Воздействие передвижных источников на атмосферный воздух

Автотранспорт является одним из основных источником загрязнения атмосферы, количество автомашин непрерывно растет, особенно в крупных городах; а вместе с этим растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Доля различных видов транспорта в загрязнении атмосферного воздуха следующая:

Автомобильный транспорт................... 95,6 %

Воздушный транспорт..................... 1,2 %

Железнодорожный транспорт................1,1 %

Морской транспорт.................................0,6 %

Речной транспорт....................................0,6 %

Дорожные машины.................................0,9 %

Итого........................................................100%

Автомобильный транспорт, с одной стороны, потребляет из атмосферы кислород, а с другой – выбрасывает в атмосферу отработанный газ, углеводороды. Один легковой автомобиль в среднем поглощает ежегодно из атмосферы больше 4 тонн кислорода, выбрасывая с ОГ примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. При дальнейшем окислении углеводороды образуют токсичные кислородсодержащие соединения.

Загрязнение атмосферы подвижными источниками автотранспорта происходит в большей степени отработавшими газами через выпускную систему автомобильного двигателя, а также, в меньшей степени, картерными газами через систему вентиляции картера двигателя и углеводородными испарениями бензина из системы питания двигателя (бака, карбюратора, фильтров, трубопроводов) при заправке и в процессе эксплуатации.

Отработавшие газы (выхлопные газы) — это продукты окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы отработавших газов (ОГ) — основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов.

В составе отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания содержатся сотни вредных компонентов, однако наиболее существенными являются: оксид углерода (СО), углеводороды (СН), оксиды азота (NO_x), твердые частицы (ТЧ), соединения свинца (Pb) и серы (SO₂), альдегиды, а также канцерогенные вещества. Важное значение начинает приобретать загрязнение атмосферы диоксидом углерода (СО₂), в больших количествах содержащимся в отработавших газах автомобилей. Этот газ играет основную роль в формировании парникового эффекта планеты - явления, устранение которого в настоящее время стало глобальной проблемой.

Картерные газы вносят свою долю в загрязнение атмосферного воз духа. Их количество в двигателе возрастает с увеличением износа. Кроме того, оно зависит от условий движения и режима работы двигателя. На холостом ходу система вентиляции картерных газов, которой снабжены практически все современные двигатели, работает менее эффективно, что ухудшает экологические показатели автомобилей.

Испарения бензина в автомобиле происходят при работе двигателя и в нерабочем состоянии. Внутренняя полость бензобака автомобиля всегда сообщается с атмосферой для поддержания давления внутри бака на уровне атмосферного по мере выработки бензина. Это необходимо для нормальной работы всей системы питания двигателя, но в то же время создает условия для испарения легких фракций бензина и загрязнения ими воздух.

Примерный состав отработанных газов карбюраторных и дизельных двигателей приведен в табл. 1.

Таблица 1. Ориентировочный состав отходящих газов двигателей

автомобилей, об. %

Количество выделяемых примесей зависит от типа мотора, его мощности, режима работы, степени износа, условий эксплуатации и обслуживания. В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов.

Факторы влияющие на содержание вредных примесей в отходящих газов автомобилей. Основными факторами, определяющими содержание вредных примесей в составе выхлопных газов и соответственные уровни загрязнения атмосферы, являются: состав топлива, принцип действия и режим работы двигателя, а также условия, в которых движется автомобиль.

А. Влияние вида топлива. Применяемые в автомобилях виды топлива получаются путем переработки на заводах различных сортов нефти, отличающихся соотношением составных частей, существенно влияющих в свою очередь на последующую степень загрязнения атмосферы. Проведенное государственными учреждениями совместно с конструкторами двигателей изучение этого вопроса позволило разработать единые требования, строго определяющие характеристики различных видов топлива, допускаемые к использованию в существующих автомобильных двигателях, и позволяющие выбрать для различных режимов работы двигателя топливо, обладающее минимальным выделением токсичных газов. Эти требования регламентируют удельный вес топлива, его испа­ряемость, октановое и цетановое числа и содержание в топливе различных примесей.

Согласно межотраслевым требованиям, содержание серы в бензине не должно превышать 0,1 %, а в дизельном топливе – 0,3 – 0,4%.

Б. Влияние принципа действия и режима работы двигателя. Принцип, заложенный в основу работы двигателей внутреннего сгорания, может только при идеальных условиях обеспечить полное, без выделения вредных примесей, сгорание топлива при всех режимах работы. При отсутствии подобных условий присущие двигателям внутреннего сгорания недостатки резко проявляют себя, особенно при недостаточно четкой регулировке отдельных узлов, нарушающих нормальное функционирование всего дви­гателя.

Основное влияние на образование вредных примесей в составе выхлопных газов оказывают неправильная регулировка карбюратора и системы зажигания. Избыток воздуха в 5% обеспечивает полное сгорание топлива, но при умеренном сжатии горючая смесь воспламеняется искрой только в том случае, если она доста­точно насыщена топливом, а максимальную мощность двигатель достигает лишь при избытке топлива в горючей смеси.

Следовательно, двигатель внутреннего сгорания работает с избытком топлива в горючей смеси. Этот избыток топлива при сгорании превращается в окись углерода, содержащуюся в выхлопных газах.

При холодном запуске двигателя кратковременный излишек горючей смеси (насыщенность от 100 до 200%) сопровождается значительными выделениями окиси углерода, а зачастую обильными выбросами бензиновых паров и сажи.

Влияние условий движения транспорта. Окружающая обстановка и условия, заставляющие водителя часто изменять, режим работы двигателя, тормозить или набирать скорость, способствуют увеличению количества вредных выделений, загрязняющих атмосферу.

Кроме того, следует учитывать, что быстро двигающаяся машина улучшает перемешивание воздуха и возбуждает турбулентные потоки. Это обеспечивает более интенсивное рассеивание окиси углерода и несгоревших компонентов, выбрасываемых с выхлопными газами.

Максимальные концентрации вредных примесей были зарегистрированы в узких, застроенных высокими домами улицах, в подземных туннелях и на протяженных автомобильных городских магистралях во время затора и при длительных задержках машин перед светофорами.

Специфика подвижных источников загрязнения (автомобилей) проявляется:

- в высоких темпах роста численности автомобилей по сравнению с ростом количества стационарных источников;

- в их пространственной рассредоточенности (автомобили распределяются по территории и создают общий повышенный фон загрязнения);

- в непосредственной близости к жилым районам (автомобили заполняют все местные проезды и дворы жилой застройки);

- в более высокой токсичности выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами стационарных источников;

- в сложности технической реализации средств защиты от загрязнений на подвижных источниках;

- в низком расположении источника загрязнения от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и выбросами от стационарных источников транспорта, которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты.

Железнодорожный подвижной состав выделяет отработавшие газы, по составу аналогичные выхлопам автомобильных дизелей. Одна секция тепловоза выбрасывает в атмосферу за час работы 28 кг оксида углерода, 17,5 кг оксидов азота, до 2 кг сажи. Но тепловозные дизели при поездной работе имеют более стабильный режим нагрузок, так как регулирование скорости производится с помощью электротрансмиссии, а дизель работает с малыми отклонениями частот вращения. В связи с этим выделение загрязняющих веществ значительно сокращается;

Маневровые тепловозы работают в переменных режимах с частыми троганиями, ускорениями и торможениями. В этом случае выброс отработавших газов значительно возрастает. Аналогичный характер загрязнений наблюдается у тепловозов отделений временной эксплуатации, обеспечивающих перевозки строительных и других грузов к участкам и объектам проведения строительных работ;

Пассажирские вагоны, в которых при работе печного отопления, при использовании каменного угля, в атмосферу выделяется большое количество соединений серы, углекислого и угарного газа и других вредных компонентов, на рельеф местности сбрасываются хозфекальные сточные воды..

Рефрижераторные секции и вагоны, используемые для перевозок скоропортящейся продукции, оборудованы холодильными установками, которые используют озоноразрушающие вещества (фреон и другие ХФУ), которые в случае утечки оказывают воздействие на глобальный природный баланс озона в стратосфере.

Воздушный транспорт. Гражданские самолеты, осуществляющие регулярные полеты с использованием установленных правил полетов по приборам являются основным источником локального и регионального негативного воздействия на атмосферу.

У авиации общего назначения, хотя количество их выбросов значительно меньше, но небольшая высота полета, многочисленность и преимущественно не регламентированные строго маршруты полета существенно увеличивают негативное воздействие на атмосферу в отдельных регионах.

Гражданские вертолеты являются заметным источником локального загрязнения (например, при регулярных полетах в черте городской застройки).

При чрезвычайных и аварийных ситуациях самолеты вынуждены сливать в воздухе излишнее топливо для уменьшения посадочной массы. Количество топлива, сливаемого самолетом за один раз, колеблется от 1-2 тыс. до 50 тыс. литров. Испарившаяся часть топлива рассеивается в атмосфере без опасных последствий, однако неиспарившаяся часть достигает поверхности земли и водоемов и может вызвать сильные местные загрязнения. Доля неиспарившегося топлива, достигающего поверхности земли в виде капель, зависит от температуры воздуха и высоты слива. Даже при температуре более 20° С на землю может выпадать до нескольких процентов сливаемого топлива, особенно при сливе на малых высотах.

Водный транспорт. Экологическая обстановка в речных акваториях во многом зависит от выбросов токсичных компонентов главных силовых установок и вспомогательных дизель-генераторов. Один из главных токсичных компонентов отработавших газов дизелей - оксиды азота. Судовыми дизелями выбрасывается в атмосферу около 7 % мирового выброса этих веществ. Все технологии снижения выбросов оксидов азота связаны с удорожанием стоимости дизелей и некоторым ростом эксплуатационных расходов.

Морской флот является существенным источником загрязнения воздушная атмосферы и мирового океана. Жестокие требования международной морской организации (ИМО) от 1997 года по контролю качества выпускных газов судовых дизелей и удаляемых за борт льяльных, бытовых и сточных вод направлены на ограничение отрицательного воздействия эксплуатируемых судов на окружающую среду.

Для уменьшения загрязнения газов при работе дизеля металлами, сажей и другими твердыми примесями дизеле-и судостроители вынуждены в кратчайшие сроки оборудовать судовые энергетические установки и пропульсивные комплексы техническими средствами по очистке выпускных газов, более эффективными сепараторами льяльных нефтесодержащих вод, очистителями сточных и бытовых вод, современными инсинераторами.

Рефрижераторы, танкеры газо-и химовозы, некоторые другие суда являются источниками загрязнения атмосферы фреонами (окислами азота), используемых в качестве рабочего тела в холодильных установках. Фреоны разрушают озоновый слой атмосферы Земли, являющийся охранным щитом для всего живого от жестокого излучения ультрафиолетового излучения.

Очевидно, что чем тяжелее топливо используемое для тепловых двигателей, тем больше в нем тяжелых металлов. В связи с этим применение на судах природного газа и водорода, наиболее экологически чистых видов топлива, является весьма перспективным. Отработавшие газы дизелей, работающих на газовом топливе, практически не содержат твердых веществ (сажи, пыли),а также окислов серы, гораздо меньше содержат угарного газа и несгоревших углеводородов.

Сернистый газ SO₂ входящий в состав выпускных газов, окисляясь до состояния SO₃, растворяется в воде и образует серную кислоту, в связи с чем степень вредности SO₂ для окружающей среды вдвое выше, чем окислов азота NO₂ эти газы и кислоты нарушают экологический баланс.