Ochrona powietrza

Jeżeli już wiemy, że nie wszystkie paliwa łatwo się spalają, to spróbujmy uszeregować je kolejno od najłatwiej do najtrudniej spalających się.

Najłatwiej spalają się wodór i gaz ziemny (metan), a następnie LPG (ang. Liquefied Petroleum Gas - skroplony gaz z ropy naftowej; mieszanina propanu i butanu). Kolejnymi paliwami są benzyna, olej napędowy i opałowy, paliwa stałe, a na końcu RDF (ang. Refuse Derived Fuel - paliwo z odpadów).

Wodór

W normalnych warunkach wodór jest gazem. Skrapla się w temperaturze -252°C. Temperatura otrzymywania ciekłego wodoru może być wyższa, jeżeli zastosuje się podwyższone ciśnienie. Będzie wtedy występował w ciekłym stanie nadkrytycznym. Z tego powodu transportowany jest zwykle jako gaz sprężony. Utrudnia to stosowanie go jako paliwa w pojazdach, gdyż wymagałby częstego tankowania pojazdu. Metr sześcienny wodoru waży tylko 90 g. Nawet po sprężeniu go do ciśnienia 200 atmosfer daje to tylko 18 kg. Dla przykładu benzyna o tej objętości ważyłaby około 750 kg. Mimo swojej wysokiej wartości opałowej (120 MJ/kg) z powodu małej gęstości raczej trudne byłoby zastosowanie go jako paliwa w pojazdach.

Wodór ciekły jest trudny do przechowywania ze względu na niskie temperatury, zbliżone do zera absolutnego. Schładzanie wymagałoby wydatkowania dużej ilości energii. Ciekły wodór praktycznie wykorzystywany był tylko jako paliwo do napędu rakiet kosmicznych.

Należy również pamiętać o korozji wodorowej (kruchość wodorowa), której ulega struktura metalu poddana działaniu wodoru pod wpływem różnych czynników (np. ciśnienia czy temperatury). Wodór normalnie występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych. Może jednak ulegać dysocjacji na pojedyncze atomy, które jako bardzo małe mogą wnikać do struktury krystalicznej metalu, powodując obniżenie jego wytrzymałości. Szczególnie niebezpieczne może być to w odniesieniu do zbiorników samochodowych na wodór. Znane są wypadki eksplozji np. reaktorów do syntezy amoniaku, spowodowane korozją wodorową.

Spalanie wodoru prowadzi do otrzymania tylko wody. Jest więc bardzo bezpieczne dla środowiska. Jedynym niekorzystnym produktem mogą być tlenki azotu, które powstają w czasie spalania wodoru z powietrzem. Na szczęście, powstają one w niewielkich ilościach.

Należy też pamiętać, że wodór jest gazem łatwopalnym i wybuchowym.

Wodór może być wykorzystywany również jako źródło energii przy wytwarzaniu energii elektrycznej w ogniwach paliwowych.

Obecnie wytwarzanie wodoru jest drogie i stosowanie go jako paliwa w powszechnym zastosowaniu nie jest uzasadnione ekonomicznie.

Gaz ziemny

Gaz ziemny jest bardzo popularnym źródłem energii. W jego skład wchodzi głównie metan (ponad 90%). Jako dodatki mogą występować inne palne węglowodory (głównie etan, propan i butan), azot jako składnik inertny, siarkowodór, a także inne związki organiczne. Szczególnie niebezpieczna jest obecność siarkowodoru. Po pierwsze, jest on gazem trującym, ale ponieważ mała jest możliwość uwalniania gazu ziemnego, więc ten czynnik nie jest bardzo niebezpieczny. Po drugie, w czasie spalania gazu ziemnego utlenieniu ulega również siarkowodór, tworząc tlenki siarki (głównie ditlenek siarki, który może dalej utleniać się do tritlenku). Tlenki siarki powodują powstawanie kwaśnych deszczy. Na szczęście, obecnie znane i stosowane są technologie usuwania siarkowodoru z gazu ziemnego. W wyniku tego procesu otrzymuje się jako odpad siarkę rodzimą (elementarną). Jest to obecnie dominujący sposób otrzymywania siarki.

Ponieważ głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan, jego właściwości decydują o zachowaniu się tego paliwa. Metan w warunkach normalnych jest gazem. Skrapla się w temperaturze -162°C. Temperaturę skraplania można podnieść, zwiększając temperaturę i przechodząc do stanu nadkrytycznego. Wartość opałowa zależy od ilości azotu (rozróżniamy gaz ziemny wysokometanowy i naazotowany) i wynosi od około 20 do około 35 MJ/m3. Gęstość metanu to ponad 700 g/m3.

Metan może być również otrzymywany w sposób sztuczny w procesie fermentacji metanowej (beztlenowej) odpadów biodegradowalnych lub odpadów chowu i hodowli zwierząt (gnojówka i gnojowica).

Ponadto jest on głównym składnikiem gazy wysypiskowego powstającego w czasie składowania odpadów komunalnych na składowiskach odpadów.

Jako źródło energii gaz ziemny może być dostarczany do odbiorców rurociągami. Jako gaz sprężony nazywany jest CNG (ang. Compressed Natural Gas) i stosowany jako paliwo w pojazdach, szczególnie chętnie autobusach. Gaz ziemny może być również stosowany jako paliwo ciekłe LNG (ang. Liquefied Natural Gas). Ponieważ przechowywanie ciekłego metanu wymaga zbiornika kriogenicznego, stosowany jest jako paliwo tylko w pojazdach wielkogabarytowych. Skroplony gaz ziemny może być również transportowany statkami na duże odległości. Wymagane jest wtedy wstępne skroplenie gazu, a następnie jego wtórna regazyfikacja (tak jak w polskim terminalu LNG im. Prezydenta Lecha Kaczyńskiego w Świnoujściu), po czym jako gazowy kierowany jest do sieci gazociągów. Skraplanie gazu ziemnego połączone jest równocześnie z jego oczyszczeniem od innych składników.

Podczas spalania metanu jako główne produkty powstają ditlenek węgla i woda. Dodatkowo mogą powstawać tlenki siarki (od zawartego siarkowodoru), tlenki azotu (w wyniku spalania w powietrzu zawierającym azot) i tlenek węgla (w wyniku niecałkowitego spalania). W skrajnych przypadkach możliwe jest powstawanie sadzy (elementarny węgiel), przy drastycznych niedoborach tlenu podczas spalania.

LPG

Gaz LPG składa się z propanu i butanu, najczęściej po około 50% objętościowych. Mogą w nim również występować węglowodory wyższe. Dostarczany jest w zbiornikach (butlach) jako ciekły pod ciśnieniem kilku atmosfer. Z tego względu butle nie mogą być napełniane do pełna. Stopień napełnienia powinien wynosić maksymalnie 80%. Pozostała przestrzeń wypełniona jest oparami gazów i stanowi mechanizm bezpieczeństwa przy ewentualnym ogrzaniu zawartości.

Propan wrze w warunkach normalnych w temperaturze -42°C, a butan w -0,5°C. Z tego względu niektórzy producenci, w celu zapewnienia podobnych parametrów parowania tej mieszanki, zwiększają zawartość propanu zimą, a butanu latem. Skroplony gaz ma gęstość 0,5 kg/l. Wartość opałowa wynosi około 25 MJ/l. Po rozszczelnieniu zbiornika ciecz błyskawicznie odparowuje, bardzo silnie się ochładzając. Może to być przyczyną odmrożeń, dlatego należy unikać kontaktu tej substancji w postaci ciekłej z ciałem ludzkim.

Ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia propanu i butanu mieszanina ta jest bardzo chętnie stosowana jako paliwo w pojazdach samochodowych oraz do celów grzewczych w miejscach, w których nie ma sieci gazowniczej.

W czasie spalania propanu i butanu powstają jako główne produkty ditlenek węgla i woda. W mniejszych ilościach mogą również pojawiać się tlenki azotu (przy spalaniu w powietrzu) i tlenek węgla podczas dostarczania zbyt małej ilości tlenu. W skrajnych przypadkach niedomiaru tlenu może pojawić się sadza (węgiel elementarny). Praktycznie nie pojawiają się tlenki siarki, gdyż siarka nie występuje w składzie paliwa.

Benzyna

Benzyna jest mieszaniną węglowodorów zawierających od 5 do 12 atomów węgla w cząsteczce. Dodatkowo może zawierać węglowodory aromatyczne (toluen, benzen), etery (eter etylowo-tert-bytylowy) czy alkohole (metanol lub etanol). Część składników może być tzw. biokomponentami. Najniebezpieczniejszym składnikiem jest z pewnością benzen (maksymalna zawartość 1%), który uznawany jest za związek o działaniu rakotwórczym. W warunkach normalnych benzyna jest cieczą o temperaturze wrzenia powyżej 30°C (zależnej od składu). Gęstość cieczy wynosi od 0,72 do 0,775 kg/l. Benzyny są bardzo dobrym źródłem energii. Ich wartość opałowa wynosi od 42 do 44 MJ/kg.

Spalanie benzyny, mimo większej długości łańcuchów węglowodorowych, przebiega zwykle dość dobrze i łatwo. Głównymi produktami są ditlenek węgla i woda. Jako składniki niepożądane mogą powstawać tlenki azotu. Tlenki siarki powstają w ilościach śladowych, gdyż z benzyn są wcześniej usuwane ewentualne związki tego pierwiastka. Przy niedoborze tlenu może powstawać tlenek węgla i wyjątkowo elementarny węgiel (jako sadza). Ewentualne powstawanie tlenku węgla ograniczane jest poprzez stosowanie katalizatorów w pojazdach samochodowych.

Olej napędowy

Olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów o długości od 9 do 25 atomów węgla w cząsteczce. W ilościach do kilku procent mogą również występować wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych. Gęstość wynosi od 0,82 do 0,845 kg/l, a wartość opałowa od 42 do 44 MJ/kg. Ponieważ olej napędowy ma większą gęstość niż benzyna przy podobnej wartości energetycznej, zwykle samochody, przy podobnych parametrach, zużywają mniej tego paliwa niż etylin.

Produktami spalania oleju napędowego są ditlenek węgla i woda. W śladowych ilościach mogą powstawać tlenki siarki. Ponieważ spalanie oleju napędowego odbywa się w wyższych temperaturach niż spalanie benzyny, powstają większe ilości tlenków azotu. Obecność w tym paliwie związków o skomplikowanym składzie powoduje większe trudności z całkowitym jego spalaniem. Z tego powodu mogą powstawać tlenek węgla, węgiel elementarny i inne związki. Niecałkowite spalanie ma miejsce szczególnie w momencie gwałtownego przyspieszania pojazdu, czyli gdy do silnika dostarczana jest zwiększona ilość paliwa. Czasami jest go zbyt dużo, żeby mogło nastąpić całkowite jego dopalenie. Z tego względu w silnikach wysokoprężnych, stosujących jako paliwo olej napędowy, mocowane są obecnie filtry cząstek stałych, które powinny zatrzymywać sadzę i następnie dopalać ją. Niestety, do tego procesu potrzebne jest odpowiednie rozgrzanie tego filtru, co często nie ma miejsca podczas użytkowania takich pojazdów w mieście, przy krótkich trasach przejazdu. Jeszcze poważniejszym problemem jest wymontowywanie filtrów cząstek stałych z pojazdów. Znacznie zwiększa to zanieczyszczenie powietrza w miastach. Takie działanie nie jest, niestety, obecnie w Polsce penalizowane.

Spalanie oleju opałowego zachodzi podobnie jak oleju napędowego.

Paliwa stałe

Paliwa stałe (węgiel kamienny, węgiel brunatny, drewno)

Paliwa stałe (węgiel kamienny, węgiel brunatny, drewno) są trudniejsze w stosowaniu, ale są w Polsce bardzo rozpowszechnione. Wartość opałowa wynosi od 24 do 34 MJ/kg dla węgla kamiennego, od 7 do 21 MJ/kg dla węgla brunatnego i około 18 MJ/kg dla drewna (wysuszonego do wilgotności około 15%). Ponieważ drewno świeże może zawierać około 60% wilgoci, uzyskanie odpowiedniej wilgotności tego paliwa trwa od roku do dwóch lat. Wraz z wysychaniem drewno zmniejsza swoją gęstość. Spalanie drewna świeżego jest nieopłacalne ekonomicznie, a jednocześnie znacznie skraca żywotność kotła (korozja). Ekonomicznie uzasadnione jest spalanie twardych gatunków drzew (dąb, buk, grab), które wolniej rosną, ale jest to niekorzystne pod względem ekologicznym.

Spalanie paliw stałych powoduje powstanie głównie ditlenku węgla. Woda w spalinach pojawia się głównie jako efekt wilgoci paliwa. Mogą również powstawać: tlenek węgla, sadza, tlenki siarki i azotu. Poważniejszym problemem jest pojawianie się emisji pyłów. Pochodzą one ze skały macierzystej (w węglach) i z mineralnych produktów spalania paliwa. Przy złej konstrukcji pieca emisja pyłów i tlenku węgla może być bardzo znaczna.

Kolejną niebezpieczną substancją, która występuje przy spalaniu węgla kamiennego, jest benzo(a)piren. Jest to związek o silnym działaniu rakotwórczym, powstający podczas spalania niecałkowitego. Zaliczany jest on do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA). Jego zawartość w powietrzu jest monitorowana i jest jednym z mierników jakości atmosfery.

Węgiel brunatny jest gorszym paliwem niż węgiel kamienny, gdyż ma mniejszą wartość opałową, a większą zawartość substancji niepalnych. Z tego względu nie opłaca się go przewozić jako paliwa dla odbiorców indywidualnych. Na szczęście, spalany jest on praktycznie tylko w elektrowniach, które mają rozbudowane systemy oczyszczania spalin.

RDF

Paliwo z odpadów zaliczane jest do paliw alternatywnych. Wytwarzane jest z niektórych frakcji odpadów komunalnych. Jest chętnie stosowane ze względu na znaczną wartość opałową, wynoszącą około 20 MJ/kg, czyli zbliżoną do wartości opałowej węgla kamiennego.

Ponieważ to paliwo tworzone jest z odpadów, nie ma stałego składu. Mogą w nim występować różne substancje. Z tego względu jego spalanie prowadzi do powstawania różnych produktów. Oczywiście, głównym produktem jest ditlenek węgla, ale powstają również tlenek węgla, tlenki azotu i siarki. Tak jak w przypadku innych paliw stałych, mogą być emitowane pyły. Ponieważ w odpadach mogą występować chlorowce (np. chlor z polichlorku winylu czy brom będący dodatkiem zmniejszającym palność polimerów), w spalinach będą się pojawiać HCl, HBr i te pierwiastki w postaci elementarnej. Niestety, przy niecałkowitym spalaniu mogą również pojawiać się chloro- i bromopochodne, np. niesławne dioksyny i furany. Takie paliwa muszą być spalane w miejscach, które ze swojego charakteru umożliwiają właściwe spalenie tych paliw (cementownie), albo w spalarniach o rozbudowanym systemie oczyszczania gazów spalinowych.

Przed każdym sezonem grzewczym trwa dyskusja na temat paliw ekologicznych lub nieekologicznych. Tymczasem tylko niektóre paliwa bardzo trudno spalić w sposób nieszkodzący środowisku.