Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages117-125.

In this study, the impact of using alternative fuels (Refuse Derived Fuels (RDF), Dried Sewage Sludge (DSS), and Tire-Derived Fuel (TDF)) as a mixture with coal in Titan Alexandria Portland Cement Company (APCC) for the cement industry on pollutant (dust/gas) emissions and ambient air quality was investigated and interpreted. The AERMOD dispersion model was used to simulate the concentration and dispersion of the Total Suspended Particles (TSP), nitrogen dioxide (NO2), and sulfur dioxide (SO2) at 1-hour, 24-hours, and 1-year averages. The simulations were performed on 4-domains multi-tier grids with 24016 receptors over area of 20 km2 around the APCC main stack based on the observed emissions data from the APCC monitoring system during 2014–2020, meteorological data from the fifth-generation mesoscale model (MM5) and terrain elevation data from the USGS.
It is concluded that the change of fuel from natural gas during 2014 as a base year to coal mainly caused an increase in TSP dust, NO2, and SO2 emissions and concentrations. Also, the use of alternative fuels (TDF, DSS, and RDF) led to alternative variations in the emissions and concentrations of both dust and gases. The highest TSP concentration level was due to the increasing of coal percentage and presence of DSS with positive correlations, while its lowest level was due to the presence of the natural gas and increasing of diesel and TDF percentages with negative correlations. On the other hand, the simulated maximum concentrations of both NO2 and SO2 are below EEAA slandered limits except for NO2 in 2016 with a slight increase by 320.5 µg/m3 (6.833%). The lowest maximum concentration of NO2 was due to increasing the TDF percentage (negative correlation) and decreasing the diesel percentage (positive correlation), while its highest value was due to the presence of both diesel and DSS with positive correlations. Moreover, the SO2 concentration level increased due to the increasing of DSS percentage with positive correlation and decreased due to the increasing of RDF and TDF percentages with negative correlations. Consequently, increasing the percentage of TDF and RDF with decreasing the percentage of DSS, diesel, and coal will decrease the emissions and concentrations of TSP, NO2, and SO2 and enhance the ambient air quality. Then, the use of an alternative fuel by cement plants is environmentally and economically justified and will reduce the environmental pollution (Chatziaras et al., 2013; Fadayini et al., 2021), which is agreed with Chatziaras et al. (2013) and Fadayini et al. (2021). Thus, it is recommended to increase the percentage of TDF and RDF and decrease the percentage of DSS, diesel, and coal in cement plants to maintain fossil fuel reserves, reduce air pollution levels, and improve ambient air quality providing substantial health benefits. The highest maximum concentrations of TSP, NO2, and SO2 were found southeast and south of the APCC and vary from year to another according to the intensity of wind speed. Where the nearest receptor to the main stack, which has the maximum concentrations of TSP, NO2, and SO2 is found in 2015 because the prevailing wind speed is mostly 4 m/s, while the farthest receptors for maximum concentrations are found in 2017, 2018, and 2019 because about 10% of the prevailing winds has a speed of 10 m/s followed by 50% of 4 m/s.
The results showed that the highest maximum concentrations (Total Suspended Particles TSP - nitrogen dioxide NO2 - Sulphur dioxide SO2) appeared during the months (December - November - January) when the model was implemented continuously on the pollutant data generated from the main stack APCC for the time period (2014 - 2020) for each separate pollutant based on the pollutant data for the year (2020). This makes these months ideal for annual maintenance, which will have a positive impact on air quality.

تم دراسة تأثير استخدام الوقود البديل مثل (الوقود المشتق من المخلفات الصلبة RDF – وحمأة الصرف الصحى المجفف DSS– الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF) ضمن خليط الوقود مع الفحم فى صناعة الأسمنت على إنبعاثات وتركيزات الملوثات مثل (الأتربة الكلية المستنشقة TSP– ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2). وقد تم إختيار مصنع تيتان مصر لأسمنت بورتلاند (APCC) الواقع بمدينة الإسكندرية. وقد تم إختيار APCC لهذه الدراسة لأنه يعتبر من أهم وأكبر مصانع الأسمنت في مصر و يهتم بتنفيذ الحدود واللوائح القانونية المحلية لحماية البيئة كأحد أهداف التنمية المستدامة. كما أنه يستخدم نظامًا لمراقبة بيانات المداخن مرتبط بالشبكة القومية لرصد الإنبعاثات الصناعية بجهاز شئون البيئة المصرى التابع لوزارة البيئة المصرية. وهذا النظام يعمل بشكل مستمر على مدار 24 ساعة فى اليوم سبعة أيام فى الأسبوع (24 ساعة / 7 أيام). وقد تم الإستعانة ببيانات المدخنة الرئيسية للمصنع خلال الفترة الزمنية منذ عام 2014 وحتى عام 2020.
تم استخدام نموذج إنتشار الملوثات AERMOD وهو برنامج معتمد عالميا من هيئة حماية البيئة الأمريكية (USEPA) لإستخدامه في عمليات التقييم التنظيمية المتخذة داخل الولايات المتحدة وهو واحد من النماذج التنظيمية الأكثر استخداما في العالم. وهو يستخدم معادلة تشتت غاوس لمحاكاة كيفية إنتشار ملوثات الهواء من مصادر مختلفة في الغلاف الجوي المحيط مثل (نقطة - منطقة - خط... الخ) ويأخذ في الاعتبار الترسبات الجافة والرطبة ويتضمن آليات لتحديد تأثير التضاريس والمباني على تشتت الهواء كما أنه قادر على تحديد اثر انبعاثات المداخن على نوعية الهواء المحلي، وتحديد المناطق التي سوف يحدث بها أقصى تأثيرات.
وقد تمت دراسة تركيزات الانبعاث وإنتشارها على مساحة يبلغ نصف قطرها 10 كيلومتر حيث تم استخدام شبكة مستقبلات متغيرة الكثافة، رفيعة، ومتوسطة، وكثيفة
المستقبلات في كل شبكة تمتد إلى 3000 و 5000 و 7000 و 10000 متر على التوالى بمسافات بينية 50 و100 و200 و 500 متر على الترتيب من أبعد نقطة في كل اتجاه من حدود المصنع حيث بلغ عدد المستقبلات 24016 مستقبل.
وحيث أن نماذج تشتت الملوثات تتطلب توافر بيانات العوامل الجوية المؤثرة مباشرة على حركة الملوثات و تشتتها على مدار الساعة وحيث أن البيانات اللازمة ذات طابع خاص لا يتم قياسها فى محطات الارصاد الجوية العادية حيث تصف الإستقرار الجوي مثل سرعة الاحتكاك ومعامل الخشونة وإرتفاع طبقة الخلط والحركة الدوامية وغير ذلك فقد تم إستخدام نموذج الأرصاد الجوية الرياضى (MM5V3) بغرض إعداد البيانات اللازمة. وهونموذج محاكاة الغلاف الجوى والذى تم تطويره بمعرفة كل من المركز القومى الأمريكى لبحوث الغلاف الجوى National Center for Atmospheric Research (NCAR) وجامعة ولاية بنسلفانيا الأمريكية. والنموذج مؤسس على حل المعادلات الرياضية التى تتحكم فى حركة الغلاف الجوي وكذا المعادلات التى تصف التفاعلات الفيزيائية بين مكوناته كما يمكن إستخدام النموذج على مراحل للوصول إلى دقة تحليلية عالية تصل إلى عدة كيلومترات.
وحيث أن وحدة معالجة التضاريس تتطلب معلومات كافية حول ارتفاع التضاريس لأنها تؤثر على تشتت الهواء بالإضافة إلى تحديد الموقع الجغرافي لكل مستقبل ومصدر (المدخنة الرئيسية). فقد تم استخدام ارتفاع التضاريس (60 ثانية) من مجموعة بيانات نموذج الارتفاع الرقمي USGS (https://earthexplorer.usgs.gov/)
وقد تم إعداد وتنفيذ سيناريوهين فى هذه الدراسة هما:
• السيناريو 1: تشغيل نموذج AERMOD على بيانات الملوثات الناتجة عن المدخنة الرئيسية لمصنع APCC للفترة الزمنية (2014 - 2020) لكل سنة على حدة لكل نوع ملوث منفصل(الأتربة الكلية المستنشقة TSP– ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2).
• السيناريو 2: تشغيل نموذج AERMOD بشكل مستمر على بيانات الملوثات الناتجة عن المدخنة الرئيسية APCC للفترة الزمنية (2014 - 2020) لكل شهر على حدة (يناير - فبراير - مارس ... - ديسمبر) لكل ملوث منفصل بناءً على بيانات الملوثات الخاصة بـ عام (2020) للحصول على تراكيز الملوثات لكل شهر على حدة.
وخلصت الدراسة إلى أن تغيير الوقود من الغاز الطبيعي خلال عام 2014 كسنة أساس إلى الفحم تسبب بشكل رئيسي في زيادة انبعاثات وتركيزات (الأتربة الكلية المستنشقة TSP– ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2). كما أدى استخدام أنواع الوقود البديلة (الوقود المشتق من المخلفات الصلبة RDF – وحمأة الصرف الصحى المجفف DSS – الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF) إلى اختلافات في انبعاثات وتركيزات كل من الأتربة والغازات.
كان أعلى مستوى لتركيز (الأتربة الكلية المستنشقة TSP) ناتج عن زيادة نسبة الفحم ووجود DSS حيث كان الإرتباط إيجابى بينهما، بينما كان أدنى مستوى بسبب وجود الغاز الطبيعي وزيادة نسب الديزل و الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF حيث كان الإرتباط سلبى.
من ناحية أخرى ، فإن التركيزات القصوى لكل من (ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2) أقل من الحدود القانونية لجهاز شئون البيئة باستثناء (ثانى أكسيد النيتروجين NO2) في عام 2016 مع زيادة طفيفة بنسبة (6.833٪) بمقدار 320.5 ميكروجرام / م 3.
كان أدنى تركيز (ثانى أكسيد النيتروجين NO2) ناتجًا عن زيادة نسبة الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF وجاء بإرتباط سلبى وإرتباط إيجابى مع انخفاض نسبة الديزل ، بينما كانت أعلى قيمته ناتجة عن وجود كل من الديزل وحمأة الصرف الصحى المجفف DSS مع ارتباط إيجابى.
ارتفع مستوى تركيزات ( ثانى أكسيد الكبريت SO2) بسبب زيادة نسبة وحمأة الصرف الصحى المجفف DSS مع إرتباط إيجابي وانخفضت التركيزات بسبب
زيادة نسب (الوقود المشتق من المخلفات الصلبة RDF– الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF) مع إرتباط سلبى.وبالتالي، فإن زيادة النسبة المئوية (الوقود المشتق من المخلفات الصلبة RDF – الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF) ضمن مزيج الوقود المستخدم مع تقليل النسبة المئوية لحمأة الصرف الصحى المجفف DSS والديزل والفحم ستقلل من انبعاثات وتركيزات TSP و NO2 و SO2 وتعمل على تحسين جودة الهواء المحيط.
وجاءت النتائج متفقة مع كل من (Chatziaras et al., 2013; Fadayini et al., 2021) و Chatziaras et al. (2013) and Fadayini et al. (2021) بأن استخدام الوقود البديل من قبل مصانع الأسمنت مبررًا بيئيًا واقتصاديًا وسيقلل من التلوث البيئي وبالتالي، يوصى بزيادة النسبة المئوية (الوقود المشتق من المخلفات الصلبة RDF – الوقود المشتق من إطارات السيارت المستخدم TDF) وتقليل النسبة المئوية لحمأة الصرف الصحى المجفف DSS والديزل والفحم في مصانع الأسمنت للحفاظ على احتياطيات الوقود الأحفوري وتقليل مستويات تلوث الهواء وتحسين جودة الهواء المحيط مما يوفر فوائد صحية كبيرة.
وعلى مستوى الإنتشار جاءت أعلى تركيزات قصوى (الأتربة الكلية المستنشقة TSP– ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2) فى الإتجاه جنوب شرق وجنوب مصنع APCC وتختلف من عام إلى آخر وفقًا لشدة سرعة وإتجاه الرياح. حيث وجد أقرب مستقبل للمدخنة الرئيسية ، والذي يحتوي على أقصى تركيزات لكل من الأتربة والغازات في عام 2015 لأن سرعة الرياح السائدة بلغت في الغالب 4 م / ث ، بينما وجد أبعد مستقبل للتركيزات القصوى في عام 2017 ، 2018 ، و 2019 لأن حوالي 10٪ من الرياح السائدة فى هذه الأعوام تبلغ سرعتها 10 م / ث تليها 50٪ بسرعة 4 م / ث.
وجاءت نتائج كل شهر على حدة (يناير - فبراير - مارس ... - ديسمبر) عند تنفيذ النموذج بشكل مستمر على بيانات الملوثات الناتجة عن المدخنة الرئيسية APCC للفترة الزمنية (2014 - 2020) لكل ملوث منفصل بناءً على بيانات الملوثات الخاصة بـ عام (2020) أن أعلى تركيزات قصوى (الأتربة الكلية المستنشقة TSP– ثانى أكسيد النيتروجين NO2 – ثانى أكسيد الكبريت SO2) ظهرت خلال أشهر (ديسمبر – نوفمبر - يناير) مما يجعل هذه الأشهر هى أفضل فترى يتم عمل الصيانة السنوية خلالها مما سيكون له مردود إيجابى على جودة الهواء.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.