2020-04-07
2555
Токсичными называют газы и вещества, содержащиеся в продуктах сгорания и оказывающие негативное воздействие на окружающую среду и организм человека. Токсичные продукты сгорания топлива из-за малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но именно они определяют экологические показатели теплосиловых и теплогенерирующих установок. Основными источниками выброса токсичных газов являются: автомобильный транспорт, тепловые электростанции, котельные, промышленные предприятия.
Основными токсичными веществами являются: оксид углерода СО, оксиды азота NOх, углеводороды СnHm, сажа и соединения, содержащие серу и свинец (для этилированных бензинов).
Оксид углерода образуется в ходе предпламенных реакций при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком воздуха, а также при диссоциации диоксида углерода СО2 при температурах более 2000 К. Образование СО является одним из возможных направлений реакций в механизме окисления углеводородов, которое можно представить как
RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO.
Реакция радикала RCO, приводящая к образованию СО, может протекать в результате одновременного взаимодействия с четырьмя компонентами:
В дизельных двигателях, которые являются основными тепловыми двигателями на подвижном составе железных дорог, оксиды углерода появляются в цилиндре в области низкотемпературных участков пламени в период воспламенения топлива. Дополнительными источниками его появления также являются капли топлива, сгорающие при недостатке кислорода, и частицы сажи, образовавшиеся в зонах с дефицитом кислорода.
Во всех случаях имеет место реакция типа
2С+О2=2СО.
Основная доля образовавшегося в камерах сгорания оксида углерода окисляется до СО2. При этом наибольший вклад в образование СО2 вносит реакция
СО+ОН*→СО2+Н*.
Оксид углерода – не имеющий запаха бесцветный газ. Попадая в организм человека, он вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород, и воздействует на нервную систему, вызывая обмороки.
Оксиды азота представляют собой набор следующих соединений: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. В дизельных двигателях преобладают NO (более 90 %).
В камере сгорания оксид азота NO может образовываться:
1) при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);
2) в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
3) из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).
В атмосфере NO, являясь неустойчивым компонентом, окисляется до NO2. Это газ красновато-бурого цвета, обладающий при наличии больших концентраций, удушливым запахом. Токсичность NO2 в 3-5 раз выше токсичности NO. При высокой концентрации в воздухе, попадая в организм человека, NO2 может вызвать отек легких. Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, которая губительно действует на растительность и вызывает коррозию металлов.
Углеводороды, находящиеся в продуктах сгорания топлива, образуются из исходных или распавшихся молекул топлива, не принимавших участия в процессе сгорания. Известно более 200 наименований углеводородов, относящихся к группе токсичных веществ.
Наиболее токсичными являются полициклические углеводороды. Они образуются в результате пиролиза (термического разложения) легких и средних фракций углеводородного топлива при температурах 600-700 К вблизи холодных поверхностей цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Максимальный уровень токсичности имеет С20Н12 (бенз(а)пирен). Бенз(а)пирен относится к канцерогенным веществам. Попадая в организм человека, они накапливаются, вызывая образование злокачественных опухолей.
Сажа является основным компонентом твердых частиц, содержащихся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Сажа состоит из углерода и небольшого количества 1-3 % (по массе) водорода. Она образуется при температуре более 1500 К при объемном пиролизе в условиях сильного недостатка кислорода. Образование сажи зависит от свойств топлива: чем больше отношение С/Н в топливе, тем выход сажи больше.
В состав твердых частиц, кроме сажи, входят соединения серы, свинца. Попадая в организм человека, частицы сажи могут откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах.
Сера, содержащая в каменном угле, мазуте, дизельном топливе, попадает в атмосферу в виде диоксида серы SO2. Диоксид серы далее может окисляться до SO3, а при взаимодействии SO3 с парами воды образуется серная кислота, которая способствует возникновению “кислотных” дождей. Наличие в атмосфере сернистых газов отрицательно действует на дыхательные пути человека, вызывая их раздражение. Если концентрация SO2 в атмосферном воздухе превышает 0,9 мг/м3, происходит ухудшение процессов фотосинтеза растений.
Свинец, содержащийся в этилированных бензинах, попадает в атмосферу в виде твердых частиц, которые образуются по сходному механизму образования сажи. Эти частицы попадают в организм человека через кожу или вместе с воздухом, вызывая головную боль, утомление, нарушение сна. Накапливаясь в организме человека, соединения свинца могут вызывать тяжелые расстройства нервной и кровеносной систем.
Одна секция тепловоза выбрасывает в атмосферу за час работы до 28 кг оксида углерода, до 17,7 кг оксидов азота, до 2 кг сажи. Но тепловозные дизели магистральных тепловозов при поездной работе имеют более стабильный режим нагрузок, поэтому абсолютное выделение загрязняющих веществ в атмосферу значительно сокращается. Маневровые тепловозы работают в переменных режимах с частыми троганиями, ускорениями и торможениями. В этом случае выброс отработавших газов значительно возрастает. Аналогичный характер загрязнения у тепловозов временной эксплуатации, обеспечивающих перевозки строительных и других грузов к участкам и объектам проведения строительных работ.
Совместная экспертная оценка специалистами ЦНИДИ, МАДИ, НАМИ современного состояния проблемы загрязнения атмосферы всеми видами транспорта показывает, что эксплуатируемый на территории РФ транспорт сжигает ежегодно примерно 110-115 млн.т топлива, 12-15 млн. т смазочного масла. При этом в атмосферу выбрасывается около 30 млн. т вредных веществ, в том числе до 15 млн.оксида углерода (СО), 12 млн. тонн оксидов азота (NOх), 2 млн. т углеводородов (СnHm), 1,2 млн.т сажи (С) и 2·1012 МДж тепловой энергии, что эквивалентно сжиганию примерно 50 млн.т условного топлива.
В США в загрязнении воздуха, создаваемом различными предприятиями, выхлопные газы тепловозов составляют менее 0,5 %. С 1972 года на мероприятия по ограничению выделения выхлопных газов железные дороги затратили 2,7 млн. долларов. Эти мероприятия принесли пользу железным дорогам, поскольку выхлопы в виде дыма имеют, как правило, неисправные локомотивы, требующие ремонта. Железные дороги США затратили в 1972 году 13,5 млн. долларов на работы по ограничению загрязнения воздуха дымами стационарных установок, по предварительной оценке на эти цели должно быть израсходовано еще до 6,5 млн.долларов.
Для защиты окружающей среды, наряду с ограничением дыма, необходимо бороться с искрами, источниками которых являются выхлопные устройства тепловозов и чугунные тормозные колодки. Загрязнение среды при перевозке сыпучих грузов, таких как песок, уголь и др., в открытых выгонах вызывает выдувание мелких фракций. Это явление можно ограничить увлажнением грузов и применением крыш на вагонах.
Тепловозные дизели выбрасывают в атмосферу громадное количество токсичных веществ, хотя выхлопные газы, как правило, бесцветны, что вызывает представление об их безвредности. В определенных же условиях эксплуатации тепловозы могут стать исключительно опасным источником загрязнения воздуха ядовитыми для человека веществами.
О концентрации вредных компонентов в отработавших газах можно судить по токсическим характеристикам дизелей, но по ним нельзя достоверно установить величину вредных выбросов в эксплуатации и характеризовать тепловоз как источник загрязнения окружающей среды.
Выбросы отработавших газов из выпускной системы тепловозов достигают 5-6 кг/с.
В выхлопе тепловозного дизеля содержится свыше 280 компонентов, из них можно выделить 36 элементов, содержание которых наибольшее. (В таблице 3 перечислены основные продукты сгорания дизельного топлива).
По ГОСТ 12.1.007-88 все вещества делятся на 4 категории по вредности воздействия на человека:
1) Чрезвычайно опасные
2) Высоко опасные
3) Умеренно опасные
4) Мало опасные
Компонентный состав выхлопных газов содержится в таблице 4.
Для определения содержания отдельных компонентов используют уравнения материального баланса и уравнения Дальтона.
Таблица 3. Продукты сгорания дизельного топлива в дизеле 14Д40.
| Наименование продукта сгорания | ||
| Кислород (О2) Гидроксил (ОН) Окись углерода (СО) Метан (СН4) Окись азота (NO) Формил (НСО) Ацетилен (С2Н2) Аммиак (NН3) Двухатомная сера (S2) Трехокись серы (SO3) Сероводород (Н2S) Сероуглерод (CS2) | Озон (О3) Вода (Н2О) Двухатомный азот (N2) Двухатомный углерод (С2) Метилен (CН2) Формальдегид (Н2СО) Этилен (С2Н4) Синильная кислота (HCN) Одноокись серы (SO) Полуокись серы (S2О) Мононитрид серы (NS) | Водород (Н2) Двуокись углерода (СО2) Одноатомный углерод (С) Одноатомный азот (N) Циан (CN) Метил (CH3) Этинил (С2Н) Дициан (С2N2) Одноатомная сера (S) Двуокись серы (SO2) Гидросульфид (HS) Моносульфид углерода (CS) |
Таблица 4. Компонентный состав выхлопа локомотива.
| Наименование компонентов | Содержание | |
| % по объему | г/м3 | |
| Азот | 76-78 | 950-975 |
| Кислород | 2-18 | 30-260 |
| Двуокись углерода | 1-10 | 20-200 |
| Водород | 0-0,5 | 0-0,004 |
| Окись углерода | 0,01-0,5 | 0,12-6,2 |
| Вода | 0,5-4,0 | 4-32 |
| Окислы азота (в пересчете на диоксид азота) | 0,001-0,4 | 0,02-1,0 |
| Альдегиды (в пересчете на формальдегид) | 0-0,002 | 0-0,03 |
| Неканцерогенные углеводороды (в пересчете на метан) | 0,002-0,02 | - |
| Сернистый газ | 0-0,003 | 0-0,86 |
| Сажа | - | 0,01-1,5 |
| Канцерогенные углеводороды | - | 5,0-10,0 |
Уменьшение дымности выхлопа дизеля и изменение количества вредных компонентов могут быть достигнуты введением присадок в топливо и масло (см. таблицы 5, 6).
Таблица 5. Удельные выбросы вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, г/кВт·ч.
| Наименование вредных веществ | Применяемое топливо | ||
| Дизельное “Л-0,2-62” | Дизельное “Л-0,2-62” с присадкой “0010” | Экологически чистое дизельное топливо (ДЛЭЧ) | |
| Оксид углерода | 2,52 | 2,19 | 2,11 |
| Суммарные углеводороды | 0,952 | 0,920 | 0,862 |
| Оксиды азота в пересчетах на NO3 | 13,33 | 13,39 | 13,08 |
Таблица 6. Снижение токсичности отработавших газов за счет применения присадок к бензину и дизельному топливу.
| Вредные компоненты отработавших газов | % снижения токсичности при присадках | |
| “0010” | “0011” | |
| Дымность | До 90 | - |
| Оксиды азота | До 50 | До 55 |
| Оксид углерода | До 85 | До 85 |
| Углеводороды | До 65 | До 80 |
| Бенз(а)пирен | До 40 | До 90 |
| Альдегиды | До 60 | До 16 |
| Аэрозоль | До 20 | - |
| Масляный туман | До 20 | До 100 |
Исследования дизелестроительных фирм показали, что возможность снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах дизелей даже при электронном впрыске топлива и сжигании бедных топливо-воздушных смесей достигла своих пределов и дальнейшее снижение выбросов возможно только за счет использования специальных устройств для очистки выпускных газов перед выбросом их в атмосферу. Работы по созданию таких устройств – каталитических нейтрализаторов – ведутся с начала 70–х годов. Ведущие дизелестроительные фирмы “Caterpillar” (США), “MAN” (Германия), “B&W” (Дания), “Jenbacher” (Австрия), “F.G.Wilson” (Великобритания) и другие проводят интенсивные исследования по их созданию.
Основным методом очистки выхлопных газов от диоксидов и оксидов азота является каталитический. Однако каталитические установки имеют большие габариты и массу из-за малых скоростей конверсии диоксидов и оксидов азота. Большие успехи достигнуты в разработке каталитических нейтрализаторов для снижения содержания в выхлопных газах таких вредных компонентов, как СО, СnHm и сажа. Каталитический нейтрализатор снижает содержание вредных компонентов СО и СnHm на 60%, а сажи на 20 %.
Эффективность такого каталитического нейтрализатора увеличивается с ростом температуры выпускных газов, поступающих в него. Однако верхняя допустимая температура газов ограничена значением 650 0С и лежит вне максимальных значений температур газа в выпускном коллекторе современных стационарных дизелей. Поэтому каталитический катализатор необходимо устанавливать на выпускном тракте сразу за дизелем, перед глушителем. Дополнительным положительным эффектом от установки каталитического нейтрализатора является снижение шума выпуска газов дизеля на 5…7 дБА, что также смягчает отрицательное воздействие теплового двигателя на окружающую среду.
При этом на тепловозах (дизельных двигателях транспортных систем) можно снизить количество вредных выхлопных газов, но невозможно изменить количество парниковых газов. Существует “Киотское соглашение” – регламентирующие квоты стран на выбросы парниковых газов.
Экологический налог на выбросы в атмосферу для каждой эксплуатирующейся серии тепловоза рассчитывается по формуле
П=γВmΣСiKi (1)
где γ – коэффициент, вводимый для передвижных источников загрязняющих веществ; γ=0,8.
Вm – количество дизельного топлива, фактически израсходованного тепловозами данной серии за рассматриваемый период, т;
Сi – ставка налога за i-тое вредное вещество, р/т;
Кi – количество i-того вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу при сгорании 1 т дизельного топлива (коэффициент эмиссии), кг/т.
Если в локомотивном депо организован экологический контроль отработавших газов тепловозов, известны режимы вождения поездов по обслуживаемым плечам, то возможен расчет экологического налога по фактическим выбросам. В этом случае администрация локомотивного депо заинтересована в снижении экологического налога не только путем снижения расхода топлива, но и снижением токсичности отработавших газов и выбором наиболее безопасных с экологической точки зрения режимов ведения поезда.
Для снижения накладных расходов на экологические испытания тепловозов в условиях локомотивного депо предлагаются следующие режимы (таблица 7).
Таблица 7. Перечень режимов для измерения состава отработавших газов.
| Серия тепловоза | ПКМ |
| 2ТЭ10 | 0; 5; 10; 15 |
Также рассчитан удельный экологический налог (р./(104 ткм бр.)) по действующим на 05.02.02 г. ставкам (формула (3)):
(2)
(3)
mi-удельная эмиссия i-го вредного вещества, кг/(104 ткм бр);
сi-предельно допустимая концентрация i-го вредного вещества, мг/м3;
НCTi – ставка налога для i-го вредного вещества, р./т.
Одним из возможных путей снижения количества вредных выбросов тепловозными дизелями является перевод их на газообразное топливо. Этим топливом может быть сжатый или сжиженный природный газ, а также пропан-бутановая смесь.
Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо улучшает процесс смесеобразования и горения. Кроме уменьшения продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в отработавших газах, такой двигатель имеет больший коэффициент полезного действия. При этом уменьшается расход смазочного масла и полностью исчезает нагар. В то же время ухудшаются удельные параметры силовой установки по массе и габаритам и увеличиваются эксплуатационные расходы. Последнее связано с созданием газонаполнительных станций, производством газобаллонной аппаратуры, изготовлением специального оборудования для ремонта и технического обслуживания.
Если в основу прогноза совершенствования теплосиловых установок локомотивов положить возможность появления дефицита жидкого топлива, то актуальной задачей становится создание подвижного состава с газотурбинными двигателями, работающими на газообразном или твердом топливе.
Исследования, выполненные во ВНИИЖТе, показали, что удельная стоимость жизненного цикла грузового локомотива с современной газотурбинной установкой при использовании природного газа в два раза ниже, чем у тепловоза с дизельным двигателем. По экологическим и массогабаритным показателям газотурбинные двигатели намного превосходят дизельные.
