Расчет выбросов вредных веществ от автотранспорта. Понятие выбросов автотранспорта в атмосферу Автомобильные выбросы в атмосферу
Автотранспорт является мощным источником загрязнения природной среды. Из 35 млн.т вредных выбросов 89% приходится на выбросы предприятий автомобильного транспорта и дорожно-строительного комплекса, 8% - на железнодорожный транспорт, около 2% - на авиатранспорт и около 1% - на водный транспорт.
Расчет проводится для следующих загрязняющих веществ: оксида углерода (СО), углеводородов (СН), оксидов азота (в пересчете на NO 2) и соединений свинца. Для дизельных двигателей дополнительно рассчитываются выбросы сажи (С).
Выброс загрязняющих веществ определяется в момент “выезда-въезда” транспорта с территории гаража (автостоянки, автотранспортного предприятия и т.д.) за территорию предприятия.
Выброс i-го вещества одним автомобилем k-той группы в день при выезде с территории предприятия M’ik и возврате M’’ik рассчитывали по формуле:
M’ik = m прik *t пр +m Lik *L 1 + m xxik *t xx1 ;
M’’ik= m Lik *L 2 +m xxik *t xx2 ,
где m прik - удельный выброс i-го вещества при прогреве двигателя автомобиля k-й группы, г/мин;
m Lik - пробеговый выброс i-го вещества при движении автомобиля по территории с относительно постоянной скоростью, г/км;
m xxik - удельный выброс i-го компонента при работе двигателя на холостом ходу, г/мин;
t пр - время прогрева двигателя, мин;
L 1 , L 2 - пробег по территории предприятия автомобилей в день при въезде (выезде), км;
t xx1 , t xx2 - время работы двигателя на холостом ходу при выезде (возврате) на территорию, мин.
Скорость движения автомобилей по территории предприятия составляет 10-20 км/ч, нагрузка практически отсутствует. Значения m прik , m Lik , m xxik для различных групп автомобилей представлены в табл. 3.1 - 3.5. Эти значения отражают не только типы автомобилей, их грузоподъемность, но и период года.
Периоды года (холодный, переходный, теплый) условно определяются по величине среднемесячной температуры. Месяцы, в которых среднемесячная температура ниже -5 С, относятся к холодному периоду, выше +5 С - к теплому, с температурой от -5 С до +5 С - к переходному. Влияние периода года учитывается только для выезжающих автомобилей.
Пробег автомобиля по территории предприятия при въезде и выезде в данном случае L 1 =L 2 , км.
Время прогрева (t пр) - 4 мин (для закрытой стоянки), а на открытой стоянке - 12 мин в холодный период, 6 мин. в переходный и 4 мин. - в теплый.
Валовой (суммарный) выброс каждого (i-го) вещества расчитывается отдельно для каждого периода года по формуле:
Mi j = В (M’ ik +M’’ ik)*N k *D j p *10 -3 , кг,
где В - коэффициент выпуска в смену;
N k - количество автомобилей k-й группы на предприятии;
D j p - количество рабочих дней в расчетном периоде года;
j - период года (теплый (т), холодный (х), переходный (п)).
Количество рабочих дней в расчетном периоде зависит от режима работы предприятия и длительности периодов со средней температурой ниже -5 С, от -5 С до +5 С, выше +5 С.
Для определения годового суммарного выброса массы одноименных веществ по периодам суммируются:
М i = M т i + M х i + M п i , кг.
Максимальный разовый выброс i-го вещества (Gi) расчитывается по формуле:
Gi=((m прik *t пр +m Lik *L+m xx ik *t xx)a В N k) / 60t p , г/сек,
где t p - время разъезда автомобилей, принятое равным 120 мин.
Максимальный разовый выброс расчитывали для месяца с наиболее низкой среднемесячной температурой.
Приведем пример расчета выбросов загрязняющих веществ для грузовых автомобилей грузоподъемностью 3-6 т.
Количество автомашин - 4.(№ 4 не брать)
Во многих городах мира концентрации вредных веществ в воздухе, создаваемые выбросами автотранспорта, превышают стандарты качества атмосферного воздуха.
Во многих городах нашей страны уровень загрязнения воздуха превышает нормативы предельно допустимых концентраций. В связи с этим проблема снижения негативного воздействия автотранспорта на здоровье людей, воздушный и водный бассейны, растительный и животный мир, почвы весьма актуальна.
Уровень загрязнения воздуха вредными примесями зависит не только от количества выбросов вредных веществ, но и в большей степени от условий рассеивания примесей в атмосфере. При определенных метеорологических условиях концентрации примесей в воздухе увеличиваются и могут достигать опасных значений.
Кратковременное сокращение выбросов в периоды увеличения загрязнения воздуха может существенно улучшить состояние воздушного бассейна. Вопросы регулирования выбросов и прогноза загрязнения атмосферы тесно связаны между собой.
Существующий уровень техники в нашей стране не позволяет обеспечить нужную очистку выбросов, поэтому, естественно, возникает вопрос о возможности уменьшения выбросов хотя бы в сравнительно короткие периоды времени, когда образуется неблагоприятная метеорологическая обстановка, при которой может создаваться опасное загрязнение воздуха. Разработка краткосрочного прогноза загрязнения воздуха в настоящее время является актуальной задачей.
Полное решение проблемы уменьшения загрязнения воздуха автотранспортом зависит, в первую очередь, от технических мероприятий, касающихся повышения экологичности каждого автомобиля и уменьшения токсичности автомобильных выбросов. Это - долгосрочная программа, требующая больших материальных затрат и времени. Определить целесообразность и достаточность тех или иных технических и организационных мероприятий по снижению выбросов автотранспорта позволяет долгосрочный прогноз загрязнения воздуха с учетом информации о существующих уровнях загрязнения воздуха в городах и мероприятий по снижению выбросов автотранспорта .
Современное состояние загрязнения воздуха автотранспортом и мероприятия по снижению выбросов в различных странах.
Прежде чем перейти к вопросам определения неблагоприятных метеорологических условий для выбросов автотранспорта и разработке схем прогноза загрязнения воздуха, целесообразно провести анализ современного состояния загрязнения воздуха автотранспортом в городах России и за рубежом, а также состава автомобильных выбросов. Легковой автомобиль стал одним из необходимых атрибутов повседневной жизни людей в развитых странах. В 90-е годы в мире насчитывалось свыше 600 млн, автомобилей, по прогнозам к 2010 г. их число может достигнуть 1 млрд. Более 1/3 автомобильного парка сосредоточено в Западной Европе и Северной Америке. При росте населения за последние годы в 4-х развитых странах - Германии, Швейцарии, США и Франции в 2 раза парк автомобилей возрос в 4 раза. Доля городских передвижений на общественном транспорте для большинства городов составляет 15 - 20%. В западноевропейских странах на 1000 жителей приходится в среднем 322 легковых автомобиля, в США - 540, Венгрии -168. В 2000 г. японский автомобильный парк насчитывал 58 млн. автомобилей (т.е. 1 автомобиль на 2 человека). В развивающихся странах владение легковыми автомобилями на душу населения значительно отстает от развитых стран (в 1985 г. оно составило 5%). Однако следует отметить в последние годы рост автомобильного парка бывших соц.стран и развивающихся стран за счет импорта устаревших автомобилей с «грязными» двигателями.
Так, автопарк личного транспорта Москвы в 2008 г. составил 850 тыс. единиц. Отмечается также, что ежедневно через Москву проезжает 120 тыс. иногородних автомобилей.
В общем валовом выбросе вредных веществ в атмосферу в странах ЕЭС на долю автотранспорта приходится до 70% выбросов оксида углерода, до 50% выбросов оксидов азота (во Франции и ФРГ до 60 - 70%) и до 45% выбросов углеводородов. Почти 90% выбросов свинца падает на долю автотранспорта в странах ЕЭС. В ФРГ выброс свинца составляет 3 тыс. тонн в год. В ФРГ на долю выбросов автотранспорта приходится 59,2% оксида углерода, 57,3% оксидов азота, 76,8% углеводородов, 10,7% пыли и 3,6% диоксида серы от валовых выбросов в атмосферу всеми видами транспортных средств.
В Италии вклад автотранспорта в загрязнение атмосферы также преобладает и составляет: по оксидам азота - 61,4%, оксиду углерода - 90т9% углеводородам - 76,9%.
В Российской Федерации по данным ежегодных обзоров в 2005 г. выбросы автотранспорта составили 62% от суммарных выбросов вредных веществ (67% по оксиду углерода, 32% по диоксиду азота, 34% по углеводородам) .
Преобладание выбросов автотранспорта является особенностью крупных городов, где проживает большинство населения. В таблице 1.1 показан вклад выбросов автотранспорта оксида углерода, углеводородов и диоксида азота от суммарных выбросов каждого вещества для некоторых крупных городов мира.
Во многих городах мира концентрации диоксида азота и оксида углерода, основных веществ присутствующих в выбросах автотранспорта, превышают стандарты качества атмосферного воздуха. Для сравнения уровней загрязнения воздуха в городах бывшего СССР и других стран на рис.1.1 и 1.2 приведены средние концентрации оксида углерода и диоксида азота. В-Сантьяго, Париже загрязнение воздуха оксидом углерода было выше, чем в Санкт-Петербурге, Москве, Тбилиси. Наиболее высокие уровни среднегодовых концентраций диоксида азота характерны для Москвы, Одессы, Алматы. Максимальные разовые концентрации, которые отмечались во многих городах мира на крупных автомагистралях в часы "пик" в 10 - 15 раз превышают среднегодовые концентрации.
По данным ежегодных обзоров о выбросах вредных веществ во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами от промышленных источников причем, в 12 городах выбросы автотранспорта превышают 100 тыс.т./год. Наибольшие выбросы от автотранспорта в 2005 г. были отмечены в городах Москве, Тюмени, Перми, Хабаровске и др. В таблице 1.2 приводятся города с выбросами автотранспорта выше 100 тыс.т./год и вкладом автотранспорта более 50% в валовые выбросы.
Повышенное загрязнение воздуха выбросами автотранспорта характерно для городов, как зарубежных, так и России, причем уровни содержания токсичных веществ в городском воздухе соизмеримы. Основными причинами такой соизмеримости (при значительно меньшем автопарке в нашей стране) являются крайне низкое техническое состояние наших автомобилей и некачественное топливо.
В настоящее время отсутствуют точные количественные оценки ущерба, наносимого выбросами автотранспорта окружающей среде и народному хозяйству, однако значительная доля ущерба (до 80%) связывается с заболеваниями населения. По данным американских ученых, при эпидемиях гриппа количество заболеваний в городах с повышенным уровнем загрязнения диоксидом азота и оксидом углерода в 10 раз больше, чем в городах, где экологическая обстановка благополучная.
Значительный ущерб здоровью людей наносят выбросы свинца и его соединений, содержащихся в автомобильном топливе.
Исследования, проведенные в городах Японии и Каире, показали, что концентрации свинца в крови дорожных полицейских и водителей были в 2 - 2,5 раза выше, чем у сельских жителей. Уровни свинца не коррелируют с возрастом, сроком службы. Говорится о том, что такие уровни свинца в крови у дорожных полицейских могут рассматриваться, как приемлемые для данной профессии.
Выбросы от автотранспорта являются одной из причин повреждения и гибели лесов в некоторых странах Европы. В целом в Альпах вследствие загрязнения воздушного бассейна повреждено более 80% лесов.
Наиболее широкие исследования ведутся по оценке негативного воздействия свинца, обладающего способностью накапливаться в растениях, в том числе и сельскохозяйственных культурах.
Установлено, что уровень содержания свинца в растениях превышает ПДК уже при интенсивности движения транспорта свыше 2500 -3000 машин в сутки. По оценкам немецких специалистов, ежегодный ущерб окружающей среде, обусловленный задержками транспорта на перекрестках {когда происходит наибольшее выделение выхлопных газов) в городах ФРГ составляет около 150 млрд.марок. Для 39 городов США в 2000 г. эти издержки оценены в 41 млн.долларов, в для Лондона в 10 млн. ф.ст. .
Поэтому во всем мире на первый план вынесена проблема снижения негативного воздействия автотранспорта на здоровье людей, воздушный и водный бассейны, растительный и животный мир.
Для этого, прежде всего, необходимо выяснить какие вредные вещества присутствуют в выхлопных газах автомобилей и в каком количестве.
Состав отработавших газов (ОГ) зависит от типа автомобиля и потребляемого топлива. В зависимости от структуры автомобильного парка меняется структура вклада выбросов автотранспорта в загрязнение атмосферы в разных странах. В общем парке транспортных средств Западной Европы и Северной Америки большую часть составляют легковые автомобили. В Восточной Европе преобладает грузовой транспорт. Грузовой автопарк в большинстве стран состоит из дизельных и автомобилей. В странах Восточной Европы (в том числе и нашей) довольно велико количество автомобилей, работающих на бензине, то же можно сказать про США.
Парк легковых автомобилей оснащен в основном двигателями с искровым зажиганием, работающими на бензине. В некоторых странах создано относительно большое количество автомобилей работающих на газе. В России в последнее время наблюдается тенденция перевода легкового и грузового транспорта на газовое топливо. В Западной Европе нашли большое применение легковые автомобили с дизельными двигателями, и их популярность растет.
Принцип работы двигателей внутреннего сгорания карбюраторных и дизельных - различный, поэтому составы отработавших газов также различны.
Для сравнения приведены данные для карбюраторного двигателя с использованием и без использования катализатора. Дизельные двигатели принято считать более экологичными. Однако, дизельные двигатели отличаются повышенными выбросами сажи, образующейся вследствие перегрузки и плохой регулировки двигателей и системы подачи топлива. Сажа насыщена канцерогенными углеводородами и микроэлементами, которые очень вредны для здоровья человека.
К основным загрязняющим компонентам в отработавших газах (ОГ) автомобилей относятся: оксид углерода (СО), углеводороды (СХНУ), оксиды азота (NOX) и сажевый аэрозоль.
Выброс малых составляющих от автомобилей, работающих на бензине, превосходит выброс от автомобилей, работающих на дизельном топливе. Исключение составляет выброс диоксида серы.
Для автомобилей, работающих на этилированных сортах бензина, характерно присутствие в ОГ соединений свинца.
30 мая 1984 г. было юридически закреплено решение ЕЭК ООН, по которому все новые модели автомобилей должны эксплуатироваться с 1986 г. на бензинах без свинца .
Информация об удельных выбросах единичного автомобиля с различными типами двигателей необходима для разработки мероприятий по снижению выбросов, тех либо иных веществ. Если в городе или в районе магистралей наблюдается повышенное содержание сажи в воздухе, мероприятия по снижению выбросов должны, в первую очередь, касаться дизельных автомобилей. Оснащение бензиновых двигателей катализаторами значительно уменьшает пробеговый выброс углеводородов и оксидов азота. Следовательно, в городах с большими уровнями загрязнения воздуха этими веществами, как одну из мер снижения выбросов автотранспорта, можно предложить - оснащение катализаторами карбюраторных автомобилей.
Надо отметить, что в зависимости от режима работы двигателя и температуры окружающей среды концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах меняются.
Известно, что в городских условиях двигатель автомобиля не может работать на каком-то одном режиме. Учет количественных различий в содержании токсических компонент в выхлопных газах при различных режимах работы автомобильных двигателей имеет особое значение при эксплуатации автомобилей в городе.
Уменьшению загрязнения воздуха выбросами автотранспорта способствует правильная организация движения транспорта на улицах городов. Например, при безостановочном проезде («зеленая волна», развязка на разных уровнях) выбросы оксида углерода и углеводородов на перекрестках снижаются в несколько раз.
Наибольшее количество выбросов оксида углерода и углеводородов поступает в атмосферу при малых скоростях движения автомобиля. При достижении скорости 40 км/час выбросы углеводородов практически не меняются. Выбросы оксида углерода постепенно понижаются с увеличением скорости движения. Минимальное количество окислов азота автомобиль выбрасывает при скорости 60 - 70 км/час.
Наименьшее количество оксида углерода, углеводородов и окислов азота выбрасывается автомобилями при температуре окружающей среды 20°С. С увеличением температуры усиливаются процессы испарения топлива, что приводит к увеличению концентрации вредных веществ в ОГ автомобиля. При уменьшении температуры окружающей среды увеличивается время прогрева двигателя, что приводит к увеличению концентраций вредных веществ в ОГ автомобиля.
Количество автомобилей год от года растет, следовательно для уменьшения выбросов всего парка автомобилей следует уменьшить выбросы каждого автомобиля. Снижение выбросов от автотранспорта обусловлено, в первую очередь, улучшением конструкции двигателей и ужесточением допустимых норм содержания вредных веществ в ОГ. Появилась тенденция уменьшения пороговых выбросов для парка автомобилей США с 1970 г. и в перспективе до 2020 г.
В западных странах с развитым автомобилестроением накоплен определенный опыт решения проблем, связанных с уменьшением загрязнения атмосферного воздуха, рисунок 1 .
Рисунок 1. Блок-схема модели оценки загрязнения воздушной среды ТП
Все мероприятия можно разделить на 3 основные группы. Мероприятия первой группы касаются технических вопросов развития автомобилестроения в стране:
- - совершенствование существующих двигателей (улучшение системы зажигания, в том числе оснащение бесконтактными системами зажигания);
- - изменение процессов подачи топлива в цилиндры двигателей, в том числе применение электронного впрыскивания топлива;
- - обеспечение рециркуляции отработавших газов, а также установка микропроцессорных систем управления двигателями.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ПО
ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ
Утверждена
приказом Госкомэкологии России
МЕТОДИКА
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВЫБРОСОВ АВТОТРАНСПОРТА
ДЛЯ
ПРОВЕДЕНИЯ
СВОДНЫХ
РАСЧЕТОВ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРЫ
ГОРОДОВ
Москва, 1999
Настоящий документ устанавливает порядок расчета выбросов автотранспорта для их использования при проведении сводных расчетов загрязнения атмосферы городов; может быть применен ко всем категориям автотранспортных средств при эксплуатации в городских условиях. Полученные по настоящему документу результаты используются в качестве исходных данных для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов выбросами промышленности и автотранспорта. При разработке данного документа учтены результаты практической оценки выбросов при проведении расчетов загрязнения атмосферы в Государственных комитетах по охране окружающей среды Пермской и Псковской областях, Санкт - Петербурга и Ленинградской области и комитете по охране окружающей среды г. Воронежа, а также их замечания и предложения по совершенствованию методологии оценки выбросов автотранспорта для применения при сводных расчетах загрязнения атмосферы городов.
I . ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 . Настоящая методика предназначена для оценки величин выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками на городских магистралях. 1.2 . Полученные величины выбросов автотранспортных потоков на городских автомагистралях применяются при проведении сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха города (региона) выбросами промышленности и транспорта. 1.3 . В качестве исходных данных для расчета выбросов автотранспорта в атмосферу используются результаты натурных обследований структуры и интенсивности автотранспортных потоков с подразделением по основным категориям автотранспортных средств. 1.4 . Приведенные в данном документе усредненные удельные значения показателей выбросов отражают основные закономерности их изменения при реальном характере автотранспортного движения в городских условиях, определяемых целесообразным выбором передаточного отношения от двигателя к трансмиссии. При этом учитывается, что в городе автомобиль совершает непрерывно разгоны и торможения, перемещаясь с некоторой средней скоростью на конкретном участке автомагистрали, определяемой дорожными условиями. 1.5 . Расчеты выбросов выполняются для следующих вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами автомобилей: - оксид углерода (СО); - оксиды азота N О x (в пересчете на диоксид азота); - углеводороды (СН) * ; - сажа; - диоксид серы (SO 2); - соединения свинца ** ; - формальдегид; - бенз (а) пирен. * - расчет выбросов соединений свинца для автомобилей, движущихся по городским автомагистралям, производится в том случае, если в данном городе используется этилированный бензин. Рассчитанные значения выбросов соединений свинца целесообразно уточнить с учетом доли этилированного бензина в общем потреблении бензинов всех марок в данном городе. ** - для автомобилей с бензиновыми двигателями при проведении расчетов загрязнения атмосферы используется ПДКм. р. по бензину (код 2704); для автомобилей с дизельным двигателем - по керосину (код 2732) [ 8]. 1.6 . Используемые при расчете выбросов параметры определяются на основе натурных обследований, проведение которых осуществляется по достаточно простой схеме, не требующей инструментального оснащения и продолжительного обучения. Это позволяет выполнять такие работы практически в любом городе с необходимой периодичностью, что весьма важно для регулярной корректировки информации о выбросах автотранспорта в целях поддержания работы компьютерного банка данных о выбросах промышленности и автотранспорта города в оперативном режиме.II . РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ АВТОТРАНСПОРТОМ
Выброс i - го вредного вещества автотранспортным потоком (MLi) определяется для конкретной автомагистрали, на всей протяженности которой, структура и интенсивность автотранспортных потоков изменяется не более, чем на 20 - 25 %. При изменении автотранспортных характеристик на большую величину, автомагистраль разбивается на участки, которые в дальнейшем рассматриваются как отдельные источники. Такая магистраль (или ее участок) может иметь несколько нерегулируемых перекрестков или (и) регулируемых при интенсивности движения менее 400 - 500 а / час. Для автомагистрали (или ее участка) с повышенной интенсивностью движения (т. е. более 500 а / час) целесообразно дополнительно учитывать выброс автотранспорта (Мп) в районе перекрестка. В районе перекрестка выбрасывается наибольшее количество вредных веществ автомобилем за счет торможения и остановки автомобиля перед запрещающим сигналом светофора и последующим его движением в режиме «разгона» по разрешающему сигналу светофора. Это обуславливает необходимость выделить на выбранной автомагистрали участки перед светофором, на которых образуется очередь автомобилей, работающих на холостом ходу в течение времени действия запрещающего сигнала светофора. Таким образом, для автомагистрали (или ее участка) при наличии регулируемого перекрестка суммарный выброс М будет равен:Где: , , , - выброс в атмосферу автомобилями, находящимися в зоне перекрестка при запрещающем сигнале светофора; , , , - выброс в атмосферу автомобилями, движущимися по данной автомагистрали в рассматриваемый период времени; n и m - число остановок автотранспортного потока перед перекрестком соответственно на одной и другой улицах его образующих за 20- минутный период времени; индексы 1 и 2 соответствуют каждому из 2- х направлений движения на автомагистрали с большей интенсивностью движения, а 3 и 4 - соответственно для автомагистрали с меньшей интенсивностью движения.
II.1 . Расчет выбросов движущегося автотранспорта.
Выброс i - того загрязняющего вещества (г / с) движущимся автотранспортным потоком на автомагистрали (или ее участке) с фиксированной протяженностью L (км) определяется по формуле: 
(II .2)
Таблица II .1 .
Значения пробеговых выбросов (г / км) для различных групп автомобилей
|
№ группы |
|||||||||
|
NO х (в пересчете на NO 2) |
Формальдегид |
Соединения свинца |
Бенз (а) пирен |
||||||
| Легковые | |||||||||
| Легковые дизельные | |||||||||
| Автобусы карбюраторные | |||||||||
| Грузовые дизельные | |||||||||
| Автобусы дизельные | |||||||||
Таблица II .2 .
Значения коэффициентов , учитывающих изменения количества выбрасываемых вредных веществ в зависимости от скорости движения
|
Скорость движения (V , км / час) |
||||||||||||||
II.2 Расчет выбросов автотранспорта в районе регулируемого перекрестка
При расчетной оценке уровней загрязнения воздуха в зонах перекрестков следует исходить из наибольших значений содержания вредных веществ в отработавших газах, характерных для режимов движения автомобилей в районе пересечения автомагистралей (торможение, холостой ход, разгон). Выброс i - го загрязняющего вещества (З В) в зоне перекрестка при запрещающем сигнале светофора М 4 п 0 определяется по формуле:
г/мин (II.3)
Где Р (мин.) - продолжительность действия запрещающего сигнала светофора (включая желтый цвет); N Ц - количество циклов действия запрещающего сигнала светофора за 20- минутный период времени; N гр - количество групп автомобилей; (г / мин) - удельный выброс i -г o З В автомобилями, k - ой группы, находящихся в «очереди» у запрещающего сигнала светофора; G k , n - количество автомобилей k группы, находящихся в «очереди» в зоне перекрестка в конце n - го цикла запрещающего сигнала светофора. Значения определяются по табл. II .3 , в которой приведены усредненные значения удельных выбросов (г / мин), учитывающие режимы движения автомобилей в районе пересечения перекрестка (торможение, холостой ход, разгон), а значения Р, N Ц, G k - по результатам натурных обследований.
Таблица II .3 .
Удельные значения выбросов для автомобилей , находящихся в зоне перекрестка
|
Наименование группы автомобилей |
№ группы |
Выброс, г / мин |
|||||||
|
NO x (в пересчете на NO 2) |
Формальдегид |
Соединения свинца |
Бенз (а) пирен |
||||||
| Легковые | |||||||||
| Легковые дизельные | |||||||||
| Грузовые карбюраторные с грузоподъемностью до 3 т (в том числе работающие на сжиженном нефтяном газе) и микроавтобусы | |||||||||
| Грузовые карбюраторные с грузоподъемностью более 3 т (в том числе работающие на сжиженном нефтяном газе) | |||||||||
| Автобусы карбюраторные | |||||||||
| Грузовые дизельные | |||||||||
| Автобусы дизельные | |||||||||
| Грузовые газобалонные, работающие на сжатом природном газе | |||||||||
III . ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ОБСЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И ИНТЕНСИВНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА ОСНОВНЫХ АВТОМАГИСТРАЛЯХ
Для определения выбросов автотранспорта на городских автомагистралях и последующего их использования в качестве исходных данных при проведении расчетов загрязнения атмосферы проводится изучение особенностей распределения автотранспортных потоков (их состава и интенсивности) по городу и их изменений во времени (в течение суток, недели и года). Территориальные различия состава и интенсивности транспортных потоков зависят от площади и поперечных размеров города, количества населения, схемы планировки улично - дорожной сети, особенностей расположения промышленных предприятий, автохозяйств, бензозаправочных станций и станций техобслуживания. Временные различия в значительной степени связаны с режимом работы промышленных предприятий и учреждений города и с климатическими особенностями района, в котором расположен город. III .1 . На основе изучения схемы улично - дорожной сети города, а также информации о транспортной нагрузке составляется перечень основных автомагистралей (и их участков) с повышенной интенсивностью движения и перекрестков с высокой транспортной нагрузкой. В качестве таких магистралей (участков) рассматриваются: - для городов с населением до 500 тысяч человек - магистрали (или их участки) с интенсивностью движения в среднем более 200 - 300 автомобилей в час; - для городов с населением более 500 тыс. человек - магистрали (или их участки) с интенсивностью движения в среднем более 400 - 500 автомобилей в час. Выбранные автомагистрали (или их участки) и перекрестки наносятся на карту - схему города (с учетом масштаба карты). На этой карте фиксируются и перекрестки, на которых предполагается проведение дополнительных обследований. III .2 . Для определения характеристик автотранспортных потоков на выбранных участках улично - дорожной сети проводится учет проходящих автотранспортных средств в обоих направлениях с подразделением по следующим группам: I . Л - легковые, из них отдельно легковые и легковые дизельные автомобили; II . ГК < 3 - грузовые карбюраторные грузоподъемностью менее 3 тонн и микроавтобусы (ГАЗ -51-53, УАЗы, «Газель» , РАФ и др.); III . ГК > 3 - грузовые карбюраторные грузоподъемностью более 3 тонн (ЗИЛы, Урал и др.); IV . АК - автобусы карбюраторные (ПАЗ, ЛАЗ, ЛИАЗ); V . ГД - грузовые дизельные (КРАЗ, КАМАЗ); VI . АД - автобусы дизельные (городские и интуристовские «Икарусы»); VII . ГГБ - грузовые газобалонные, работающие на сжатом природном газе. III .3 . Подсчет проходящих по данному участку автомагистрали транспортных средств проводится в течение 20 минут каждого часа. При высокой интенсивности движения (более 2 - 3 тыс. автомашин в час) подсчет проходящих автотранспортных средств проводится синхронно раздельно по каждому направлению движения (а при недостаточности числа наблюдателей - первые 20 минут - в одном направлении; следующие 20 минут - в противоположном направлении). III .4 . Для выявления максимальной транспортной нагрузки наблюдения выполняются в часы «пик» . Для большинства городских автомагистралей отмечается два максимума: утренний и вечерний (соответственно с 7 - 8 часов до 10 до 11 часов и с 16 - 17 часов до 19 - 20 часов), для многих транзитных автомагистралей наибольшая транспортная нагрузка характерна для дневного времени суток. С целью получения исходных данных о выбросах для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы города наблюдения организуются в часы «пик» летнего сезона года. Натурные обследования состава и интенсивности движущегося автотранспортного потока проводятся не менее 4 - 6 раз в часы «пик» на каждой автомагистрали. III .5 . Результаты натурных обследований структуры и интенсивности движущегося автотранспортного потока заносятся в полевой журнал по форме, приведенной в таблице III .1 .Таблица III .1 .
ПОЛЕВОЙ ЖУРНАЛ
обследования характеристик движущегося автотранспортного потока
|
Время подсчета, за период 20 минут |
Число автомобилей по группам |
Скорость движения потока, км / час |
||||||||||
|
Легковые |
Легковые дизельные |
ГК < 3, МА |
Легко вые |
Грузовые |
Автобусы |
|||||||
Таблица III .2
ПОЛЕВОЙ
ЖУРНАЛ
обследования
автотранспортных
потоков
на
перекрестках
|
Время работы запрещающего сигнала светофора, мин. |
Число автомобилей по группам |
Длина очереди автотранспорта (м) |
||||||||
|
Легковые |
Легковые дизельные |
ГК < 3 , МА |
||||||||
ЛИТЕРАТУРА
1 . Методические рекомендации по инвентаризации и нормированию выбросов автотранспорта в Санкт - Петербурге. С - Пб., 1995. 2 . Ложкин В. Н., Демочка О. И. и др. Экспериментально - расчетная оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС на эксплуатационных режимах работы. Технический отчет по НИР. С - Пб., НПО ЦНИТА, 1990. 3 . Жегалин О. И., Лупачев П. Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М., Транспорт, 1985. 4 . Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортных предприятий (расчетным методом). М., 1998. 5 . Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух. М., 1993. 6 . Методика расчета выбросов загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. М., 1997. 7 . Сравнительная оценка методик расчета выбросов от автотранспорта и возможностей их использования при проведении комплексных оценок рассеивания загрязняющих веществ. Отчет по теме. Пермский Гос. университет. 1998. 8 . Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. С. Петербург, 1998.Одним из мощных источников загрязнения городской воздушной среды является автомобильный транспорт, увеличение численности которого привело к насыщению городов легковыми автомобилями и переключению на них большей части пассажирских перевозок. Это резко ухудшает санитарные условия проживания в крупных городах: автомобиль не только загрязняет воздушную среду и создает шум, но, перевозя небольшое число пассажиров и работая на наиболее ценных видах топлива, использует его недостаточно эффективно. В связи с этим возникла необходимость разработки ряда мероприятий, позволяющих предотвратить загрязнение окружающей среды от автотранспорта.
С целью снижения негативного воздействия автотранспорта на атмосферный воздух в рамках представленной классификационной схемы (рис. 3) предусмотрены организационные (архитектурно-планировочные), технологические и специальные инженерно-экологические мероприятия.
Организационные мероприятия включают специальные приемы застройки и озеленение автомагистралей, размещение жилой застройки по принципу зонирования (в первом эшелоне застройки - от магистрали - размешаются здания пониженной этажности, затем - дома повышенной этажности и в глубине застройки - детские и лечебно-оздоровительные учреждения. Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарниковыми посадками). Важное значение имеют сооружение транс-портных развязок, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения гаражей и автостоянок.
Наибольший выброс выхлопных газов имеет место при задержках машин у светофоров, при стоянке с не выключенным двигателем в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора. Поэтому в целях снижения выбросов необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. В частности, сооружают специальные автомагистрали, не пересекающиеся на одном уровне с движением машин или пешеходов, специальные переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки перекрывающихся потоков транспорта.
Для снижения загазованности воздушной среды необходимо ограничить количество вредных веществ, выделяемых каждым автомобилем, т.е. установить нормы выброса токсичных веществ с выхлопными газами. Соответствие автомобилей указанным стандартам (в частности, по содержанию оксида углерода и углеводородов в выхлопных газах) проверяют инспектора ГИБДД.
В качестве технологических мероприятий, которые могут резко снизить токсичность выхлопных газов, можно выделить следующие:
Регулировка двигателей;
Изменение состава топлива;
Использование энергии торможения;
Перевод автомобилей на сжиженный газ;
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания;
Применение альтернативных видов топлива;
Внедрение гибридных двигателей;
Внедрение в эксплуатацию электромобилей, солнечных автомобилей, а также применение электрического транспорта и др.
Изменение состава топлива. Известно, что в целях предотвращения детонации горючего в двигателях автомашин в него добавляют тетраэтилсвинец , который делает выхлопные газы особо токсичными. Поэтому большие усилия были затрачены на замену указанного вещества на менее опасные, а также на получение стойкого к детонации бензина. При введении в топливо т.н. присадок можно существенно уменьшить количество некоторых токсичных веществ: сажи, альдегидов , оксида углерода и других. Так, для карбюраторных, двигателей самым эффективным оказались смеси различных спиртов.
Использование энергии торможения. Заметного сокращения расхода энергии, а значит, количества сжигаемого топлива и уменьшения загрязнения воздушной среды можно достичь, если использовать энергию, затрачиваемую на торможение. Указанная рекуперация была впервые успешно реализована на электрическом транспорте. Ныне были построены и успешно использованы на автобусах маховичный и гидропневматический рекуператоры. При этом экономия топлива составила 27-40%. объем выхлопных газов снизился на 39-49%.
Перевод автомобилей на сжиженный газ приводит к тому, что в выхлопе газобаллонных автомобилей содержится в 3-4 раза меньше оксида углерода, нежели в выхлопе бензиновых двигателей. При загрузке в баллоны 300 л сжиженного газа автобус способен пройти без заправки до 500 км. Если добавить к этому, что газ дешевле бензина, то достоинства газобаллонного автомобиля становятся еще более наглядными.
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Например, в США разработан карбюратор с раздельным смесеобразованием. Он позволяет кроме обычной смеси получать обогащенную, которая подается в специальную предкамеру со свечой зажигания. Благодаря этому происходит полное сгорание рабочей смеси, что, в свою очередь, позволяет свести до минимума содержание оксида углерода и углеводородов в выхлопных газах. Создан карбюратор, благодаря которому возможно использовать низкооктановые сорта бензина без антидетонационных добавок. В этом устройстве, со-стоящем из теплообменника, смесителя и реактора, бензин не только распыляется, но и расщепляется с помощью катализатора на более простые газы, например метан .
Во многих странах мира разрабатываются новые, более совершенные двигатели, которые можно устанавливать на серийных автомобилях. В частности, указывают на перспективность роторно-поршневого двигателя Ванкеля, который компактнее поршневых двигателей: объем в среднем на 30%, а масса на 11 % меньше.
Альтернативное топливо. Весьма перспективным заменителем традиционного топлива для автомобилей является водород. Двигатель, работающий на жидком водороде , не дает никаких запахов, не выделяет таких токсичных веществ, как свинец, оксиды азота, углерода. Жидкий водород почти в десять раз легче бензина. На одном из международных автомобильных конкурсов первое место занял «Фольксваген», для которого топливом служил водород. Интересно, что его отработанные газы были чище городского воздуха, который засасывался в карбюратор.
Признаётся перспективным автомобиль с размещенным на его шасси химическим реактором, в котором вырабатывается водород из углеводородов. Расчеты показали, что иметь такой реактор на машине экономичнее, нежели возить это топливо в специальных баллонах.
Преградами на пути широкого внедрения водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей является сложность получения его в достаточно больших количествах и необходимость обеспечения высокого уровня безопасности при осуществлении процесса горения водорода.
К другим видам альтернативного топлива можно отнести этиловый и метиловый спирты и их смеси. В США создан двигатель, в котором вместо бензина используется жидкий азот. Бак с охлажденным до жидкого состояния азотом соединен с испарителем, окруженным «рубашкой», в которой циркулирует воздух. Жидкий азот , попадая в испаритель, превращается вследствие быстрого повышения температуры в газ, который выходит под большим давлением из испарителя и приводит в действие электрогенератор. Вырабатываемый последним ток после выпрямления подается для питания электродвигателей, установленных на колесах. Выхлопные газы такого автомобиля состоят из чистого азота, который, естественно, не загрязняет атмосферу.
Перспективно широкое внедрение так называемых гибридных двигателей: в городе при относительно небольших скоростях должен использоваться только электромотор, питающийся от небольших батарей и обеспечивающий запас хода на 40-50 км, а при выезде за город должен включаться обычный двигатель. Одновременно электромотор может быть использован как генератор для подзарядки аккумулятора.
Электромобили. Весьма перспективным является проект массового перехода от автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями на электромобили, которые действуют от батарей - аккумуляторов, подзаряжаемых на станциях.
Электромобили бездымны, бесшумны, их выделения нетоксичны, они просты в управлений, а эксплуатация значительно экономичнее, особенно в городах. Этому способствует относительно небольшой среднесуточный пробег автомобилей в городе, ограничение скорости и возможность организации сети зарядных станций для батарей - аккумуляторов. Сейчас в мире эксплуатируется сотни тысяч электромобилей различного назначения, и парк их непрерывно растет.
Дальнейшие успехи в разработке электромобилей в основном, будут зависеть от решения ряда технических проблем (создания компактных, недорогих и легких аккумуляторов, разработка быстродействующих зарядных устройств). Укажем также на необходимость резкого уве-личения резервных мощностей электростанций, поскольку они недостаточны, если потребуется в перспективе ежедневная подза-рядка многих миллионов электромобилей.
Солнечный автомобиль использует солнечную (или световую) энергию, которая улавливается при помощи специальных солнечных батарей . Электромобиль на спиральных гидридно-никелевых батареях прошел несколько лет назад без подзарядки 601 км.
Как же побыстрее и подешевле создать массовый экологически чистый автомобиль? Прежде всего, считают специалисты, необходимо усовершенствовать существующие конструкции: постараться уменьшить расход топлива, само топливо сделать, более приемлемым с точки зрения чистоты выхлопов, добиться снижения сопротивления воздуха, так как оно при больших скоростях современных автомобилей отбирает большую долю энергии. Можно ис-пользовать новые, например, керамические материалы для двигателей, чтобы повысить их КПД (из-за достижения более высоких температур), что приведет к снижению потребления топлива и, соответственно, к уменьшению загрязнения атмосферного воздуха. Начиная с 1998 г. компании «Дженерал моторе», «Форд» и «Крайслер» начали реализовывать программу выпуска экологичных автомобилей.
Улучшению качества атмосферного воздуха в сочетании со снижением шума способствует применение электрического транспорта (трамвая, троллейбуса).
Специальными инженерно-техническими мероприятиями, снижающими выбросы токсичных веществ от автотранспорта как основного передвижного источника, дающего наибольший вклад в загрязнение атмосферы, является применение нейтрализаторов, катализаторов.
Нейтрализаторы выхлопных газов. К настоящему времени выпускаются нейтрализаторы следующих видов: каталитические (используются твердые катализаторы), пламенные (дожигание примесей в открытом пламени), термические (метод беспламенного окисления) и жидкостные (с помощью химического связывания примесей жидкими реагентами). При этом широкое распространение получили каталитические нейтрализаторы, которые превращают токсичный оксид углерода в малоопасный диоксид.
Вследствие загрязнения среды обитания вредными веществами отработавших газов двигателей внутреннего сгорания зоной экологического бедствия для населения становятся целые регионы, в особенности крупные города. Проблема дальнейшего снижения вредных выбросов двигателей все более обостряется ввиду непрерывного увеличения парка эксплуатируемых автотранспортных средств, уплотнения автотранспортных потоков, нестабильности показателей самих мероприятий по снижению вредных веществ в процессе эксплуатации. В денежном исчислении величина ежегодного экологического ущерба (загрязнение атмосферы, шум, воздействие на климат) от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации достигает 2-3 % валового национального продукта при общих экологических потерях 10 % и затратах на природоохранные мероприятия не более 1 %. Основная доля ущерба от автотранспорта (78 %) связана с загрязнением атмосферного воздуха выбросами вредных веществ (что во многом объясняется низким качеством отечественных топлив в сравнении с европейскими стандартами), 16 % ущерба приходится на последствия шумового воздействия транспорта на население.
Общее количество загрязняющих веществ, поступивших в атмосферный воздух на территории Российской Федерации от выхлопов газа автомобильного транспорта, в 2000 г. составило 11 824,2 тыс. т.
Принцип работы автомобильных двигателей основан на превращении химической энергии жидких и газообразных топлив нефтяного происхождения в тепловую, а затем – в механическую энергию. Жидкие топлива в основном состоят из углеводородов, газообразные, наряду с углеводородами, содержат негорючие газы, такие как азот и углекислый газ. При сгорании топлива в цилиндрах двигателей образуются нетоксичные (водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. Последние являются продуктами сгорания или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. К ним относятся окись углерода СО, углеводороды C m H n , окислы азота (NO и NO 2) обычно обозначаемые NO X . Кроме перечисленных веществ вредное воздействие на организм человека оказывают выделяемые при работе двигателей соединения свинца, канцерогенные вещества, сажа и альдегиды. В таблице 1 приведено содержание основных токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей.
Таблица 1.
Основным токсичным компонентом отработавших газов, выделяющихся при работе бензиновых двигателей, является окись углерода. Она образуется при неполном окислении углерода топлива из-за недостатка кислорода во всем объеме цилиндра двигателя или в отдельных его частях.
Основным источником токсичных веществ, выделяющихся при работе дизелей, являются отработавшие газы. Картерные газы дизеля содержат значительно меньшее количество углеводородов по сравнению с бензиновым двигателем в связи с тем, что в дизеле сжимается чистый воздух, а прорвавшиеся в процессе расширения газы содержат небольшое количество углеводородных соединений, являющихся источником загрязнений атмосферы.
Таблица 2.
Загрязнение воздуха автомобильным транспортом происходит в результате сжигания топлива. Химический состав выбросов зависит от вида и качества топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния.
Наиболее неблагоприятными режимами работы являются малые скорости и «холостой ход» двигателя, когда в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающих выброс на нагрузочных режимах. Техническое состояние двигателя непосредственно влияет на экологические показатели выбросов. Отработавшие газы бензинового двигателя с неправильно отрегулированными зажиганием и карбюратором содержат оксид углерода в количестве, превышающем норму в 2-3 раза.
Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания содержат около 200 компонентов. Период их существования длится от нескольких минут до 4-5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на организм человека их объединяют в группы.
Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. В этой группе заслуживает внимания углекислый газ (СО 2), содержание которого в отработавших газах в настоящее время не нормируется, однако вопрос об этом ставится в связи с особой ролью СО 2 в «парниковом эффекте».
Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива, он не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ. Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и нарушается функционирование всех систем организма. Отравлению угарным газом часто подвержены водители автотранспортных средств при ночевках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже.
Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом, NO – оксид азота и NO 2 – диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания двигателя при температуре 2800°С и давлении около 1 МПа. Оксид азота – бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO 2 – газ бурого цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.
Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С Х Н У – этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные вещества. В отработавших газах содержатся углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.
Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.
Углеводороды под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты – фотооксиданты, являющиеся основой «смога» (от англ, smoke – дым и fog – туман).
Главным токсичным компонентом смога является озон. К фотооксидантам также относятся угарный газ, соединения азота, перекиси и др. Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей, разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.
Пятая группа. Ее составляют альдегиды – органические соединения, содержащие альдегидную группу С, связанную с углеводородным радикалом (СН 3 , С 6 Н 5 или др.).
В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.
Формальдегид НСНО – бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Обусловливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.
Акролеин СН 2 =СН-СН=О, или альдегид акриловой кислоты, – бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.
Уксусный альдегид СН 3 СНО – газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.
Шестая группа. В нее входят взвешенные твердые вещества (сажа и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.)), которые состоят из мелкодисперсных частиц (диаметром менее 1 мкм), способные находиться во взвешенном состоянии в течение суток. Они состоят из разных материалов, включая неорганическую золу, кислые сульфаты или нитраты, дым, содержащий полициклические ароматические углеводороды, тонкодисперсную пыль, остатки свинца и асбеста.
Проблема загрязнения воздуха городов мира взвешенными частицами диаметром менее 10 мкм, называемые обычно РМ-10, признана одной из важнейших.
В России внимание этой проблеме начинает уделяться только сейчас. На сети мониторинга загрязнения атмосферы в России измеряются концентрации лишь суммы взвешенных веществ. Для развития сети станций, измеряющих концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц диаметром менее 10 мкм недостаточно финансовых ресурсов.
Полициклические ароматические углеводороды относятся к большому числу органических соединений, химическая структура которых состоит из двух и более бензольных колец. Наиболее широко известное соединение – бенз(а)пирен.
Сажа – частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость на дорогах. Наибольший вред сажи проявляется в адсорбировании на ее поверхности бенз(а)пирена, который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде. Поэтому уменьшение ее выбросов – весьма актуальная задача, от решения которой зависят как экологические показатели воздушного бассейна, так и развитие дизельного транспорта в целом. В настоящее время для очистки отработавших газов дизелей от сажевых (твердых) частиц во многих странах находят применение сажевые фильтры.
По данным работы, диаметр первичных сажевых частиц составляет 0,02-0,17 мкм. В отработавших газах сажа находится в виде образований неправильной формы размером 0,3-100 мкм. Наибольшее количество частиц сажи имеет размеры до 0,5 мкм.
Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения – такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе отработавших газов двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте.
Для отечественных месторождений нефти (особенно в восточных районах) характерен высокий процент присутствия серы и сернистых соединений. Поэтому и получаемое из нее дизельное топливо по устаревшим технологиям отличается более тяжелым фракционным составом и вместе с тем хуже очищено от сернистых и парафиновых соединений. Согласно европейским стандартам, введенным в действие в 1996 г., содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,005 г/л, а по российскому стандарту – 1,7 г/л. Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений. Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01 %) – к отравлению организма.
Восьмая группа. Компоненты этой группы – свинец и его соединения – встречаются в отработавших газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Оно определяет способность двигателя работать без детонации. Чем выше октановое число, тем более стоек бензин против детонации. Детонационное сгорание рабочей смеси протекает со сверхзвуковой скоростью, что в 100 раз быстрее нормального. Работа двигателя с детонацией опасна тем, что двигатель перегревается, мощность его падает, а срок службы резко сокращается. Увеличение октанового числа бензина способствует снижению возможности наступления детонации. В качестве присадки, повышающей октановое число, используют антидетонатор – этиловую жидкость Р-9. Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. В состав этиловой жидкости входят собственно антидетонатор – тетраэтилсвинец РЬ(С 2 Н 5)4, выноситель – бромистый этил (ВгС 2 Н 5) и амонохлорнафталин, наполнитель – бензин Б-70, антиокислитель – параоксидифениламин и краситель. При сгорании этилированного бензина выноситель способствует удалению свинца и его оксидов из камеры сгорания, превращая их в парообразное состояние. Они вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дорог.
В придорожном пространстве примерно 50 % выбросов свинца в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог. Накопление свинца в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Добавление к бензину присадки Р-9 делает его высокотоксичным. Разные марки бензина имеют различное процентное содержание присадки. Чтобы различать марки этилированного бензина, их окрашивают, добавляя в присадку разноцветные красители. Неэтилированный бензин поставляется без окрашивания (табл. 3).
Таблица 3.
Некоторые показатели физико-химических свойств автомобильных бензинов по ГОСТ 2084 – 77 и ОСТ 38.01.9 – 75
|
Показатели качества |
||||
|
Октановое число, не
менее:
По исследовательскому методу |
||||
| Содержание (масса) свинца, г/кг бензина, не более | ||||
| Содержание (массовая доля) серы, %, не более | ||||
| Цвет этилированного бензина |
Оранжевый |
В развитых странах мира применение этилированного бензина ограничивается или уже полностью прекращено не только по причине высокой токсичности присадки Р-9, но и из-за его несовместимости с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Достаточно одной заправки этилированным бензином, чтобы вывести из строя активный слой дорогостоящего нейтрализатора и датчика свободного кислорода (Х-зонда), т.е. лишить автомобиль инструментов подавления СО, СН, NO X и стехиометрического дозирования топлива с последующими непредсказуемыми последствиями, вплоть до возгорания автомобиля.
Негативное воздействие на экосистемы оказывают не только рассмотренные компоненты отработавших газов двигателей, выделенные в восемь групп, но и сами углеводородные топлива, масла и смазки. Обладая большой способностью к испарению, особенно при повышении температуры, пары топлив и масел распространяются в воздухе и отрицательно влияют на атмосферный воздух.
