människor. Att utsättas för lägre koncentrationer under en längre tid ger irritationssymptom, såsom huvudvärk och försämrat minne. Varje år inträffar i Finland ett antal fall av akut kolmonoxidförgiftning. Koncentration Plats [ppm] 0,1 Atmosfären 0,5 5 Hemmet Tabell: Exempel på koncentrationer av kolmonoxid på olika platser Rökgas från förbränningskraftverk Smogen i Mexico City 5000 Vedbrasa 7000 Bil utan katalysator

3 Kolmonoxid i atmosfären och miljöeffekter Kolmonoxidkoncentration i atmosfären varierar ungefär från 30 ppb till 300 ppb och är kraftigt beroende av årstiden. Mer än hälften av världens kolmonoxidemissioner är ett resultat av människans inverkan; de högsta koncentrationerna finns i områden med stor befolkning och stor mängd industri och trafik. Nästan 60 procent av detta utsläpp består av bilavgaser, och resten kommer från till exempel industriella processer, träförbränning och naturliga källor som skogsbränder. Atmosfärens CO koncentration steg ännu i början av 1990 talet men uppgången har sedan avtagit på grund av att minskning av CO emissioner har kommit i fokus. Det finns olika slags gränser för kolmonoxidemissioner såväl för industrin som för till exempel fordon. Europeiska unionen har ställt upp utsläppsgränser till exempel för kolmonoxidemissioner från trafik. Euro 5 normen anger att gränsvärdet för utsläppet från dieselfordon är 500 mg per kilometer och 1000 mg per kilometer från fordon med bensin, naturgas eller gasoldrift. Kolmonoxid kan kallas en svag växthusgas som har en indirekt effekt på den globala uppvärmningen. CO reagerar nämligen med hydroxylradikaler (OH grupper) i atmosfären och bildar koldioxid enligt följande reaktionslikhet: CO + OH CO 2 + H Eftersom OH radikaler fungerar som nyttiga molekyler som reducerar mängden riktiga växthusgaserna (till exempel metan och koldioxid), orsakar kolmonoxid att deras potential för global uppvärmning ökar. Kolmonoxid i atmosfären leder också till bildning av ozon i de nedre skikten av atmosfären. Nedan följer en bild som visar koncentrationen CO i atmosfären över en världskarta i april 2000 och i oktober 2000.

4 Rökgasanalys (med avseende på kolmonoxid) för Oriketo förbränningskraftverk Den brännbara delen av det hushållsavfall som tas mot i Oriketo består huvudsakligen av kolväten i olika former, som stegvis bryts ner under förbränningsprocessen. Därefter oxideras kolet av syre enligt reaktionen:

5 C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) Eftersom det finns ett syreöverskott kan man utgå ifrån att förbränningen sker fullständigt. Detta innebär att koldioxid (och vatten) bildas som slutprodukter. För att göra en rökgaskalkyl behövs en uppskattning av det brännbara materialets sammansättning. Den holländska nätbaserade resursen Phyllis ger (utgående från flera studier) fakta om uppmätta halter av kol, väte, syre samt fukt i hushållsavfall. Oriketo förbränningsverk tar mot ca ton avfall per år, varav 7600 ton är aska. Förhållandet mellan den mängd syre (O * 2 ) som krävs i förbränningen och den tillförda mängden syre uppskattas till λ = 1,75. Då kan följande värden beräknas: m % (daf) m % (wet) g i 1 kg g i ton mol i ton mol O 2 C (m %) 54,8 37, ,0 H (m %) 8,1 5, ,0 O (m %) 34,0 23, ,0 fukt 14, aska 17, ,9 988 O 2 * Ur detta fås den procentuella sammansättningen av rökgasen som bildas vid förbränningen: Ämne mol % i rökgas O % N % CO % H 2 O % Summa %

6 Det förekommer dock små mängder kolmonoxid i utsläppet. Den kolmonoxid som förekommer i rökgasen har bildats som mellanprodukt i förbränningsprocessen (det vill säga reaktionen mellan kol och syre) och därefter inte oxiderats vidare till koldioxid. Koncentrationen kolmonoxid i rökgasen beror inte av brist på syre i förbränningsprocessen, och kan således inte förklaras med hjälp av stökiometri. Därför undersöks jämviktsreaktionen för bildandet av kolmonoxid. Dataprogrammet HSC Chemistry 6.1 ger värden för jämviktskonstanten K (och logaritmerade värden) vid temperaturerna grader Celsius. Dessa värden återges i tabellen nedan. 2CO(g) + O2(g) = 2CO2(g) T ΔH ΔS ΔG K Log(K) C kcal cal/k kcal ,444 41, ,813 1,511E , ,561 42, ,608 2,535E , ,578 42, ,387 2,999E , ,527 42, ,170 6,273E , ,427 41, ,964 1,281E , ,293 41,826 98,773 5,309E , ,133 41,653 94,599 1,765E , ,950 41,474 90,443 2,633E , ,751 41,296 86,304 1,200E , ,539 41,123 82,183 1,285E , ,317 40,955 78,079 2,680E , ,088 40,795 73,992 9,507E ,978 Eftersom jämviktskonstanten varierar kraftigt beroende på temperaturen är det därför lämpligt att logaritmera skalan i en graf för att påvisa trenden.

7 Då jämviktskonstanten minskar vid en ökning av temperaturen betyder detta att koncentrationen CO kommer att vara större vid en högre temperatur. Sammansättningen som räknades ut i rökgaskalkylen kan användas som utgångsläge för jämviktsreaktionen mellan kolmonoxid och koldioxid, för vilken halveringstiden t 1/2 kan räknas ut. T molbråk av CO [CO] k [O 2 ] [H 2 O] halveringstid t 1/2 C % ppm mol/l mol/l s 200 0, % 0,000 0,000 0, , , , % 0,000 0,000 0, , , , % 0,000 0,023 0, , , , % 0,000 0,421 0, , , , % 0,000 3,948 0, , , , % 0,000 23,384 0, , , , % 0,000 99,412 0, , , , % 0, ,228 0, , , , % 0, ,416 0, , , , % 0, ,487 0, , , , % 1, ,343 0, , ,199 Koncentrationen kolmonoxid (vid jämvikt) ökar alltså med temperaturen, vilket åskådliggörs i grafen nedan.

8 Jämviktskoncentrationerna för CO är endast signifikanta (~1 ppm) vid temperaturer högre än cirka 1000 C. Däremot bör det beaktas att jämviktstillståndet inte uppnås direkt, utan att reaktionstiden också är olika vid olika temperaturer. Vid lägre temperaturer (<800 C) är halveringstiderna i storleken *10 6 sekunder. Detta betyder att reaktionen knappast hinner uppnå jämviktstillstånd. Den tid reaktionen har på sig beror av processens hastighet, det vill säga hur stor mängd material som hinner genom reaktorn, och reaktorns storlek. Vid högre temperaturer (>800 C) är halveringstiderna dock relativt små, vilket betyder att koncentrationen av kolmonoxid hinner halveras flera gånger från utgångsläget. Oriketo förbränningsverk uppnår en temperatur mellan 800 C och 900 C. Vid antagandet att processen tar kring 10 sekunder, stämmer de beräknade värdena relativt bra med de uppmätta värdena. Diskussion

9 Den uppmätta emissionen av kolmonoxid vid Oriketo uppgår till 1,47 ton per år, med ett dagligt medeltal på ca 20 mg/nm 3. Detta faller väl inom EU gränserna för kolmonoxidutsläpp, och är inte skadligt för människor. Dessutom är miljöeffekterna försumbara då kolmonoxid endast fungerar som en sekundär växthusgas och inte utgör ett större hot än storebrodern koldioxid. I fråga om utsläppen från förbränningsverk kan man tryggt konstatera att utsläppen på inget vis utgör en direkt fara för någon livsform på jorden.

10 Referenser Wikipedia ( EPAFAQ 15, den 4 maj 2010) Nationalencyklopedin ( den 4 maj 2010)