Transcript 5. szén-hidrogének.ppt

5. SZÉNHIDROGÉNEK
FOTOKÉMIAI OXIDÁNSOK
KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA
Vegyészmérnök B.Sc. hallgatók részére
KÖRNYEZETI KÉMIA
Környezetmérnök B.Sc. hallgatók részére
Biomérnök M.Sc. hallgatók részére
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
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK
KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,
KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL
HASZNÁLHATÓK !
INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL
FELTENNI TILOS !
SZÉNHIDROGÉNEK,
FOTOKÉMIAI
OXIDÁNSOK
Szerzők: Dr. Bajnóczy Gábor
Kiss Bernadett

Szénhidrogének: elsődleges légszennyezők
(telített és telítetlen alifások,
terpének, mono és polikondenzált
aromás szénhidrogének)

Fotokémiai oxidánsok:
másodlagos légszennyezők, az elsődleges
légszennyezőkből keletkeznek pl.: peroxi-acil-nitrátok,
ózon
Szénhidrogének


1-4 szénatomszámú: troposzférikus
körülmények között gáz
halmazállapotú
4< szénatomszámú: gőz
halmazállapotban gőznyomásuk
függvényében, de folyadék vagy szilárd
részecskeként szintén alkotói vagy
szennyezői lehetnek az atmoszférának.
A telítetlen szénhidrogének
kémiai szempontból sokkal
aktívabbak az atmoszférában,
mivel számos fotokémiai
reakciókban vehetnek részt.
Szénhidrogének Los Angeles
város levegőjében (1965)
Szénhidrogén
Képlet
Koncentráció
(ppm)
metán
CH4
3,22
toluol
C7H8
0,05
n-bután
C4H10
0,06
i-pentán
C5H12
0,04
etán
C2H6
0,1
benzol
C6H6
0,03
n-pentán
C5H12
0,03
propán
C3H8
0,05
etilén
C2H4
0,06
Terpének






Troposzférában jelentős mennyiség
Oxigéntartalmú csoportokat is tartalmazhatnak (hidroxil, aldehid, keto)
Alapegysége: izoprén molekula CH2=C(CH3)-CH=CH2
Általános képlet: (C5H8)n
Osztályozás: az izoprén egységek alapján
Monoterpének: mindegyik két egység izoprént tartalmaz pl. pinén, citral,
kámfor, mentol, limonén.
A szénhidrogének jelölésére a (CH)x
továbbá a VOC rövidítést (volatile organic hydrocarbons) használjuk.
Policiklusos aromás szénhidrogének



PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons)
Két vagy több kondenzált benzolgyűrűt tartalmaznak
Néhányuk rákkeltő → egyik legerősebb a benz[a]pyrén, rövidítése BaP
Az atmoszférában
kondenzált
részecskekéntelőforduló
vagy részecskén
adszorbeálódva
Gőznyomásuk
alapján
az atmoszférában
policiklusos
aromás
található policiklusos
aromás
szénhidrogének
szénhidrogének
Oldhatóság
Oldhatóság
Gőznyomás
Rákkeltő
Rákkeltő Szerkezeti
Szerkezeti
o
25 oC vízben
megnevezés 25 oC vízben
Megnevezés
képlet
3 25 C -on hatás hatás
képlet
3 [μg/dm ]
[μg/dm ]
[Hgmm]
Benzo[b]fluorantén
Naftalin
Antracén
Benzo[k]fluorantén
Fenantrén
12500
59
435
Krizén
Pirén
133
Dibenz[a,h]antracén
Benz[a]anthracén
11,0
Benzo[a]pirén
Indeno[1,2,3-cd]pirén
1.8x 10-2 Van
Nincs
2.4x 10-4
2,4
Van
6,8x10-4
Nincs
2,4
Mérsékelt
6,9x10-7
Nincs
0,4
1,1x10-7 Van
Van
3,8
5,5x10-9 Van
Erős
Benzo[e]pirén
Acenaftén
2,4
5,5x10-9 Nincs Nincs
Acenaftilén
Benzo[g,h,i]perilén
0,3
Fluorantén
Koronén
Fluorén
1,0x10-10
260
0,14
Nincs
Nincs
1,5x10
800
Nincs
-11
Nincs
Nincs

Nincs
1,9
3420


Első három: festék-, gyógyszer-,
növényvédőszer-ipari alapanyagok
Többi: fa, kőszén, földgáz és
kőolajszármazékok égésekor
képződik és a füstgázzal kerül az
atmoszférába
Atmoszférában: kondenzált
részecskeként vagy más
részecskéhez pl. koromhoz tapad
Policiklusos aromás szénhidrogének


Két csoportot
defináltak (U.S.
Environmental
Protection Agency),
amely egy hetes (7PAH) és egy
tizenhatos (16-PAH)
csoportból áll.
A hetes csoport
mindegyik tagja
rákkeltő, míg a
tizenhatos csoportban
nem rákkeltő
vegyületek is
szerepelnek a hetes
csoport tagjain kívül.
Policikusos aromás szénhidrogének csoportjai
7-PAH
16-PAH
Benz[a]anthracén
Acenaftén
Benzo[a]pirén
Acenaftilén
Benzo[b]fluorantén
Antracén
Benzo[k]fluorantén
Benz[a]anthracén
Krizén
Benzo[a]pirén
Dibenz[a,h]antracén
Benzo[b]fluorantén
Indeno[1,2,3-cd]pirén
Benzo[g,h,i]perilén
Benzo[k]fluorantén
Krizén
Dibenz[a,h]antracén
Fluorantén
Fluorén
Indeno[1,2,3-cd]pirén
Naftalin
Fenantrén
Pirén
Fotokémiai oxidánsok




A telítetlen szénhidrogének fotokémiai oxidációjakor képzőnek
Környezetvédelmi szempontból igen kellemetlenek
Ide tartoznak: peroxiacil-nitrátok + ózon
Csak az ábrán feltüntetett 3 fordul elő jelentősebb mennyiségben a
szennyezett atmoszférában.
peroxiacetil-nitrát : PAN, peroxipropionil-nitrát : PPN, peroxibenzoil-nitrát : PBzN
Természetes források




Legnagyobb mennyiségben: metán → szerves vegyületek anaerob bomlása során
Természetes háttérkoncentráció:
 Metán: 1.0 – 1.5 ppm
 További szénhidrogének: < 0,1 ppm
Természetes eredetű szénhidrogének pl.: a növények által (pl. citrus félék, fenyők)
emittált, gyakran igen kellemes illatú terpének.
Policiklusos szénhidrogének természetes forrásai:
 erdőtüzek
 kőolajtartalmú kőzetek eróziója
 természetes olajszivárgás

Peroxiacil-nitrátok:
 nincs közvetlen természetes forrása

Ózon
 Villámlás, 20 – 30 ppbv,.
Antropogén források

Emisszó döntő többsége:



PAH emisszó:




Elégetett motorhajtóanyag, fűtőanyag füstgázai
Festékek elpárolgó szerves oldószertartalma (toluol, xilol, alkánok,
észterek)
Kőszénfeldolgozás (szénlepárlás, kokszgyártás szénelgázosítás, szurok
felhasználás)
Kőolajfeldolgozás (bitumen gyártás)
Pirolízis (koromgyártás, biomasszából olaj előállítás)
Peroxi-acilnitrátok és ózon
emberi tevékenység során csak közvetett úton képződnek az
égetéskor az atmoszférába kerülő szénhidrogénekből és
nitrogén-oxidokból.
Szénhidrogének képződése



Befolyásoló tényezők: légfelesleg tényező (n), lánghőmérséklet és a tartózkodási
idő
Az emisszió fő felelőse: a közlekedés, a megfelelően beállított légfelesleg tényező
ellenére
Oka: az úgynevezett falhatás

AHidegebb
hőleadó felületek
a kisebb
tűzterű tolja
kazánok
fal lassítjaváltozásával
az oxidációmagyarázható,
sebességét és ahogy
dugattyú
hamarabb
ki a sokkal
több
szénhidrogént,
szénmonoxidot
kormot
emittálnak,
mint aidő.
nagy tűzterű kazánok,
gázelegyet
ebből a térrészből,
mint aésteljes
elégéshez
szükséges
mivel a nagyobb tűztér esetén kisebb a felület – tűztér viszony.
Policiklusos aromás szénhidrogének képződése
Széntartalmú vegyületek égésekor, 500 – 800 0C → e fölött elbomlanak
Égőtér hidegebb részein képződnek => kisebb tűzterű kazánoknál
nagyobb PAH emisszió
1. Acetilén és etilénből képződött gyökök egymással történő addíciója, gyűrűzárással
(Wang-Frenklach mechanizmus 1997)
H2C=CH2 + H => H2C=CH• + H2
Aromás gyökre történő további acetilén addíció növekvő gyűrűtagszámot eredményez
(HACA mechanizmus : hydrogen adsorption and C2H2 addition) .
Policiklusos aromás szénhidrogének képződése
2. A többszörösen kondenzált aromásgyűrű igen gyorsan
kialakulhat a benzolgyűrű egységek egymásra épülésével
is. (korom kialakulása)
Policiklusos aromás szénhidrogének
képződése
Tájékoztató PAH és BaP emissziók különböző méretű
tüzelőberendezések esetén.
Forrás: Huotari J., Vesterinnen R. (1995) , Finland
PAH
μg/MJ
BaP
μg/MJ
Szilárd tüzelésű
háztartási
kazánok
Kazánok
1-5 MW
Kazánok
5 – 50 MW
Kazánok
>50 MW
1000 – 3000
2-10 (szilárd)
< 5 (olaj, gáz)
< 10
<5
< 0,1
< 0,01
< 20
Peroxi-acilnitrátok képződése
Az Fény
aldehidek
A képződő
rövid
alkilgyökök
élettartamúak
ahidroxilgyökök
levegő
fény
oxigénjével
vagy
hidroxilgyökök
alkilperoxigyököket
hatására
hatására
képződő
indítják
el a vagy
folyamatot,
Aldehidek
képződhetnek
továbbá
telítetlen
szénhidrogének
és
ózon
reakciójakor
A folyamat
peroxi-alkilgyökök
vagy
a
nitrogén-monoxidot
oxidálják
nitrogén-dioxiddal
során bomlanak,
képződő
alkoxigyökökből
oxigén
hatására
aldehidek
képződnek.is.
acilgyökökre
képeznek,
amelyek
jelentős
amelyek
szerepet
az
oxigén
játszanak
hatására
a
peroxinitrogénamennyiben aképeznek.
levegőben szénhidrogén jelenik meg.
peroxi-acilnitrátokat
alkilgyökökké
monoxid nitrogén-dioxiddá
alakulnak.
történő átalakításában.
Peroxi-acilnitrátok képződése

A peroxi-acilnitrátok koncentrációja függ:
szénhidrogének acilgyök képző képességétől
 ózon koncentrációtól
 szennyezett levegő nitrogén-dioxid / nitrogénmonoxid arányától

Peroxi-acilnitrátok koncentrációja a városi levegőben
1960-as évek
Jelenleg
60 – 65 ppb
kisebb 10 ppb-nél
katalizátoros autók miatt
Ózon képződés a troposzférában

Trimolekuláris reakció: egy atomos oxigén reagál egy molekuláris oxigénnel..
O + O2 + M = O3 + M*

A szükséges atomos oxigént a nitrogén-dioxid fotolízise biztosítja
NO2 + hν = NO + O

(1)
v2 = k2[NO2]
(2)
Az ózon a nitrogén-monoxiddal reagálva nitrogén-dioxidot képezhet
O3 + NO = NO2 = O2
v3 = k3[O3][NO]
(3)
A nitrogén-dioxid fotolitikus bomlása a sebességmeghatározó lépés.
k2:k3 = 1:100
troposzférikus ózon éjszaka nem képződik és koncentrációja a nyári
hónapokban, délben a legmagasabb.

Az az állandósult ózonkoncentráció az alábbi összefüggéssel közelíthető.
[O3] = (k2/k3) x [NO2] / [NO]
Ózon képződés a troposzférában

Sebességi konstansok aránya k2/k3 = 1/100 => 0,1 ppm egyensúlyi ózonkoncentráció
esetén NO2 = 10 ppm és NO = 1 ppm kell hogy legyen

A levegőben NO2 tiszta fotokémiai ciklusa esetén azonban NO2 / NO nem 10 : 1, hanem
1 : 10 => tisztán a nitrogén-dioxid ciklus nem képes olyan mennyiségű ózont termelni,
mint amilyen koncentráció a városi levegőt jellemzi

További NO2 termelő: A szénhidrogénekből képződő alkil-peroxigyökök folyamatosan
oxidálják a nitrogén-monoxidot nitrogén-dioxiddá.

A városi levegőben jelenlévő (CH)x / NOx aránya alapján megkülönböztethetünk:

szénhidrogének által limitált ózon koncentrációt: ha NOx > (CH)x

nitrogén-oxidok által limitált ózon koncentrációt: (CH)x > NOx
A szénhidrogének és nitrogén-oxidok természetes forrással is rendelkeznek, így a
troposzférának természetes eredetű ózon tartalma is van, amely közelítőleg 20 – 30
ppbv, amely lényegesen alacsonyabb, mint a városi levegő 0,1 ppm körüli ózon
szintje.
Policiklusos aromás szénhidrogének távozása a
troposzférából

PAH-ok hidroxil gyökökkel
gyorsan reagálnak, felezési
idejük néhány óra.

Nitrogén-dioxid jelenlétében
kb. 100 napos felezési idővel
mutagén hatású nitro-PAH
vegyületek alakulhatnak ki.

Ózonnal szemben ellenállóak,
a reakciók felezési ideje több
száz nap.

A PAH vegyületek fény
hatására néhány óra alatt
elbomlanak, különösen a
részecskén adszorbeáltak.
Peroxiacil-nitrátok távozása a troposzférából

Termikusan bomlanak, képződési reakciójuk
visszafordítható a hőmérséklet emelkedésével
CH3C(O)OONO2 → CH3C(O)OO• + NO2

A képződött peroxi-acilgyök sorsa a jelenlévő NO2 / NO
aránytól függ az alábbi versengő reakció miatt
CH3C(O)OO + NO → NO2 + CO2 + CH3•

A peroxiacil-nitrátok fotokémiailag is bomlanak, így
élettartamuk az atmoszférában nappal egy két óra, éjjel
több óra is lehet.
Ózon távozása a troposzférából

Erős oxidáló képesség => néhány napos élettartam

A levegő számos alkotójával képes reakcióba lépni,
nitrogén-dioxiddal, nitrogén-monoxiddal, telítetlen
szénhidrogénekkel, de fotokémiailag is bomlik.
NO + O3 → NO3• + O
NO + O3 → NO2 + O2
R-CH=CH2 + O3 → RCHO + OH•
O3 + hν → O + O2
Füstköd (smog) kialakulása

Smog (smoke + fog), magyar megfelelője a füstköd

Az ipari fejlődés során a füstköd két típusát (londoni vagy ipari,
fotokémiai vagy los angelesi) különböztethetjük meg.

LONDONI TÍPUSÚ SMOG

Széntüzelés elterjedése => London 1952 december, a kialakult
füstködben olyan magas volt a légszennyező anyagok
koncentrációja, hogy közel 3000 halálesetet tulajdonítanak a várost
négy napig sújtó jelenségnek.


téli hónapokban alakul ki

kora reggeli órákban (reggeli befűtés a széntüzelésű kályhákba)

magas páratartalom kíséretében

napsütés nélkül
Összetevői főleg: szénhidrogének, korom, kén-dioxid.
A londoni smog
A londoni smog kialakulásának közvetlen okai

A kialakult súlyos helyzet okai:

a légszennyezők

egy természetes meteorológiai jelenség:
troposzférikus hőmérséklet inverzió kialakulása

Felhőtlen éjszakákon: a talajnak az égbolt felé irányuló energia
kisugárzása olyan mértékű, hogy a lehűlt talaj lehűti a közelében
lévő levegőt, amelyből párakicsapódás történik (talaj menti
ködképződés).

A lehűlt hideg levegő felett melegebb levegő helyezkedik el, így a
természetes vertikális hígítási effektus elmaradása és szél hiánya
miatt a légszennyező anyagok koncentrációja gyorsan nő a talaj
közelben.
Troposzférikus hőmérséklet inverzió
magasság
….
Hőmérséklet csökkenés
a troposzférában
Az emelkedő száraz, szennyezett
levegő hőmérséklet csökkenése
adiabatikus expanzió miatt
hideg
talaj hőmérséklet
….
hideg
kevésbé meleg
kevésbé meleg
meleg
hideg
talaj
talaj
Fotokémiai smog kialakulása

Közlekedés fejlődésének köszönhetően egy másik fajta füstköd
okoz környezeti ártalmakat: a los angelesi vagy fotokémiai smog.

A fotokémiai szmog jellemzői:

a nyári hónapokban képződik,

a déli órákban,

alacsony páratartalom mellett,

erős napsütés esetén.

Összetevői főleg másodlagosan kialakult légszennyezők (ózon,
aldehidek, nitrogén-dioxid, PAN).

Ez a típusú szmog jelentős autóforgalommal terhelt, melegebb
éghajlatú, napsütötte, szél mentes városokban gyakori.
Fotokémiai smogtól szenvedő városok
1.
Denver
Peking
Torontó
A szmogot alkotó főbb komponensek időbeli alakulása
A fotokémiai szmog erősödésével a levegő vöröses barna árnyalatú lesz,
mivel a napsugárzás kék komponensét a nitrogén-dioxid elnyeli.
Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatása
Növényekre
 Szénhidrogének hatása nem észlelhető
Ózon és a peroxiacil-nitrátok: toxikusak
 A talajközeli növekvő ózon koncentráció komoly fenyegetést jelent a
világ élelmiszer, rostanyag és fa termelésére
A városi környezetből jelentős mennyiségű ózon transzport
valósulhat meg a környező mezőgazdasági területek felé:

Talajközeli ózon koncentráció nyári maximumai
Terület
Ózon / ppb /
Városi
100 – 400
Vidéki, mezőgazdasági
50 – 120
Lakott területtől távoli trópusi erdő
20 – 40
Parttól távoli, nyílt tengeri
20 -40
A krónikus hatás már 40 ppb
koncentráció környékén
észrevehető, amely növekedés
és terméscsökkenésben
nyilvánulhat meg, függetlenül
attól, hogy a levél felszínén
észlelhető-e az ózonkárosító
hatás (világos foltok
megjelenése)
Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatása
Növényekre

Ózon: gázcserenyílásokon keresztül jut be a növénybe

A sejtközi térben és a sejtalkotók reakciójakor során
szerves gyökök képződnek, amelyek károsítják a
proteineket, sejtmembránt.

A növények ózonérzékenysége eltérő, és közvetlen
kapcsolat mutatható ki a jelenlévő növényi
antioxidánsok (pl.: C-vitamin) szintje és az
ellenállóképesség között.

A magasabb C-vitamin szint és alacsonyabb Cvitamin peroxidáz enzim aktivitás jelentős
ellenállóképesség javulást eredményez.
Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatása
Növényekre

A peroxiacil-nitrátok hatása :
a növények alján okoz fényes
bronzos elszíneződést

Fajtától függő érzékenység,
amely a növényi sejtekben
képződő antioxidánsok
mennyiségére vezethetők
vissza.


A városi területeken újonnan
telepített fák általában
úgynevezett szmogtűrő fajták,
amelyek levélzete valószínűleg
antioxidáns tartalmú.
Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatása
Emberre / emlősökre

Az alifás szénhidrogének nem, de az aromás vegyületek rendkívül
toxikusak (troposzférikus koncentráció szint)

Legveszélyesebb :


A gőzhalmazállapotú aromások közül a a benzol (vérképzőszervi
méreg)

A policiklusos aromás vegyületek közül a benz(a)pirén
(karcinogén, rákkeltő)
BENZOL:

Motorhajtóanyagok elégetésekor kerül az atmoszférába, az
oktánszám növelési technológiák (aromatizálás, alkilezés) során.

A nagyoktánszámú alkilbenzolok tökéletlen égésekor az
oldalláncok leszakadása miatt benzol is képződhet, amelyet a
katalizátor csak részben oxidál el.
Szénhidrogének, fotokémiai oxidánsok hatása
Emberre / emlősökre

Rákkeltő PAH vegyületek pl: aktív és passzív dohányzás,
füstgázok belélegzése

Rákkeltő hatás: enzimatikus lebontáskor keletkező
epoxivegyületek miatt (a folyamathoz sok idő kell)

Kevésbé veszélyes ha a tápcsatornába jutnak pl. grillezett
ételek, hőkezelt élvezeti cikkek (kávé)

Tápcsatornán történő gyors áthaladás → a lebontás nem biztos,
hogy megvalósul → a kockázati tényező kisebb

Tüdőben: a lerakódott rákkeltő anyag tartalmú kátrányos
részecskék mobilitása kicsi (elegendő idő áll rendelkezésre a
veszélyes lebontási folyamat megvalósulására)

Az ózon és peroxyacil-nitrátok erős nyálkahártya irritáló hatása
közismert → felsőléguti betegségek gyakorisága nő.
Szénhidrogén emisszió csökkentése

A szénhidrogén emisszió szoros összefüggésben van a fotokémiai
oxidánsok az ózon és peroxi-acilnitrátok képződésével
=> a szénhidrogén emisszió csökkentésével jelentősen korlátozható ezen
szennyezők képződése is

Legnagyobb forrás: nem tökéletes égés

Szénhidrogén koncentráció:
1.
Alsó éghetőségi, vagy robbanási határ alatt → termikus vagy katalizátoros
utóégetőt, kondenzátort vagy adszorpciót alkalmazhatunk
2.
Alsó és felső éghetőségi határok között → ellenőrzött égetés
3.
Felső éghetőségi határkoncentráción túl → levegővel, vízgőzzel elegyítve
égetjük el
Termikus utóégető

Utóégető: a füstgáz szénhidrogéntartalmát 700 – 1000 0C-on 0,5-1
másodperces tartózkodási idővel egy segéd égővel égetjük el. (Termikus
oxidáció, 99% hatásfok)

Regeneratív módszer: a kezelt és a kezelendő füstgáz felváltva áramlik
keresztül egy hőtároló-hőleadó anyagon (pl. kerámia) keresztül
reganeratív termikus utóégető
regeneratív termikus utó égető
Termikus utóégető
1.
2.
Rekuperatív eljárásnál a kezelt füstgáz hőtartalmát egy hőcserélőn
keresztül folyamatosan adjuk át a kezelendő füstgáznak.
Probléma: NO emisszió növekedése
→ Túl sok szén-monoxid képződés esetén: az utóégető kamra
hőmérsékletét 850 °C fölé kell emelni és a tartózkodási időnek el kell érni a 2
másodpercet.
rekuperatív utóégető
rekuperatí v utóégető
Termikus utóégető hőhasznosítás nélkül

A felső éghetőségi
koncentrációt meghaladó
szénhidrogén tartalomnál,
amennyiben a gáz más célból
gazdaságosan nem használható
fel, elfáklyázzák pl. olajipar.

Égetés előtt az éghető gáz
koncentrációját a felső és alsó
éghetőségi határ közé kell
beállítani levegő és/vagy vízgőz
segítségével.

Vízgőz adagolása metán
kivételével a koromképződés
csökkentése érdekében
szükséges (vízgáz reakció).
C + H2O = CO + H2
Kőolajfinomító véggázainak égetése
Hm, talán mégsem
tökéletes !
Katalitikus utóégető




Alacsony hőmérsékletű oxidáció (200 – 500 oC) hatásfoka kb.
95%, kedvezőbb NOx kibocsátás
Meggondolandó ha a füstgázban jelentős:
 a korom
 részecske tartalom (ülepedés veszélye a katalizátorban)
 nehézfémtartalom (katalizátor méreg)
 a katalizátor test hőmérséklete gyakran változik, túlhevülés
veszélye is fennáll (mechanikai károsodás)
Szén, olaj, biomassza tüzelés füstgázainak kezelésére a
katalizátor szennyeződése miatt inkább a regeneratív vagy
rekuperatív utóégetőt alkalmazzák.
Katalizátoros utóégető előnyösen alkalmazható technológiai
folyamatból származó (szerves oldószerekkel történő műveletek:
festés, extrakció, stb.) szénhidrogén emisszió kezelésére.
Katalitikus utóégető

A katalitikus utóégetők
legsikeresebb
alkalmazási területe a
gépkocsi kipufogó gázok
ártalmatlanítása.
Egy benzinüzemű
gépjármű motor tipikus
füstgáz alkotói:
Gépjármű motor
tipikus kipufogógáz összetétele
Gáz
koncentráció
Szénhidrogén
≈ 750 ppm
Nitrogén-oxidok
≈ 1050 ppm
Szén-monoxid
≈ 0,68 tf%
Hidrogén
≈ 0,23 tf%
Szén-dioxid
≈ 13,5 tf%
Oxigén
≈ 0,51 tf%
Víz
≈ 12,5 tf%
Nitrogén
≈ 72,5 tf%
Katalitikus utóégető
Kettős hatású: szénhidrogének és szén-monoxid oxidációja Pt katalizátoron
Hármas hatású: oxidáció és a nitrogén-monoxid redukciója (Pd katalizátor)
0,95 – 1,05 légfeleslegtényező tartományban (ablak tartomány) elfogadható
konverzióval valósul meg az oxidáció és a redukció
Katalitikus utóégető
• Követelmény: a légfeleslegtényező pontos beállítása.
• lambda szonda  folyamatosan méri a füstgáz oxigéntartalmát és a mért
érték függvényében szabályozza az üzemanyag levegő keverési arányt.
Katalitikus utóégető
• A motor üzemelése közben időszakosan a katalizátorban
redukciós körülmények alakulnak ki (pl. gyorsítás →
üzemanyagban dús keverék).
•
Ekkor segít a katalizátor hordozó belső felületére felvitt cériumoxidok, amelyek oxigénnel az alábbi egyensúlyi reakcióra képesek:
2 CeO2 Ce2O3 + 1/2 O2
•
A Ce(III)-oxid normál üzemállapotban, amikor van elegendő szabad
oxigéntartalma a füstgáznak Ce(IV)-oxiddá alakul.
•
Oxigén hiányos állapotban az egyensúly az oxigén
felszabadulás felé tolódik el, ezáltal a katalizátor belső környezete
újra az ablaktartományon belül kerül.
Katalitikus utóégető

A kerámia testeken átmenő járatok belső
felületére viszik fel a platinát, palládiumot
és a cérium vegyületet. A katalizátor 290 0C
–on kezd el működni és kb. 400 0C – on éri
el az optimális üzemelést.

A katalizátorok bevezetésének két további
haszna is van:

Az egyik az ólmozatlan üzemanyag
használata (az oktánszám növelésére
alkalmazott ólomvegyületek
tönkretennék a katalizátort)

A másik a benzin kéntartalmának
kötelező és folytonos csökkentésének
kényszere.

Kéntartalom csökkentés: A benzin kéntartalma katalizátor nélkül a
füstgázban kén-dioxid formában jelentkezik, amely az atmoszférikus
levegővel történő keveredés, felhígulás után alakul át kénsavvá.

A katalizátoron áthaladó kén-dioxid azonban kén-trioxiddá oxidálódik,
amely az atmoszférába kijutva azonnal az orrunk szintjén irritáló hatású
kénsavvá alakul.
Katalitikus utóégető

Hátrány: üvegházhatású dinitrogén-oxid és a szén-dioxid kibocsátás
 CO2 emisszió az égetés velejárója, de a motorok hatásfokának
javításával csökkenteni lehet

Valószínűleg csak évtizedek múlva derül ki, hogy milyen problémát okozhat
a katalizátorból a környezetbe távozó platina.
 A platina sói toxikusak és már ma is az autópályák mentén élő
növények platina szennyezettsége nagyobb, mint a távolabbiaké.

A belsőégésű motorok égésgázainak kezelése jelenleg csak a benzin
üzemű motoroknál vált kötelezővé.
Oka: a dízelmotorok jóval nagyobb mértékű korom emissziója tönkretenné
a katalizátort.


Várható, hogy egy évtizeden belül a dízel autókat is fel kell szerelni
valószínűleg először csak oxidációs katalizátorokkal, regenerálható
koromszűrőkkel. Nagyteljesítményű dízel nehézgépjárművek már most is
rendelkeznek katalitikus utóégetőkkel.
Szénhidrogének kondenzációja




Viszonylag nagy szénhidrogén tartalomnál (~ 5000 ppm felett) és
40 oC feletti forráspontnál célszerű alkalmazni.
Kondenzáció: hűtés vagy nyomás hatására
40 oC alatti forrpontoknál a kondenzáció költsége ugrásszerűen
növekszik.
Előny: alkalmazását nem befolyásolja a kezelendő gáz alsó és
felső robbanási határértéke.
Szénhidrogének adszorpciója

Aktív szénen 90-98 %-os hatásfok

Költséges → célszerű alacsony (20- 5000 ppm) szénhidrogén tartalom mellett
alkalmazni

Az eljárás érzéketlen az alsó és felső éghetőségi határokra
Hátrány:

Tűzveszélyes és jelentős mennyiségű veszélyes hulladékot termel

Az aktívszenes oszlop dezaktiválódhat klórozott szénhidrogének és
nyomelemek hatására

A tisztítandó gáz nedvességtartalma ( > 50 % ) jelentősen csökkenti az
adszorpció hatásfokát

Ketonok pl. aceton eltávolítására nem alkalmas a szén felületén lejátszódó
exoterm polimerizációs reakció miatt, amely az oszlop begyulladását is
okozhatja
Regenerálható

Az aktívszén granulátummal töltött oszlopot kimerülés után forró
vízgőzzel, levegővel, nitrogénnel vagy vákuummal
Policiklusos aromás vegyületek
emissziójának korlátozása


PAH vegyületek a füstgáz hőmérsékletétől és a tüzelőanyag hamutartalmától
függően megoszlanak a gáz és szilárd fázisú részecskék között
Emisszió csökkentés a forrásoldalon: megfelelően magas hőmérséklet,
légfeleslegtényező és tűztér méret alkalmazásával

A füstgázból való
eltávolításukra minden
részecske leválasztó eszköz
alkalmazható. (aktívszenes
Gáz és részecske fázisú PAH 50 MW-os kazán
füstgázában
Tüzelőanyag
Részecske
koncentráció
( μg/ Nm3 )
Részecskéhez
kötött PAH
( μg/ Nm3 )
PAH
gázfázisban
( μg/ Nm3 )
tőzeg
40-80
15 – 360
316 -919
Fa
80-120
518 – 23
6557 - 11704
granulátum)