Geneza si dispersia noxelor(2C, 2L), 7 saptamani

Ioana IONELprof. dr. ing. habil

Catedra de Termotehnica si Masini termicedin Fac Mecanica

siCatedra de termotehnica si protectia mediuluide la Univ. Tehnica München, Weihenstephan

Birou sala 131A in cladirea veche a Fac. de mecanicaTel 403670; e-mail: ioana_joule@saratoga.ro

Obiectul• Disciplina face legatura intre cunostiintele teoretice acumulate de

cursant pana la momentul audierii ei cu activitatea practica pe care o va desfasura ca si specialist de masini si echipamente termice. Esteesentiala pentru cultura sa generala, dar si pentru a face fatacerintelor de pe piata muncii, nesaturata cu ingineri cunoscatori aimodalitatilor de a proteja mediul ambiant, in speta de a economisi combustibil prin proiectarea optima a sistemelor generatoare de energie termo-electrica.

• Inainte de a ne imagina orice minim de confort sau de echipament si tehnologii care sa usureze munca, trebuie obtinuta energia electrica, care se bazeaza pe plan mondial, in proportie majoritara, pe energia chimica a combustibililor, care prin ardere genereaza energia termica, in cadrul centralelor termo-electrice. Alaturi de circuitele clasice de centrale se studiaza si cele de perspectiva.

Obiectul

• Se contureaza si principalele probleme legate de poluarea aerului prin gazele emise de instalatiilede ardere stationare, se fac precizari in legatura culegislatia romanesca si internationala privindprotectia mediului si se materializeaza modalitatipractice de reducere a concentratiilor poluantilorin gazele de ardere, prin masuri tehnologice primare sau secundare. Se ofera si aplicatiipractice foarte interesante, cu aparatura si softuride nivel actual, legate de investigatiile on line asupra gazelor de ardere si de posibilitateaevaluarii prin simulare a nivelului de noxe.

Verificarea cunostintelor

• pe parcursul semestrului,prin teste la laborator, verificarea rezultatelor experimentale resp. de calcul si notarea lor, teme de casa, lista de subiecte pentru aprofundare, retinerea prezentei pentru corelarea ei cu nivelul de cunostinte.

• examen scris

• prin nota finala, pentru care,conf. regulamentului de calcul din UPT, se folosesc coeficientii de 0,66 respectiv 0,34 pentru ponderarea notei pentru activitatea pe parcurs, respectiv de la examinare. Calculatia si rezultatele seanalizeaza in prezenta tuturorstudentilor si se afiseaza înextenso.

Examen scris

• se programeaza doua probe succesive,totalizand 2,5 ore max.:

• proba de teorie (scris) consta din întrebari ce vizeaza logica, întelegerea fenomenelor si a principiilor si legilor de baza,

• proba de probleme (scris) consta în verificarea capacitatii de rezolvare a unor aplicatii practice.

• Notarea pentru examinare se face mediind aritmetic notele de la cele doua probe, cu conditia ca ambele note sa fie peste 5.

BibliografieIonel, Ioana, Ungureanu, C., Termoenergetica si mediul, Ed. Tehnica, 1996, Bucuresti.Ungureanu C., s.a. Combustibili, Instalatii de ardere, Cazane, Ed. Politehnica, 1998, Timisoara.Ioana, Ionel, Ungureanu C., Arderea si combaterea poluarii la cazane, Centrul de multiplicare UPT, 1994, Timisoara.Ionel, Ioana, Ungureanu, C., Indrumatorde proiectare pentru cazane si instalatii de ardere, Centru de multiplicare UPT, 1992, Timisoara.

• Indrumator de laborator in curs de editare (Experimente privind analize de combustibili, calitatea arderii si a aerului)

• Inscrieri +• Lista pentru

vizita in CT (excursie)

Laborator• Laboratorul a luat fiinta în 1994, ca urmare a necesitatii

introducerii în curricula universitara a unor noi discipline din

domeniul protectiei aerului, pentru cursantii de la profilul

mecanic, energetic, ingineria mediului, precum si pentru ciclurile

masterale de specialitate din universitate.

• Scopul general a fost si ramâne în continuare scolarizarea si

cercetarea în domeniul prioritar si totodata deficitar al protectiei

mediului, capitol esential care trebuie sa fie finalizat pentru ca

România sa fie acceptata sa adere la Comunitatea Europeana.

• Inaugurarea s-a realizat în mod festiv de catre Univ. Prof. Dr.-

Ing. Klaus Hein, profesor onorific al UPT si directorul IVD

Stuttgart, si dl rector al UPT, prof. dr. ing. Ioan Cartis.

Este unul dintre cele mai bine dotate•• laboratoare din taralaboratoare din tara pe acest profil, având în inventar

aparatura si programe cu licenta , în valoare de peste 200 000 EUR.

• Primul aparat din gestiunea laboratorului a fost donat de Fundatia Alexander von Humboldt, pentru ca sa se creeze conditiile derularii si în tara noastra a unor investigatii ecologice. Cu acest analizor s-au efectuat primele masuratori on line de emisii din termocentralele din România (22 iunie, 1994).

• Au urmat si alte donatii, atât din strainatate (TU München, U Stuttgart, TU Graz, TU Braunschweig, Fundatia Alex.von Humboldt, DEMOKRITOS), cât si din tara (SC CALOR SA, SC Electrocentrale SA, Primaria mun. Timisoara, Consulatul german din Timisoara).

Laboratorul

• De remarcat este faptul ca laboratorul s-a înscris pe o traiectorie europeana evolutiva. Se mentioneaza atragerea sa pâna în 2003, în 5 proiecte europene (PECO, JOULE, NAS, Bilateral ) si în alte sapte nationale, finantate de CNFIS, CNCSIS, BM, etc., fapt care i-a conferit prestanta si renume.

• Întretinerea laboratorului se face majoritar din venituri propri, prin contracte de colaborare cu terti, respectiv din programe specifice nationale finantate de ministerele de resort. Laboratorul este valoros si prin colectivul entuziast de care dispune, în care profesorilor cu reputatie si experienta li s-au alaturat tineri doctoranzi, carora astfel le-au fost deschise numeroase fronturi de lucru experimental si teoretic, pentru perfectionare sau cercetare în cadrul unor proiecte specifice.

Laborator

• Mentorul grupului este si va ramâne profesorul universitar dr. ing. Corneliu Ungureanu.

• Nu în ultim rând se aminteste ca un rol hotarâtor l-a jucat si conducerea Fac. de Mecanica si a Universitatii Politehnica, care au sustinut la momentul oportun, faptic si decizional, înfiintarea laboratorului.

Biblioteca, Literatura de profil• În cadrul laboratorului a fost creata si o minibiblioteca de

specialitate, în care au fost cuprinse reviste de specialitate si carti actuale în limbile româna si de circulatie internationala, achizitionate contra cost, dar si din donatii valoroase de catre VDI, RESCH Verlag, VGB, DAAD, ENERGIE, etc.

• Tot ca urmare a dezvoltarii laboratorului, au putut fi asternute pe hârtie rezultatele experimentale si astfel au fost publicate carti si articole valoroase, atât pe plan national, cât si international.

• Coordonatoarul laboratorului este doamna prof. dr. ing.habil Ioana Ionel.

Dotare

• În mare, în laborator exista o gama de analizoare portabile si fixe de emisii respectiv de imisii, precum si pentru combustibili. Sunt cuprinse si gaze de etalonare adecvate. Se dispune si de o retea moderna de calculatoare puternice si sisteme si programe de achizitie, gestionare si prelucrare de date, inclusiv harta GIS si statie automata de determinat parametrii meteorologici.

Sunt posibile• Analize de combustibili: putere calorifica, analiza

tehnica, determinarea continutului de sulf, compusi pe baza de azot, viscozitate, etc.,

• Investigatii on-line legate de:• calitatea arderii: parametrii termodinamici ai

gazelor de ardere, concentratiile de emisii poluante (CO, NOx, SO2, CmHn, particule) si parametrii de referinta (O2, CO2, etc);

• calitatea aerului ambiant prin masurarea speciilor CO, NOx, SO2, PM10;

• bilanturi termice si de mediu pentru surse stationare de ardere, analize de impact pe partea de aer.

dar si• Calcule de simulare numerica:• a arderii si generarii noxelor în instalatii

stationare de ardere cu programe licentiate;• a dispersiei noxelor cu luarea în considerare a

datelor meteo (local se dispune de baza de date în timp real de la o statie meteorologica automata, proprie cu linie închiriata) cu programe detinute cu licenta.

• Activitati de consultanta pentru eficientizareaproceselor de ardere si reducerea noxelor,

• Activitati de verificare conform normativelor ISCIR a unor aparate consumatoare de combustibil, de mica si medie putere.

Dotare de exceptie• Aparatura portabila metrologizata pentru analiza

gazelor de ardere:• Analizoare model TESTO 33 resp TESTO 350 pentru instalatii

stationare de ardere (determinari de emisii de CO, CO2, NO, NO2, O2, SO2 CmHn, si parametri termodinamici de stare aferenti din gazele de ardere),

• Sistem de memorare propriu sau de interconectare la calculator a analizoarelor de gaze,

• Set de butelii continand gaze de etalonare (CO, NO, NO2, SO2, aer sintetic);

• Aparat analiza Hg;• Sonda izocinetica STEA4 pentru determinarea

gravimetrica a emisiilor de praf (particule solide);

Dotare• Aparatura pentru analize speciale ale combustibililor

ca de ex. :• Analizor de determinare a sulfului, prin titrare cu

ajutorul metodei combustiei pentru aparatul deabsortie model U, tip B (cu indicator pe culoare), si

• Analizor de determinare pentru componente azotate tip Kjehldahl,

• Aparat de cernut RETSCH, • Cântar electronic computerizat SARTORIUS cu

memorie• Aparatura pentru analize de rutina privind

determinarea proprietatilor generale de ardere ale combustibililor solizi, lichizi;

Dotare• Hota aspiratoare sub care se efectueaza diferite analize de

rutina;• Aparatura pentru determinarea de imisii de praf, CO, NOx si

SO2 si anume:• Aparatele ML 8850 S pentru analiza imisiilor de dioxid de

sulf; • Aparatele ML 8840 pentru determinarea imisiilor de NO si NO2

• Sistem DIA-DAGO de memorare a datelor;• Placa de achizitie Siemens pentru achizitia datelor in timp real;• Analizor HORIBA APMA 350E pentru determinarea imisiei de

CO;• Analizor HAWK in IR pentru determinarea pe cale optica a

imisiei de CO;• Analizor de particule PM10 tip LVS3.

Soft cu licentaFLUENT de analiza cu elemente finite a curgerilor, a

schimbului de caldura si masa, a câmpurilor termice în fluide, a arderii, a generarii noxelor prin ardere;

TECPLOT pentru vizualizarea campurilor;

CALINE, SLAB si CALROAD pentru investigarea dispersiei emisiilor pe durata scurta;

CALINE (Cal3qhcr) pentru modelarea imisiilornoxelor gazoase in mediul ambiant provenite de la motoarele cu ardere interna ale autovehiculelor aflate in intersectii;

Simulare numericaISC3 pentru simularea dispersiei de substante gazoase

sau solide, mai usoare sau mai grele decat aerul si pentru întomirea curbelor de izoconcentratiiatmosferice (imisii) pentru dispersia noxelor provenite de la surse stationare (cosuri de fum) sau mobile de ardere (vehicule dotate cu m.a.i.) precum si de la alte surse poluante;

LAB VIEW, care poate vizualiza concentratiile poluantilor emisi de un numar mare de surse stationare;

ADREA care calculeaza dispersia poluatilor in stadade tip canion;

SimulareFIRE (FLOREAN) care simuleza distributia de

temperatura si profilul de concentratii de noxe in focarele cazanelor precum si de analiza cu elemente finite a curgerilor si a schimbului de caldura;

LOTHECO care simuleaza optimizarea ciclurilor termodinamice (CET) mixte si sursa suplimentara de caldura de joasa temperatura;

EMISFAC pentru determinarea emisiilor noxelor gazoase in mediul ambiant provenite de la motoarele cu ardere interna ale autovehiculelor aflate în parcari.

Standuri• Stand complex (fix) de masurare on line a emisiilor

poluante si a parametrilor termodinamici ai gazelor de ardere din surse stationare de ardere, incluzandsistem de achizitie de date;

• Stand autorizat pentru încercarea, conform normelor ISCIR, a cazanelor mici, arzatoarelor termice si diverselor aparate consumatoare de combustibil;

• Stand pentru uscarea in strat fluidizat a prafului decarbune;

• Stand pentru analizarea bilantului de Hg în gazele de ardere;

• Statie meteoroligica automata cu memorarea datelor si linie inchiriata spre Fac de Mecanica.

Poluarea si echilibrul biologic• Ecologia studiaza raporturile pe care organismele le

întretin cu mediul care le înconjoara.• Mediul înconjurator reprezinta totalitatea factorilor

naturali si a celor artificiali creati prin actiuni umane, care, în strânsa interactiune, influenteaza echilibrul ecologic, determinând conditiile de viata pentru om si dezvoltarea societatii.

• În Legea Protectiei Mediului pentru România se indica: "mediul este ansamblul de conditii si elemente naturale ale Terrei: aerul, apa, solul si subsolul, toate straturile atmosferice, toate materiile organice si anorganice, precum si fiintele vii, sistemele naturale îninteractiune cuprinzând elementele enumerate anterior, inclusiv valorile materiale si spirituale".

Ecosistem• Mediul are deopotriva un sens topografic (locul sau

biotipul) si, mai ales, un sens functional, pe careimprima factorii energetici (caldura, radiatiile), trofici (apa si resursele nutritive) si mecanici (ploaia, vântul).

• Unitatea de baza a ecologiei este ecosistemul. Acesta reprezinta ansamblul de actiuni reciproce ce se petrec între numeroase fiinte si mediul lor sau, altfel spus, un angrenaj de relatii ce se stabilesc între lumea vegetala si animala, sub obladuirea acelorasi factori fizici, oferiti de mediu. In sens mai larg prin ecosistem se întelege complexul dinamic de comunitati de plante, animale si microorganisme si mediul lor lipsit de viata, care interactioneaza într-o unitate functionala.

Structura ecosistemului– componenta abiotica, reprezentata de

resursele energetice si trofice ale mediului;

– componenta producatoare de materie organica;

– componenta consumatoare de materie organica (animalele vegetariene si carnivore);

– componenta formata din microflora si microfauna solului, care descompune si mineralizeaza deseurile organice.

Un ecosistem natural este echilibrat• Trebuie însa observat ca ecosistemele sunt guvernate

de mecanisme cu o stabilitate labila, capabile sa reziste prin autoreglare, atât la schimbarile minore ale mediului, cât si la variatiile numarului si modificarilor structurale ale populatiei. Aceste autoreglari au însa limite peste care nu se mai poate trece, fara ca ecosistemul sa nu se modifice substantial, sau chiar sa se prabuseasca.

• Atunci când conditiile noi depasesc limitele între care oscileaza schimbarile obisnuite, echilibrul dinamic al ecosistemelor este rupt, cel mai adesea ireversibil si cu efecte imprevizibile.

• Catastrofele naturale si, mai ales, activitatea umana(surse antropice) produc ecosistemelor cele maiprofunde tulburari.

Progres?• Progresul tehnic aduce cu sine, alaturi de atâtea minunate

realizari, numeroase neajunsuri si o multitudine de substante poluante, care ameninta cu distrugerea mediului înconjurator.

• Orice substanta rezultata din procese chimice, fizice si biologice, care, raspândita în mediul ambiant, dauneaza organismelor vii, bunurilor materiale, operelor de arta si peisajului se numeste substanta poluanta.

• Poluantul este deci o substanta solida, lichida, sub forma gazoasa sau de vapori sau forma de energie (radiatie electromagnetica, ionizanta, termica, fonica sau vibratii) care, introdusa în mediu, modifica echilibrul constituentilor acestuia si a organismelor vii si aduce daune bunurilor materiale.Cuantificarea efectelor activitatii umane si a proceselor naturale asupra mediului, a sanatatii si securitatii omului, precum si abunurilor de orice fel se realizeaza prin evaluarea impactului asupra mediului.

Deteriorarea mediului• Prin prejudiciu se întelege efectul cuantificabil în cost al

daunelor asupra sanatatii oamenilor, bunurilor sau mediului provocat de poluanti, activitati daunatoare sau dezastre.

• In urma deteriorarii mediului se produce alterarea caractersiticilor fizico-chimice si structurale ale componentelor naturale ale mediului, reducerea diversitatii si productivitatii biologice a ecosistemelor naturale si antropizate, afectarea echilibrului ecologic si a calitatii vietii cauzate, în principal, de poluarea apei, atmosferei si solului, supraexploatarea resurselor, gospodarirea si valorificarea lor deficitara, ca si prin amenajari necorespunzatoare ale teritoriului.

Sursele poluarii permanente sunt foarte diversificate

• Astfel fabricile de îngrasaminte chimice emit importante cantitati de oxizi de sulf, oxizi de azot, acizi ai fosforului, fabricile de soda emit clor, fabricile de aluminiu emit flor, fabricile de ciment emana praf, rafinariile emana hidrocarburi si dioxid de sulf, combinatele de metalurgie neferoasa emit oxizi de sulf, compusi ai metalelor grele, oxizi de azot, etc.

• Gazele, evacuate pe cosurile de fum ale instalatiilor de ardere, contin, de asemenea, importante cantitati de oxizi de sulf, oxizi de azot, monoxid si dioxid de carbon, praf de cenusa, etc.

• Chiar si prin canalul de fum al cosurilor imobilelor de locuit sunt emise importante substante poluante. Amploarea si primejdia acestor emisii se explica, pe de o parte, prin aceea ca emisiilede fum se fac la mica înaltime si deci dispersia lor în aer este slaba iar, pe de alta parte, prin continutul relativ ridicat dehidrocarburi grele si gudroane, explicabil prin temperaturile mici la care se desfasoara procesele de ardere.

Automobilele si civilizatia!• La toate acestea se adauga noxele evacuate în

aer odata cu gazele esapate de autovehicule, si

anume: monoxid si dioxid de carbon, oxizi de

azot, aldehide, acid clorhidric si bromhidric, acid

sulfuric si azotic, combinatii ale plumbului, etc.

Cantitatea acestora este deosebit de mare, în

acest secol al civilizatiei si depaseste, în multe

regiuni, pe cea emisa de instalatiile de ardere

stationare.

Efectele nocive ale poluantilor• Orice substanta sau produs care, folosit în

cantitati, concentratii sau conditii aparent nepericuloase, prezinta risc semnificativ pentru om, mediu sau bunurile materiale (deci pot fi explozive, oxidante, inflamabile, toxice, nocive, corozive, iritante, mutagene sau radioactive) se desemneaza drept substanta periculoasa.

• Prin ORDIN nr. 592 din 25 iunie 2002 se stabilesc concentratiile maxime (medie lunara sau anuala) admise ale unor substante poluante în aerul din zonele protejate.

Categorii de poluanti• noxe care dauneaza direct organismului uman, ca de exemplu

oxizii de azot (NOx), oxizii de sulf (SOx), monoxidul de carbon (CO), precum si unele metale grele ;

• noxe care actioneaza direct asupra vegetatiei, ca de exemplu dioxidul de sulf (SO2) si combinatiile dintre Cl si H2;

• noxe care stau la baza formarii de acizi, ca de exemplu SO2, SO3, NO si NO2, ce determina formarea ploilor acide si distrugerea padurilor (Waldsterben);

• noxe persistente în soluri, care, în cadrul lantului biologic planta-animal-om, se acumuleaza si devin astfel nocive organismului uman, asa cum este cazul metalelor grele;

• noxe care devin factori de influenta ai climei, ca de exempluCO2 si N2O, precum si factori importanti în declansarea efectului de sera al pamântului sau contribuie la distrugerea stratului natural de ozon.

Pragul de nocivitate

• Cercetarile în acest domeniu au urmarit

sa stabileasca limita (granita) tolerabila

a poluantilor în aer, în conditiile

protejarii sanatatii oamenilor. S-a ajuns

la concluzia ca impurificarea atmosferei

poate determina trei riscuri:

Nocivitate• toxicitatea imediata, datorata expunerii la concentratii relativ

ridicate ale poluantilor. Aceste cazuri sunt mai putin întâlnite si se datoreaza unor situatii exceptionale, ca de exemplu aparitia unor accidente în functionarea instalatiilor industriale;

• intoxicarea pe termen mai lung, care apare în cazul expunerii la substante cu proprietati cumulative, ele fiind retinute în organism, în stare activa, un timp oarecare. Absorbtia repetata a micilor doze din aceste substante si eliminarea lor greoaie creeaza premisele atingerii pragului de concentratie toxica la nivelul receptorilor sensibili. Este cazul metalelor (plumb,mercur, cadmiu), al florului, dar si al anhidridei sulfuroase si acidului sulfuric, susceptibile de a contribui la aparitia bronsitelor cronice;

• inductia proliferarilor maligne, care rezulta din expunerea la substante considerate cancerigene sau potential cancerigene.Intre aceste substante se numara substantele aromatice:dimetilaminobenzenul, dimetilaminostilbenul, benzopirenul(provenit mai ales de la motoarele diesel prost reglate) saudietilnitrosamina. Alaturi de aceste hidrocarburi, o actiune similara pot declansa derivatii arsenului, cobaltului, zincului,plumbului si cromului.

Formula

11

≤∑=

n

i maxi

i

CC

în care: i este egal cu 1, 2, ... , n;

Ci concentratia substantei poluante i în aer;Ci max concentratia maxim admisa pentru poluant.

Formula de raportare

CM este concentratia de noxa masurata OM este valoarea masurata a oxigenului

în fum, în %;O B (ref) este valoarea de referinta, conform

tabelului din legislatie, în %.

MM

BBB C

2121C ⋅

−−=

OO

)O la (raportata

Recalculare spre conditii normale

• pn este presiunea normala• pb este presiunea barometrica• δp este suprapresiunea (depresiunea)

[ ] mg/m /,

t,OO 3

NMn

b

M

BB C

ppp

1527315273

2121C δ−+⋅+⋅

−−=

Relatie de transformare

[ ]3

4138322 Nmmg/ ,M

CC Gvm =