Formy výskytu uhlíku jako indikátory spalovacích procesů

Marek Kucbel

Doctoral thesis

Forms of occurrence of carbonaceous material as indicators combustion processes

Abstract:

Uhlíkaté částice v prachových částicích (PM- Particulate Matter) představují významnou součást a tvoří 10 - 50 % PM, jsou produktem nedokonalého spalování fosilních paliv, biomasy a biopaliv. Rozlišujeme tři základní formy uhlíkatých částic, a to organický uhlík (OC), elementární uhlík (EC) a black carbon (BC). Předkládaná disertační práce se zabývá studiem možností využití forem výskytu uhlíkatých materiálů (OC, EC, BC) jako identifikátorů spalovacích procesů a jejich verifikaci pro využití rychlejší identifikace emisního a imisního zatížení na dané lokalitě. Za tímto účelem byl proveden unikátní pětiletý výzkum studia chování částic black carbon v prachových částicích s aerodynamickým průměrem menším než 10 µm v Ostravě, reprezentující jednu z nejvíce zatížených oblastí se zhoršenou kvalitou ovzduší v České republice, zejména z důsledku vysoké zátěže prašnou depozici (PM10). Studium uhlíkatých forem v PM bylo provedeno i na deseti vybraných lokalitách v Moravskoslezském kraji, kde byly zjišťovány koncentrace organického uhlíku a částic BC. Podrobná studie zaměřená na aplikaci různých poměrů uhlíkatých materiálů a výpočtu rozlišení příspěvku z různých emisních zdrojů byla aplikovaná v Olomouci. Pro ověření chování uhlíkatých částic a stanovení jejich koncentrací během různých spalovacích procesů z nejrůznějších odvětví (např. energetika a teplárenské zdroje, metalurgický průmysl, lokální topeniště aj.) byl proveden odběr různých zrnitostních tříd prachových částic z emisních zdrojů. Ukázalo se, že různá paliva spalovaná v lokálních topeništích se podílejí až na 5-30 násobně vyšších koncentracích OC než velké energetické zdroje. Koncentrace BC jsou v topném období průměrně 3.7 krát vyšší než v netopném období v důsledku lokálního vytápění v domácnostech a zhoršených povětrnostních podmínek. V neposlední řadě byly porovnávaný různé termické metody pro stanovení OC a EC z nedopalů a sazí z různých paliv spalovaných v lokálních topeništích za účelem determinace poměrů OC/EC a jejich využití pro imisní monitoring.

Abstract:

Carbonaceous particles represent very important component of particulate matter – PM (it is the substantial part forming 10 - 50 % of atmospheric PM). The carbonaceous particles originate especially during incomplete combustion of fossil fuels and biomass. They occur usually in the two main forms: the first one is called elemental carbon (EC), also black carbon (BC), and the second one is designated as organic carbon (OC). This doctoral thesis deals with the study of possibilities of utilization of forms of carbonaceous matter (OC, EC, BC) as indicators of combustion processes and their use for faster identification emission and air pollution levels at the study sites. I performed unique five-year research study of the behavior of black carbon in the particulate matter with an aerodynamic diameter less than 10 micrometers. The data were collected in the highly polluted European city – Ostrava, with pollution mostly formed by high concentrations of PM10. The study of carbonaceous particles in PM was carried out at ten selected localities in the Moravian-Silesian Region where the concentrations of organic carbon and black carbon were determined. I have recently applied the equations for the calculation of contribution of OC resp. EC from combustion of biomass and coal and traffic emissions and I also have used ratios between carbonaceous particles (OC/EC, EC/OC) and potassium (K+/EC) in Olomouc. Concentrations of OC were determined for emission from various industrial processes (e.g. power engineering, metallurgy, coking plants, and residential heating). Concentrations of OC from emission sources were determined in different size distribution of PM (PM2.5, PM10 and > PM10). The concentration of organic carbon from local heating, to which organic compounds are bonded, is 5 to 30 times higher than that from large power sources. Higher (3.5 times) black carbon concentrations were observed during heating season than non-heating season. It is due to combusting solid fuels for residential heating and synoptic weather conditions (inversion). Samples of char and unburned carbon from combusting biomass were used for detecting the content of OC and EC. Carbonaceous particles were quantified by thermo-optical method and thermogravimetric method.

Keywords

Black carbon, Elementární uhlík, Organický uhlík, nedopaly, saze, prachové částice

Keywords

Black carbon, Elemental carbon, Organic carbon, Unburned carbon, Char, particulate matter

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 6. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 28. 8. 2017
• Supervisor: Helena Raclavská
• Reader: Vítězslav Zamarský, Dagmar Juchelková, Emília Hroncová

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Energetické stroje a zařízení