Задание 1
Транспорт и атмосфера
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %.
Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.
Загрязнение атмосферы выбросами транспорта
Большую долю в загрязнении атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. Сейчас на Земле эксплуатируется около 1 млрд. автомобилей.
В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26– 30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): угарного газа – 700, диоксида азота – 40, несгоревших углеводородов – 230 и твердых веществ – 2 – 5. Кроме того, выбрасывается много соединений свинца из-за применения в большинстве своем этилированного бензина.
Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3 – 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.
Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.
Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине.
Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.
Мероприятия по борьбе с выбросами автотранспорта
Оценка автомобилей по токсичности выхлопов. Большое значение имеет повседневный контроль над автомашинами. Все автохозяйства обязаны следить за исправностью выпускаемых на линию машин. При хорошо работающем двигателе в выхлопных газах окиси углерода должно содержаться не более допустимой нормы.
Положением о Государственной автомобильной инспекции на нее возложен контроль за выполнением мероприятий по охране окружающей среды от вредного влияния автомототранспорта.
В принятом стандарте на токсичность предусмотрено дальнейшее ужесточение нормы: по окиси углерода—на 35%, по углеводородам—на 12%, по окислам азота—на 21%.
На заводах введены контроль и регулирование автомобилей по токсичности и дымности отработавших газов.
Системы управления городским транспортом. Разработаны новые системы регулирования уличного движения, которые сводят к минимуму возможность образования пробок, потому что, останавливаясь и потом набирая скорость, автомобиль выбрасывает в несколько раз больше вредных веществ, чем при равномерном движении.
Построены автомагистрали в обход городов, которые приняли весь поток транзитного транспорта, который раньше нескончаемой лентой тянулся по городским улицам. Резко снизилась интенсивность движения, уменьшился шум, чище стал воздух.
В Москве создана автоматизированная система управления дорожным движением «Старт». Благодаря совершенным техническим средствам, математическим методам и вычислительной технике она позволяет оптимально управлять движением транспорта во всем городе и полностью освобождает человека от обязанностей непосредственного регулирования автомобильных потоков. «Старт» на 20—25% сократит задержки транспорта у перекрестков, на 8—10% уменьшит количество дорожно-транспортных происшествий, улучшит санитарное состояние городского воздуха, увеличит скорость сообщения общественного транспорта, снизит уровень шумов.
Перевод автотранспорта на дизельные двигатели. По мнению специалистов, перевод автотранспорта на дизельные двигатели уменьшит выброс в атмосферу вредных веществ. В выхлопе дизеля почти не содержится ядовитой окиси углерода, так как дизельное топливо сжигается в нем практически полностью. К тому же дизельное топливо свободно от тетраэтила свинца, присадки, которая используется для повышения октанового числа бензина, сжигаемого в современных карбюраторных двигателях с высокой степенью сжигания.
Дизель экономичнее карбюраторного двигателя на 20—30%. Более того, для производства 1 л дизельного топлива требуется в 2,5 раза меньше энергии, чем для производства того же количества бензина. Получается, таким образом, как бы двойная экономия энергоресурсов. Именно этим объясняется быстрый рост числа автомобилей, работающих на дизельном топливе.
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Создание автомобилей с учетом требований экологии — одна из серьезных задач, которые стоят сегодня перед конструкторами.
Совершенствование процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, применение электронной системы зажигания приводит к уменьшению в выхлопе вредных веществ.
Нейтрализаторы. Большое внимание придается разработке устройства снижения токсичности — нейтрализаторов, которыми можно оснастить современные автомобили.
Способ каталитического преобразования продуктов сгорания заключается в том, что отработавшие газы очищаются, вступая в контакт с катализатором. Одновременно происходит дожигание продуктов неполного сгорания, содержащихся в выхлопе автомобилей.
Нейтрализатор крепят к выхлопной трубе, и газы, прошедшие через него, выбрасываются в атмосферу очищенными. Одновременно устройство может выполнять функции глушителя шума. Эффект от использования нейтрализаторов достигается внушительный: при оптимальном режиме выброс в атмосферу оксида углерода уменьшается на 70—80%, а углеводородов — на 50—70%.
Значительно улучшить состав выхлопных газов можно с помощью различных добавок к топливу. Ученые разработали присадку, которая снижает содержание сажи в выхлопных газах на 60—90% и канцерогенных веществ — на 40%.
В последнее время на нефтеперерабатывающих предприятиях широко внедряется процесс каталитического риформинга низкооктановых бензинов. В результате можно выпускать неэтилированные, малотоксичные бензины. Использование их снижает загрязненность атмосферного воздуха, увеличивает срок службы автомобильных двигателей, сокращает расход топлива.
Газ вместо бензина. Высокооктановое, стабильное по составу газовое топливо хорошо смешивается с воздухом и равномерно распределяется по цилиндрам двигателя, способствуя более полному сгоранию рабочей смеси. Суммарный выброс токсичных веществ у автомобилей, работающих на сжиженном газе, значительно меньше, чем у машин с бензиновыми двигателями. Так, грузовик «ЗИЛ-130», переведенный на газ, имеет показатель по токсичности почти в 4 раза меньше, чем его бензиновый собрат.
При работе двигателя на газе происходит более полное сгорание смеси. А это ведет к снижению токсичности отработавших газов, уменьшению нагарообразования и расхода масла, увеличению моторесурса. Кроме того, сжиженный газ дешевле бензина.
Электромобиль. В настоящее время, когда автомобиль с бензиновым двигателем стал одним из существенных факторов, приводящих к загрязнению окружающей среды, специалисты все чаще обращаются к идее создания «чистого» автомобиля. Речь, как правило, идет об электроавтомобиле.
Задание 2
Окись углерода
Окись углерода, угарныйгаз CO, оксид С (II), соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха,более легкий, чем воздух. Окись углерода — несолеобразующий окисел, невзаимодействующий при обычных условиях с водой, кислотами и щелочами. Окисьуглерода характеризуется восстановительными свойствами и склонностью к реакциямприсоединения. В атмосфере окись углерода содержится в незначительныхколичествах. Встречается в виде небольших включений в пластах каменного угля.Всегда образуется в результате сгорания углерода или его соединений принедостатке воздуха и в значительных количествах присутствует в выхлопных газахавтомобилей (2—10 объёмных %), табачном дыме (0,5—1 объёмных %), являясь такимобразом источником загрязнения атмосферы. Поступая в организм через органы дыхания,угарный газ взаимодействует с гемоглобином и образует карбоксигемоглобин, необладающий способностью переносить кислород к тканям. Наряду с этим уменьшаетсякоэффициент утилизации кислорода тканями. Возникают гипокапния, затруднениедиссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания и т.д.Защитную роль играет железо плазмы крови: его соединение с окисью углерода препятствуетобразованию карбоксигемоглобина и способствует извлечению окиси из тканей.
При острыхотравлениях наблюдается головная боль, головокружение, тошнота, рвота,слабость, отдышка, учащённый пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги,кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения идыхания, поражение зрительного нерва и т.д.; на 2—3-й сут может развитьсятоксическая пневмония. Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух,растереть грудь; вдыхание паров нашатырного спирта, горячее питье. Прихронических отравлениях появляются головная боль, головокружение, бессонница,возникает эмоциональная неустойчивость, ухудшаются память, внимание. Возможныорганические поражения центральной нервной системы, сосудистые спазмы,повышение количества эритроцитов в крови.
Известно, что сжигание 1тонны топлива бензиновым двигателем автомобиля приводит к образованию в среднем600 кг окиси углерода. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигателивыбрасывают значительно больше дыма, состоящего в основном из несгоревшегоуглерода.
Содержание СО вкарбюраторных двигателях составляет 0,5-12,0 %, что составляет где-то до 200 кгна 1000 л топлива, в дизельных двигателях соответственно – 0,01-0,5 % и на 1000л топлива – до 25 кг.
Окись углерода образуетсяна поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходитвследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива идиссоциации СО2 на СО и О2 при высоких температурах.
Во время работы дизеляконцентрация СО незначительна (0,1…0,2%). У карбюраторных двигателей при работена холостом ходу и малых нагрузках содержание СО достигает 5…8% из-за работы наобогащенных смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условияхсмесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания числоиспарившихся молекул.
Общеизвестно,что образование окиси углерода, которая является токсичным газом, получается восновном при процессе неполного сгорания топлива, а также характерно длядвигателей, срок эксплуатации которых по паспортным данным истёк.
Естественно,что для обеспечения чистоты атмосферы в городах требуется проведениесоответствующих мероприятий на транспортных двигателях, работающих на моторномтопливе, применяемом в специальных присадках. Основной задачей проведеннойработы в этом направлении является определение характера влияния различныхвидов присадок к моторным топливам на образование в продуктах сгорания окисиуглерода.
Прииспытании различных топлив с присадками на тепловых двигателях, как правило,основным показателем, характеризующим эффективность действия присадок, служитстепень повышения цетанового и октанового чисел и количество вредных выбросов ватмосферу.
Сувеличением процентного содержания присадки значительно уменьшается окисьуглерода. Следовательно, введение в топливо некоторых количеств нитросоединенийулучшает их моторные качества, а именно, увеличивает воспламеняющиесяспособности, выражающиеся в цетановых числах, снижает образование вредныхпримесей и значительно уменьшает вредные выбросы в атмосферу.
Санитарныминормами устанавливаются предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществв воздухе, которые не оказывают прямого или вредного косвенного влияния начеловека и окружающую среду. Величина ПДК зависит от химического состава веществаи времени его воздействия на человека и окружающую среду. Поэтому санитарныминормами устанавливаются предельно допустимые концентрации вредных веществ ввоздухе рабочей зоны и предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухенаселенных пунктов. Значения ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктовустанавливают максимально разовую и среднесуточную.
Перваяявляется основной характеристикой опасности вредного вещества и характеризуетего предельную концентрацию, которая при кратковременном воздействии (в течение20-30 мин) не вызывает у человека отрицательных явлений, а вторая – допустимуюстепень загрязнения в течение длительного периода времени.
Окисьуглерода: класс опасности 4, ПДК рабочей зоны 20 мг/м3,максимально-разовая 5 мг/м3, среднесуточная 3 мг/м3.
Сажа
Сажа — представляет собойбесформенное тело без кристаллической решетки; в отработанных газах дизельногодвигателя сажа состоит из неопределенных частиц с размерами 0,3… 100 мкм.
Содержание сажи вотработанных газах двигателей составляет: для карбюраторных двигателей 0,04 г/м3,что составляет на 1000 л топлива 1 кг; для дизелей 0,1-0,01 г/м3,или 3 кг на 1000 л топлива.
Причина образования сажизаключается в том, что энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываютсядостаточными, чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водородадиффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируютуглеводородные атомы от контакта с кислородом.
Образование сажи зависитот температуры, давления в камере сгорания, типа топлива, отношениятопливо-воздух.
Содержание сажи в выхлопныхгазах уменьшается с увеличением угла опережения впрыска топлива, а приуменьшении угла опережения впрыска топлива, выделение сажи заметно возрастает.
Количество сажи зависитот температуры в зоне сгорания.
Существуют другие факторыобразования сажи — зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холоднойстенкой, а также неправильная турбуленция смеси.
Скорость сжигания сажи зависитот размера частиц, например, сажа сжигается полностью при размере частиц меньше0,01 мкм.
Сажи выделяется извыхлопной трубы автомобиля в виде чёрного дыма, который отрицательно влияет наорганизм человека и окружающую среду.
В современных дизельныхдвигателях в масло попадает много сажи, которая сильно загрязняет двигатель испособствует его преждевременному износу.
Твердые частицы (сажа) –образуются в камере сгорания двигателя в результате пиролиза топлива привысоких температуре и давлении при недостатке кислорода; при вдыхании проникаютв дыхательные пути, усиливая вредное действие других токсичных компонентовотработавших газов; при соединении с аллергенами многократно усиливает ихдействие, создает неприятное ощущение загрязнения воздуха. Попадая нарастительность, она препятствует процессу опыления.
Дляуменьшения содержания сажи применяются специальные масла и более частая ихзамена. Замены масла увеличиваются, а расход масла уменьшается, в связи с чем вменьшее количество масла будет попадать больше сажи. Свойство моторного масларасщеплять и связывать попадающие в него частицы сажи размером несколько микронстало важнейшим показателем оценки масла. Если масло не обладает такимсвойством, сажа может загустить его во много раз, после чего оно не будетвыполнять своей главной задачи – уменьшать трение и износ.
Применениеприсадок к топливу также уменьшает содержание сажи. Снижение окислов азота исажи в выхлопных газах автомобилей легко достигается за счет рециркуляцииотработавших газов (EGR – exaust gas recirculation) и установкой сажевыхфильтров. Эти системы уже давно и успешно работают на легковых и грузовыхавтомобилях, и претензий к ним нет, кроме увеличения цены. Смысл рециркуляции втом, что часть выхлопных газов возвращается обратно в цилиндры, где ипроисходит «дожигание». Чтобы уменьшить количество сажи, надо повыситьтемпературу сгорания и увеличить давление впрыска, однако, чем большетемпература, тем больше и оксидов азота выделяется при сгорании.
Предельнодопустимая концентрация сажи в воздухе составляет: ПДК максимальная разовая0,15 мг/м3, среднесуточная 0,05 мг/м3.
Задание 3
3.1 Расчёт выбросовзагрязняющих веществ на территории автотранспортного предприятия
Основными нетоксичнымикомпонентами отработавших газов автотранспортных средств являются азот,кислород, пары воды и углекислый газ. Всего насчитывается около 200 вредныхвеществ, многие из которых опасны для здоровья человека. К токсичным элементамотносятся: оксиды углерода, оксиды азота, альдегиды, углеводороды, сернистыйгаз, сажа, бенз(а)пирен и др.
В общем перечне вредных веществучитываем только три ингредиента: оксид углерода (СО), несгоревшие(неканцерогенные) углеводороды (СnHm) и оксиды азота (NOx).
Данные для расчётавыбираем из таблиц приложения методички.
Выброс i-ого вещества вграммах одним автомобилем k-ой группы в день при выезде с территории АТП /> и возврате /> равен:
/>, г (1)
/>, г (2)
где /> - удельный выброс i-говещества при прогреве двигателя автомобиля k-ой группы, г/мин;
/> — удельный выброс i-го вещества приработе двигателя на холостом ходу, г/мин;
/> - удельный выброс i-го вещества придвижении автомобиля по территории АТП, г/км;
/> - время прогрева двигателя, мин;
L1,L2 – пробег по территорииАТП одного автомобиля в день при выезде (возврате), км;
/>, /> -время работы двигателя на холостом ходу при выезде (возврате) на территориюАТП, мин.
Представляем расчётвыбросов СО, СnHm, NOx для автомобиля первой группы (грузовые и специальныегрузовые с бензиновыми двигателями). Для автомобилей других групп данныесведены в таблицу 1.
Согласно шифру 03выбираем величины, входящие в формулы (1) и (2) для каждого из выбросов. Расчётведём согласно варианту для периода «лето-осень», когда среднемесячнаятемпература больше +50С. Время прогрева двигателя составляет />, L1=0.4 км, L2=0.5 км, />.
— СО (/>,/>,/>) ;
— СnHm (/>,/>,/>) ;
— NOx (/>,/>,/>)
Подставляем значения:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Рассчитаем теперь валовыевыбросы всех веществ, т.е. выброс всеми автомобилями АТП за определённый периодгода по формуле:
/> (3)
где /> - валовой выброс, кг;
/> - коэффициент выпуска, которыйобозначает долю автомобилей k-ой группы, выезжавшей с территории АТП;
/> - количество автомобилей k-ой группыв АТП, ед.;
/> - количество рабочих дней врасчётном периоде года, дн.
/> — суммирование по всем группамавтомобилей, имеющихся в АТП.
Для автомобилей первойгруппы />=0,8, />, />. Подставляем значения:
/>/>/>
Выброс соединений свинцав граммах одним автомобиле k-ой группы при выезде с территории АТП /> и возврате /> равен:
/> (4)
/> (5)
где /> - содержание свинца в 1литре бензина, г/л;
/>,/>-расход бензина при прогреве двигателя и работе на холостом ходу, л/мин;
/> - расход бензина при движенииавтомобиля по территории АТП, л/км.
Расчёт выброса соединенийсвинца проводится только для автомобилей с карбюраторными двигателями.
Валовый выброс свинца вкилограммах /> проводится по формуле (3).
Для автомобилей первойгруппы />=0,17 г/л, />=0,045 л/мин,/>=0,041 л/мин, />=0,33 л/км.
/>
/>
/>
Выполняем расчёты длядругих групп автомобилей по формулам (1 — 5), результаты заносим в таблицу 1.
Таблица 1. Результатырасчётов выбросов вредных веществ автомобилями с определёнными двигателями.Группа автомобилей
МСО, г
МСnHm, г
МNOx, г
Мc, г
М’СО
М”СО
М’СnHm
М”СnHm
М’NOx
М”NOx
М’c
М”c Грузовые и специальные грузовые с бензиновыми двигателями 93,9 39 10,72 5 1,46 0,88 0,042 0,025 Грузовые и специальные грузовые дизельные 31,3 13 8,04 3,75 1,46 0,88 - - Грузовые газобаллонные, работающие на сжатом природном газе 45 19,55 7,46 3,55 1,382 0,835 - - Автобусы с бензиновыми двигателями или ДВС 91,05 31,16 9 3,42 1,5 0,69 0,054 0,024 Автобусы дизельные 33 11,3 8,55 3,24 1,6 0,74 - - Легковые служебные и специальные 34,7 9,6 3,02 0,91 0,49 0,17 0,017 0,006
Валовый выброс, Мвал, кг/год 596,251 85,651 15,434 0,243
3.2 Расчёт годовоговыброса вредных веществ автомобильным парком
Для всего автомобильногопарка автотранспортного предприятия масса выброшенного за расчётный периодвредного i-ого вещества может быть определена по следующей зависимости:
/> (6)
где /> - количество автомобилейj-ой группы с двигателем k-ого типа в расчётном периоде, ед.;
/> - коэффициент выпуска, которыйобозначает долю автомобилей k-ой группы, выезжавших с территорииавтотранспортного предприятия;
/> — удельные выбросы i-ого вредноговещества автомобилем j-ой группы с двигателем k-ого типа, г/км;
Ljk – годовойпробег автомобиля j-ой группы с двигателем k-ого типа за расчётный период,тыс.км;
/> - коэффициент, учитывающийтехническое состояние автомобилей -ой группы с двигателем k-ого типа зарасчётный период.
Таблица 2. Расчётготового выброса вредных веществ автомобильным парком (/>=0,8).Группа автомобилей CO CnHm NOx
/>
Ljk
/>
/>
Mco
/>
/>
MСnHm
/>
/>
MNOx Грузовые и специальные грузовые с бензиновыми двигателями 14 32 49.6 1.7 30220 10.7 1.6 6136 6.3 0.9 2032 Грузовые и специальные грузовые дизельные 15 29 10.5 1.5 5481 6.2 1.4 3020 6.4 0.93 2589 Грузовые газобаллонные, работающие на сжатом природном газе 11 18 22.3 1.5 6623 7.9 1.4 1752 6.0 0.93 883 Автобусы с бензиновыми двигателями или ДВС 20 13 45.6 1.7 16124 8.5 1.6 2828 6.2 0.9 1160 Автобусы дизельные 10 27 10.8 1.5 3499 6.2 1.4 1878 6.4 0.93 1285 Легковые служебные и специальные 2 37 14.9 1.5 1323 1.3 1.4 107 1.8 0.93 124
Суммарный выброс, Мi кг/год 63270 кг/год 15727 кг/год 8073 кг/год
3.3 Расчёт удельныхуровней платежей (экокомпенсаций) за выбросы в атмосферу вредных веществавтотранспортными средствами
Годовой уровеньэкокомпенсаций определяется по следующей формуле:
/>, (7)
где КТ –коэффициент, который учитывает территориальные социально-экологическиеособенности населённого пункта;
Кинд –коэффициент индексации, для Харькова 1,58;
Мi – годовойвыброс i-ого вредного вещества, т/год;
/> - предлагаемый норматив платы,грн./т (/>,/>,/>);
/> - коэффициент кратности платы (/>,/>,/>)
Коэффициент Ктзависит от численности жителей населённого пункта, его народно-хозяйственнойзначения:
/>, (8)
где – Кнаскоэффициент, который зависит от численности жителей населённого пункта, равен1,8 для Харькова.
Кф –коэффициент, который зависит от народно-хозяйственного значения населённогопункта, равен 1,25 для Харькова.
Вычисляем Паа:
Паа=1,8*1,25*1,58*(2*63,27*1+4*15,727*1,2+450*8,073*1,5)=1,8*1,25*1,58*(126,54+75,49++5449,275)=20090,39грн./год