Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen, 1/2006 – Støvvagter/-målere samt CO- og O2-målere i asfaltindustrien

Her beskrives og karakteriseres det støv, som emitteres i afkast fra asfaltindustrien, og der gives en overordnet beskrivelse af støvfiltre, der i dag anvendes i asfaltindustrien. Desuden beskrives hvilken emission, der kan forventes at være fra et nyt filter eller et vel vedligeholdt filter med f.eks. udskiftede filterposer samt en vurdering af, om emissionen fra filteret evt. ændres over filternes levetid.

1.1 Støv

Hovedkilden til støv er råmaterialerne sten og grus, der anvendes til produktionen af asfalten, og som tørres i tørretromlen/tromleblanderanlægget. Disse materialer indeholder en lille andel støv (små partikler), og der kan også dannes mere støv ved den mekaniske påvirkning, som materialerne udsættes for i tørretromlen. Under tørringen og den mekaniske påvirkning frigives en del af disse partikler til tørreluften.

Andelen af støv i råmaterialerne varierer meget, afhængigt af type, oprindelse, behandling m.v.

Figur 1. Der er støv i alle råmaterialerne, også i de grove stenmaterialer.

Der vil også komme lidt støvpartikler fra oliebrændere, men i princippet ingen støvpartikler fra gasbrændere. Sod, som består af kulstof og organiske forbindelser, kan forekomme i større mængder ved dårlig forbrænding uanset brændselstypen, men mængden af både støv og sod fra brænderne vil være forsvindende lille i forhold til mængden støv, der afgives fra råmaterialerne i tørretromlen.

Der kommer også støv og bitumendampe fra blandetårnet på batch-anlæg, men mængden er normalt ubetydelig i forhold til belastningen fra tørretromlen.

En vigtig bestanddel i asfalt er filler, som er alle partikler mindre end 0,063 mm (63 µm). Der er dels egenfiller, som hidrører fra stenmaterialerne samt mindre mængder af fremmedfiller, som ofte må blandes i asfalten, fordi indholdet af naturlige filler ikke er stort nok. Fremmedfilleren kan være stenmel, kalk, cement, flyveaske eller andet. Denne filler er normalt tør og opbevares i siloer og doseres via en vægt ind i anlæggets mikser i blandetårnet på batchanlæg eller direkte i tromleblanderen på anlæg med kontinuert produktion.

Støvbelastningen til filteret fra mikseren er begrænset, og der er normalt ingen belastning fra siloerne, fordi de er forsynet med et lokalt filter til filtrering af fortrængningsluften.

1.1.1 Støvkarakterisering

Der kan forekomme en mindre mængde støv af andre mineralske sammensætninger fra fremmedfillere, f.eks. kalk, cement og flyveaske m.v., men mængden er forsvindende lille i forhold til mængden af støv fra tørretromlen og omtales ikke nærmere, da det forudsætter kendskab til de aktuelle fremmedfillere, der anvendes.

Indholdet af filler i asfalt varierer med typen, men ligger typisk i størrelsesordenen omkring 5%.

I bilag 2 er vist en kornstørrelsesfordeling for en 0 - 16 mm GAB grus fra NCC Råstoffer, som er en væsentlig ingrediens i en stor del af NCC's asfaltprodukter. Ifølge kornstørrelsesfordelingen er ca. 3% af materialet mindre end 0,063 mm ^[1] (63 µm), og da der typisk tørres 100 - 150 t/h, så vil der være store mængder mindre partikler, som kan føres med tørreluften til posefilteret.

Mekaniske processer giver normalt ikke anledning til dannelse af fine partikler, som er < 1 µm. Hovedparten af partiklerne i både egenfiller og fremmedfiller vil derfor være større end 1 µm.

I tørretromlen tørres og opvarmes stenmaterialerne til den ønskede temperatur, som afhængigt af det konkrete produkt er i området 110 til 180°C. Når stenmaterialerne tørres, kan det ikke undgås, at tørreluften river en del af de mindre partikler med sig.

Målinger af støvindholdet i rågassen til posefilteret har vist meget store koncentrationer af partikler, fra omkring 20 g/m³ og helt op til 3 - 400 g/m³.

1.1.2 Kornstørrelsesfordeling i afkast

FORCE Technology har erfaring for, at ved måling af støvemissionen efter posefiltre på asfaltanlæg vil hovedparten af partiklerne blive opsamlet i målecyklonen (hvis en sådan anvendes), som udskiller partikler større end 10 µm.

I en konkret måling var partikelemissionen fra et asfaltanlæg 150 mg/m³, og andelen af partikler større end 10 µm var 92%. Knap 0,5% af partiklerne var < 0,1 µm.

Andre målinger på flere forskellige anlæg bekræfter, at 90 – 98% af partiklerne ofte er > 10 µm.

Da effektive og tætte posefiltre tilbageholder partikler med meget stor effektivitet, som beskrevet i næste afsnit, må det konkluderes, at når emissionsmålinger viser et stort indhold af partikler, der er > 10 µm, så er der tale om utætheder, som forårsager en forhøjet emission.

1.2 Støvfiltre

Partikelbegrænsning på asfaltanlæg foretages i dag med posefiltre. Der findes flere varianter af posefiltre, der hver har deres fordele og begrænsninger, som dog ikke vil blive berørt her. Her vil vi fokusere på principperne for posefiltre og de faktorer, der har betydning for filtreringseffektiviteten og filterposernes levetid.

Princippet ved filtrerende udskillere er, at gassen suges eller trykkes gennem en dug af naturligt eller syntetisk tekstil, hvor partikler afsættes. Filtreringsmekanismen er en kombination af egentlig sivirkning, indfangning, diffusion og elektrostatisk tiltrækning. Med en helt ny og ren filterpose er virkningsgraden relativt lav, men efterhånden som der opbygges et lag af partikler på filterdugen, vokser effektiviteten hastigt, idet denne filterkage i høj grad medvirker til en effektiv filtrering.

Med effektive og veldimensionerede filterposer og en filterkage med en god kornstørrelsesfordeling kan støv på asfaltanlæg renses med mere end 99,9% effektivitet.

Når mange målinger har vist, at der er et relativt stort indhold af partikler > 10 µm, så vil årsagen normalt være, at der er mindre utætheder i filteret.

De udskilte partikler, der danner filterkagen, øger trykfaldet over filterdugen, således at luftmængden på et tidspunkt ikke længere kan passere filterdugen. Det er derfor nødvendigt med jævne mellemrum at fjerne filterkagen fra dugen ved en rensning.

Posefiltre kan enten renses mekanisk ved rystning af poserne eller ved at blæse luft baglæns gennem poserne. Sidstnævnte princip er blevet det mest udbredte, fordi det både er mere effektivt og mere skånsomt overfor poserne end den mekaniske rensning.

Et typisk filter, der anvender trykluft, er Jet-puls-filtre. Denne filtertype er i dag den mest udbredte type på virksomheder herunder asfaltanlæg.

Jet-pulse-filtre bliver renset ved, at der i ganske kort tid blæses trykluft den modsatte vej. Herved dannes en trykbølge, som udvider posen, hvorved filterkagen falder af. Resten rystes af, når posen efter impulsens ophør klapper tilbage mod støttekurven. Denne form for rensning sker så hurtigt, at det ikke er nødvendigt at afspærre den sektion, der skal renses. Ved andre typer filtre er det nødvendigt at afspærre sektioner ved rensning. Herved skal filteret overdimensioneres, da den resterende del af filteret skal kunne klare en normal produktion under rensningen.

Den nødvendige og optimale rensefrekvens afhænger i høj grad af koncentrationen af partikler i rågassen, jo højere koncentration jo hyppigere rensning. Rensningen er derfor ofte styret af en differenstrykmåler, som starter rensningen, når differenstrykket har nået setpunktet. Timerstyring af rensningen findes også, men er knap så udbredt, fordi der er en tendens til, at rensningen ved nogle produktioner kører for hyppigt, fordi den er indstillet efter produktionen med den største belastning på filteret.

Efter rensningen vil der være en kort periode med en lidt ringere rensningseffektivitet, indtil der igen er opbygget en filterkage.

I Jet-pulse-filtre kan udskiftning af filterposer i tilfælde af brud eller som normal vedligeholdsrutiner foretages udefra ved at trække poserne op af filteret.

Ved Jet-pulse-filtre kan man anvende filtermateriale med mindre mekanisk styrke og dermed mindre tæthed. Dette har den væsentlige fordel, at der er mindre trykfald over filteret. Jet-pulse-filtre kan derfor give en højere filtreringshastighed (eng.: air-to-cloth ratio), udtrykt i m³ luft pr. m² filterareal pr. minut. Et højt ACR betyder mindre tekstil og dermed et mindre antal poser. Hermed bliver filteret billigere.

Ved en god dimensionering af filteret vil man opnå gode betingelser for rensning, når eksempelvis luftmængde pr. kvadratmeter filterdug er lille. Filterbelastningen på asfaltanlæg bør normalt være mindre end 1,5 m/min. Nogle filterleverandører anbefaler endnu lavere belastning, omkring 1 m/min, fordi deres erfaring viser, at filterposerne dermed holder længere, og der anvendes mindre energi til rensning, fordi det sker sjældnere. Det giver en driftsbesparelse, som kan opveje den større investering til et større filter.

På asfaltanlæg anvendes typisk Nomex 450 filterposer, som kan tåle temperaturer op til ca. 200°C. Nomex er blevet synonym for materialet aramid, som det er lavet af. Der findes filterposer af samme materiale og med samme egenskaber, under andre navne.

1.2.1 Posefilterbrud

Med de støvkoncentrationer, der normalt er før posefiltrene på asfaltanlæg, er et hul i en filterpose på størrelse med en fingertykkelse nok til, at emissionsgrænseværdien overskrides. Det er således vigtigt, at selv små utætheder opdages og udbedres så hurtigt som muligt.

Utætheder kan forekomme i forbindelse med udskiftning af filterposer, enten fordi filterposens befæstelse ikke slutter tæt, eller fordi montagen ikke er udført ordentligt. Der er også eksempler på, at en filterpose er blevet rykket løs i forbindelse med inspektion, formentlig fordi der er trådt på den.

Regulære brud på filterposerne forekommer hyppigst, jo ældre poserne bliver, fordi materialet bliver slidt og dermed mister mekanisk styrke. Sliddet sker primært, hvor filtermaterialet hviler og gnider mod trådkurven, og det er her filterbrud almindeligvis sker.

Samlet vil der være mulighed for utætheder og forhøjet emission efter udskiftning af filterposer. Efter udskiftning af alle filterposerne, hvor det er sikret, at posefilteret er helt tæt, vil der normalt være en årrække, hvor risikoen for utætheder er begrænset, men herefter vil det almindelige slid begynde at medføre brud på filterposerne. Posernes levetid afhænger af mange forhold, bl.a. af luft- og partikelbelastningen, partiklernes egenskaber, samt filterposernes materiale og tykkelse. Den konkrete levetid for et konkret anlæg kan derfor ikke forudsiges.

1.2.2 Kontrol af posefiltre ved differenstrykmåling

Differenstrykmålere anvendes almindeligvis til at afgøre, hvornår filterposerne skal skiftes, men de kan ikke registrere utætheder eller revner i filterposer, som nemt kan medføre emissioner over grænseværdien. En revne i en filterpose på størrelse med en finger vil ikke medføre nogen målelig ændring i differenstrykket, men det vil give en meget stor forøgelse af emissionen, fordi der slipper en mindre mængde urenset luft igennem, som kan have en meget stor koncentration af støv.

I mindre posefiltre kan en differenstrykmåling muligvis detektere, hvis en filterpose falder af, men det vil normalt også blive opdaget meget hurtigt, fordi der vil stå en støvsky ud af posefilteret. I større filteranlæg med mange hundrede filterposer, som er normalt på asfaltanlæg, vil en differenstrykmåling ikke kunne detektere, hvis en filterpose falder af. Det mest almindelige problem med posefiltre er huller og revner i filterposerne og kun sjældent, at filterposer falder af.

Der er også nogle rent praktiske problemer med at anvende differenstrykmåling, bl.a. fordi det vil være vanskeligt at fastsætte en fast alarmgrænser, bl.a. fordi differenstrykket varierer i takt med den almindelige regenerering af filteret, som ofte sker mange gange i timen. Der kan både være variation i takt med, at filterkagen bliver tykkere og tykkere, indtil den falder af ved regenereringen, og dels forekomme der trykstød ved selve regenereringen.

Differenstrykket kan også variere efter belastningen på filteret, d.v.s. efter produktionens størrelse, fordi volumenstrømmen reguleres efter belastningen på brændere.

Det er vores vurdering, at det ikke er muligt at anvende differenstrykket til at vurdere, om posefiltre på asfaltanlæg er i orden, eller om der er utætheder og forhøjet emission.

1.2.3 Emissionsgrænse for partikler

Ifølge Miljøstyrelsens vejledning nr. 2/2001 (luftvejledningen) gælder for asfaltanlæg en vejledende emissionsgrænse for partikler på 20 – 40 mg/normal m³ for eksisterende anlæg og 10 mg/normal m³ for nye anlæg, når massestrømsgrænsen på 5 kg/h er overskredet, hvilket den vil være for alle asfaltanlæg.

Emissionsgrænseværdierne i luftvejledningen for forbrændingsprocesser gælder generelt ved 10% O₂, men det anføres i vejledningen, at referencetilstanden for asfaltfabrikker bør være det aktuelle O₂-indhold ved referencetilstanden (O°C, 101,3 kPa, tør røggas), dog ikke højere end et O₂-indhold på 17%.

Anlæg med miljøgodkendelser fra før 2001 har typisk en emissionsgrænseværdi på 55 mg/m³(n,t) ved 10% O₂, som er fastsat efter Miljøstyrelsens orientering nr. 4/1995 (brancheorientering for asfaltindustrien). Et enkelt anlæg med en nyere miljøgodkendelse vides at have en grænseværdi på 10 mg/m³(n,t) ved den aktuelle O₂-koncentration.

Omregning af en målt partikelkoncentration på 10 mg/m³ (n,t) ved 17% O₂ til referencetilstanden på 10% O₂ er vist i nedenstående formel.

Der er således ikke så meget forskel fra den tidligere grænseværdi på 20 - 40 mg/m³(n,t) ved 10% O₂ og til den nye på 10 mg/m³(n,t) ved den aktuelle O₂-koncentration.

Grænseværdien på 10 mg/m³(n,t) ved den aktuelle O₂-koncentration giver anledning til overvejelser om hvilken partikelkoncentration, der vil kunne måles lige efter posefilteret under de normale driftsbetingelser.

Beregnede partikelkoncentrationer under normale driftsbetingelser er derfor vist i tabel 1. Dette er et eksempel, hvor udgangspunktet har været nyere målinger på 4 asfaltanlæg (anlæg 1 - 4 i tabellen), dog er partikelkoncentrationen fiktivt fastsat til 10 mg/m³ (n,t) og derefter udregnet ved den aktuelle driftssituation. Anlæg 5 angiver den situation, hvor det må forventes at få de laveste partikelkoncentrationer ved den aktuelle driftstilstand på et asfaltanlæg.

Afhængig af valg af filtermateriale og posefiltrets opbygning, herunder belastningen, vil der ikke være nogen problemer i at kunne overholde en emissionsgrænseværdi på 10 mg/m³ ved den aktuelle O₂-koncentration for asfaltanlæg, selvom det reelt betyder, at emissionen kan være mellem 4 og 7 mg/m³ ved den aktuelle driftstilstand i posefilteret. Det forudsætter dog, at posefilteret er helt tæt, og alle filterposer er intakte, fordi selv den mindste utæthed kan medføre overskridelse af emissionsgrænsen.

1.2.4 AMS-kontrol

Ifølge luftvejledningen skal der installeres AMS-kontrol af støvemissionen, hvis massestrømmen er større end kontrolgrænsen på 200 kg/h. Ved massestrøm forstås den mængde af et stof pr. tidsenhed (over et skift på 7 timer), som ville udgøre hele virksomhedens udledning af stoffet, hvis der ikke blev foretaget emissionsbegrænsning. Massestrømmen fastlægges inden egentlige rensningsanlæg men efter procesanlæg. For asfaltanlæg er forudskiller og posefilter en integreret del af procesanlægget, fordi det opsamlede støv fra disse anvendes i produktionen som egenfiller.

Koncentrationen af støv i tilgangen til posefilteret er ved mange målinger vist at ligge i området fra omkring 20 g/m³(n,t) til flere hundrede g/m³(n,t). Ved disse målinger er der målt før forudskilleren.

Posefilteret (d.v.s. filterdugen) betragtes som den egentlige rensning på asfaltanlæg. Kontrolgrænsen for støv på 200 kg/h er muligvis overskredet på alle asfaltanlæg, men det kan være vanskeligt at afgøre, da forudskilleren, som betragtes som procesanlæg, ofte er en integreret del af posefilteret, hvorfor det er umuligt at måle koncentrationen til selve posefilteret.

Denne problematik forholder Miljøstyrelsens orientering nr. 4/1995 (brancheorientering for asfaltindustrien) sig til i appendiks 1 om måleprogram for emissioner til luften. Her er anbefalingen, at såfremt der ikke er forudskilning af støvet, så bør der foretages AMS-kontrol, og ellers ikke. Dette er en pragmatisk løsning som følge af vanskelighederne ved at bestemme den egentlige massestrøm før rensning på asfaltfabrikker.

Dette princip kunne videreføres, uanset om massestrømsgrænsen reelt er overskredet eller ej.

Massestrømmen er i tabel 2 beregnet for forskellige koncentrationer og forskellige luftmængder til posefilteret for at illustrere muligheden for, at kontrolgrænsen er overskredet på nogle asfaltanlæg. Der er regnet med drift i 5 ud af de 7 timer, som massestrømmen midles over, samt en effektivitet i forudskilleren på 90%.

Tabel 2. Massestrøm i kg/h ved forskellige volumenstrømme og koncentrationer med 5 timers drift midlet over 7 timer

Energiforbruget til tørringen er omkring 100 KWh per ton asfalt, og den tilsvarende røggasmængde er beregnet for forskellige produktionsstørrelser og vist i tabel 3, for et naturgasfyret anlæg, inklusiv udsugning fra mikseren i blandetårn på batch anlæg. Røggasmængden fra oliefyrede anlæg er 10 - 20% større.

For at være under massestrømsgrænsen på 200 kg/h skal et anlæg med en kapacitet på 100 t/h have en støvkoncentration i rågassen, der er mindre end 100 g/m³ ved en effektivitet i forudskilleren på 90%.

Ifølge luftvejledningen er AMS-kontrol automatisk målende og registrerende udstyr, der måler hele tiden, og derved dokumenterer emissionen time for time i alle perioder med produktion.

Det er klart, at der med det formål skal foreligge en grundlæggende kalibrering af AMS-måleren, ligesom der jævnligt bør foretages parallelmålinger for at kontrollere og justere kalibreringen. Ved omregning af AMS-målingen til mg/m³ ved referencetilstanden skal der korrigeres for temperatur og vandindhold. Disse parametre varierer en hel del på asfaltanlæg, så enten skal der også foretages on-line målinger af de parametre, eller også må man acceptere en større usikkerhed på AMS-målingen.

I afsnit 3 om kraftproducerende anlæg, varmeproducerende anlæg, gasturbiner og gasmotoranlæg med en samlet indfyret effekt på mellem 5 MW og 50 MW i bilag 5 til godkendelsesbekendtgørelsen ^[2] er følgende fastsat om kalibrering af AMS- målere:

Referencelaboratoriet har foreslået følgende for kalibrering af AMS-målere på virksomheder, der ikke er omfattet af bekendtgørelserne for store fyringsanlæg og affaldsforbrændingsanlæg:

Alle AMS-målere skal gennemgå en årlig kontrol og et årligt serviceeftersyn af et sagkyndigt firma. AMS-måleudstyr til støv skal efter installation af måleren gennemgå en grundlæggende kalibrering med parallelmålinger til fastlæggelse af kalibreringskurven (efter principperne i EN 13284-2 med mindst 5 målinger). AMS-målere til O₂, CO og NO_x skal efterses og kalibreres med kalibreringsgasser efter leverandørens anvisninger. Dato og resultatet skal føres i journal. Alle AMS-målere skal kontrolleres ved en parallelmåling hvert 3. år.

Det er således ganske omkostningstungt at leve op til kravene om AMS-måling, som er angivet i luftvejledningen, og det er formentlig en medvirkende årsag til, at tilsynsmyndighederne i mange tilfælde har stillet krav om støvvagter i stedet for AMS-kontrol på asfaltanlæg.

[1] Partikler mindre end 0,063 mm kaldes filler. Indholdet af filler i råmaterialerne kaldes egenfiller og udgør ca. 3% i nævnte produkt.

1 Støv og filterbeskrivelse