Luchtverontreiniging

Thermische centrales veroorzaken luchtverontreiniging door onder andere de verontreinigingen die zich bevinden in de brandstoffen die deze centrales gebruiken. Voorbeelden van verontreinigingen zijn zwavel, stikstof, (zware) en giftige metalen. Zonder maatregelen worden deze bij de winning en de latere verbranding van de brandstof uitgestoten als vluchtige emissie naar de atmosfeer of blijven ze achter als vast restproduct (bodemas, vliegas). Afhankelijk van de brandstof en de hoeveelheid zuurstof kunnen er ook emissies ontstaan ten gevolge van onvolledige verbranding (koolmonoxide, koolwaterstoffen). Daarnaast kan er luchtverontreiniging ontstaan ten gevolge van de vuurhaardcondities (temperatuur en zuurstofconcentratie).

Aardgas

• stikstofoxides, NO_x: zogenaamde 'brandstof-NO_x' ontstaat uit de in de brandstof aanwezige stikstof (Gronings gas). Daarnaast kan er 'thermische NO_x' ontstaan als gevolg van de vuurhaardcondities. Bij verbranding met lucht is er immers N₂ uit de lucht aanwezig, de verbrandingstemperatuur is hoog, en het rookgas verblijft enige tijd in de installatie bij condities gunstig voor de vorming van NO_x. Zonder verdere technische voorzorgsmaatregelen produceert een gasturbine-eenheid veel 'thermische NO_x'.

Biomassa

Voorbeelden van luchtverontreiniging door het gebruik van biomassa als brandstof zijn:
• roet: door onvolledige verbranding van de biomassa
• NO_x: bij de verbranding van biomassa kan zowel brandstof- als thermische NO_x ontstaan.
• zwaveldioxide, SO₂: ontstaat door de oxidatie van in de biomassa aanwezige zwavel (S) en is afhankelijk van het zwavelgehalte van de biomassa. SO₂ is samen met NO_x de belangrijkste veroorzaker van zure regen.

Steenkool

Steenkool is niet alleen een brandstof die relatief veel verontreinigingen bevat, de verbranding van steenkool leidt ook tot de vorming van heel fijne roetdeeltjes. De belangrijkste verontreinigingen in onbehandeld rookgas van kolencentrales zijn:
• roet: ontstaat door nooit 100% volledige 'uitbrand' van poederkooldeeltjes en de aanwezigheid van as.
• SO₂: is afhankelijk van het zwavelgehalte van de steenkool, dat kan oplopen tot 7 massa% bij hoogzwavelige steenkoolsoorten. Ook bij de verbranding van zwavelhoudende zware stookolie komt zwaveldioxide vrij.
• NO_x: uit de in steenkool aanwezige stikstof (het stikstofgehalte van steenkool loopt uiteen van 0,2 tot 2 massa%) ontstaat 'brandstof-NO_x'. Vanwege de extreme condities in haar verbrandingskamer én de aanwezigheid van N₂ in lucht produceert een kolencentrale zonder technische voorzorgsmaatregelen daarnaast veel thermische NO_x.
• anorganische vluchtige metaalverbindingen zoals tinchloride (SnCl₄). Deze verbindingen zijn vluchtig bij de temperaturen die bereikt worden in de centrale. Buiten de centrale zullen ze door hun soortelijk gewicht in de buurt van de centrale neerslaan. Zware metalen als Sn zijn giftig. Metalen kunnen zich ook hechten aan de roetdeeltjes die bij de verbranding ontstaan.

Rookgasreiniging

In de loop der tijd zijn verschillende rookgasreinigingstechnieken ontwikkeld om dit soort luchtverontreiniging te voorkomen. Wereldwijd is deze ontwikkeling van technologie gepaard gegaan met steeds strengere normen voor (nog toelaatbare) uitstoot.

• roetfilters: tegenwoordig bestaat dit (bij een steenkoolcentrale) vaak uit twee of drie gedeeltes: een doekenfilter, cycloon en/of elektrostatisch filter. Dit zijn grote installaties omdat een grote hoeveelheid rookgas moet worden gefilterd.
• NO_x-verwijdering: in veel landen is het verplicht de NO_x-uitstoot van (kolen)centrales te beperken door toepassing van zgn. low-NO_x-branders. Bij steenkoolverbranding wordt hiermee een reductie van ca. 30% bereikt.
Bij gascentrales kan water of stoom in de verbrandingskamer worden geïnjecteerd: een stoomgeïnjecteerde gasturbine-eenheid (of STIG, niet te verwarren met een STEG-installatie (Stoom- En GasTurbine)). Dit is een voorbeeld van een zogenaamde procesgeïntegreerde oplossing: door voorzieningen te treffen ín de technische installatie wordt de vorming van NO_x voorkomen.
Een andere techniek die bij gascentrales, en in mindere mate bij kolencentrales, wordt toegepast is selectieve katalytische reductie (SCR) van NO_x in het rookgas met behulp van NH₃. Hierbij wordt ammoniak (NH₃), al of niet op een fijn maas van katalysator, in het rookgas gesproeid zodat de NO_x wordt gereduceerd tot stikstof:
   - 2 NH₃ + 2 NO + 1/2 O₂ → 2 N₂ + 3 H₂O
   - 4 NH₃ + 2 NO₂ + O₂ → 3 N₂ + 6 H₂O
Dit is een nageschakelde of 'end-of-pipe'-techniek waarmee zeer lage NO_x-concentraties kunnen worden bereikt.
• SO₂-verwijdering. Dit gebeurt gewoonlijk door het rookgas door een kalkmelkoplossing (CaO, water) te leiden, waarbij de volgende reacties optreden:
   - kalkmelk: CaO + H₂O → Ca²⁺ + 2 OH^-
   - SO₂-absorptie: SO₂ + OH^- → HSO₃^- en HSO₃^- + OH^- → SO₃^2- + H₂O
   - vorming sulfiet: SO₃^2- + Ca²⁺ → CaSO₃
In veel installaties wordt vervolgens het calciumsulfiet (CaSO₃) geoxideerd tot calciumsulfaat (CaSO₄): CaSO₃ + 1/2 O₂ → CaSO₄, dat vervolgens met water neerslaat tot CaSO₄.2H₂O.
Een andere mogelijkheid bij steenkoolcentrales is om CaO bij te mengen bij de poederkool. De voorgaande reacties treden dan op in de vuurhaard en CaSO₄ wordt afgevoerd met de slakken. Echter, een deel van de zwavel zal dan nog steeds in het rookgas eindigen.
• Vluchtige metaalverbindingen (bij kolencentrales) worden als het goed afgevangen door de combinatie van bovenstaande technieken daarop in te richten.

Primaire luchtverontreiniging

De stoffen die enerzijds door natuurlijke oorzaken, anderzijds door menselijke activiteiten in de atmosfeer komen, worden primaire luchtverontreiniging genoemd. Het gaat dan om:
• koolmonoxide (CO)
• kooldioxide (CO₂)
• zwaveldioxide (SO₂)
• stikstofoxiden (NO_x)
• ammoniak (NH₃)
• vluchtige organische stoffen (bijv. benzeen, ethanol, formaldehyde)
• zware metalen
• roet en aerosolen

Dit zijn allemaal in principe meetbare outputs van ons systeem. In Nederland is vanaf de jaren '80 een emissieregistratiesysteem opgezet om de hoeveelheid emissies in Nederland te monitoren. Volgens het Compendium voor de Leefomgeving^w zijn de emissies van zwaveldioxide, stikstofoxiden en ammoniak sterk afgenomen sinds 1990, zie onderstaande figuur, en voldoen ze in 2021 aan de relatieve reductiedoelstellingen voor de periode 2020-2029.


Met uitzondering van CO₂ zijn deze stoffen ook relevant voor waterverontreiniging. Ammoniak, zware metalen en roet komen (deels) rechtstreeks door uitwassing in watersystemen terecht.

Secundaire luchtverontreiniging

Uit koolmonoxide, zwaveldioxide, stikstofoxide, ammoniak, aerosolen en vluchtige koolwaterstoffen onstaat via verschillende routes secundaire luchtverontreiniging:
• fotochemische reacties (reacties aangedreven door energierijke zonnestraling)
• oplossing en reactie in waterdamp in de atmosfeer