Реферат : Загрязнение атмосферы транспортными средствами
Введение
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха поступают от энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, уголь, природный газ и другие). Количество загрязнения определяется составом, объемом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания.
Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Доля загрязнения атмосферы от газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку их применение в городах и промышленных центрах ограничено. В местах активного использования ГТДУ и РД (аэродромы, испытательные станции, стартовые площадки) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих источников сопоставимы с загрязнениями от ДВС и ТЭС, обслуживающих эти объекты.
[sms]
Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в двигателях всех видов, – нетоксичные диоксид углерода СО2 и водяной пар Н2О. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бензапирен С20Н12, несгоревшие частицы топлива и т.п.
1. Наземный транспорт
Автотранспорт является источником загрязнения атмосферы, количество автомашин непрерывно растет, особенно в крупных городах; а вместе с этим растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу.
Токсическими выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсических примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает ~45% СnHn от их общего выброса.
Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из которых приведены в табл. 1.1. Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизельное топливо).
Анализ данных данных приведенных в таблице 1.1, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, Nox, CnHm и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде не токсична. Однако частицы сажи несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Саж может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека.
Таблица 1.1
Компоненты
Содержание компонента, об. доли, %
Примечание
Карбюраторные ДВС
Дизельные ДВС
N2
O2
H2O (пары)
CO2
H2
CO
74–77
0,3–8
3,0–5,5
5,0–12,0
0–5,0
0,5–12,0
76–78
2–18
0,5–4,0
1,0–10,0
–
0,01–0,50
Нетоксичен
NOx
CnHm
Альдегиды
Сажа
Бензапирен
До 0,8
0,2–3,0
до 0,2 мг/л
0–0,04 г/м3
10–20 мкг/м3
0,0002–0,5
0,009–0,5
0,001–0,09 мг/л
0,01–1,1 г/м3
до 10 мкг/м3
Токсичен
Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, 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 СО увеличиваются в 4 – 5 раз.
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 атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу, а 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:
Содержание свинца в бензине, г/л
0,15
0,20
0,25
0,50
Концентрация свинца в воздухе, мкг/м3
0,40
0,50
0,55
1,00
Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилированный, что давно практикуется в крупных городах ряда стран Западной Европы.
Валовые выбросы вредных веществ автомобильным транспортом России (тогда еще СССР) составляют, млн. т/год:
Автомобили:
1960 г.
1970 г.
1980 г.
Грузовые
9,05
18,99
30,63
Легковые
0,82
1,3
4,23
Автобусы
0,65
2,1
4,16
Всего:
10,52
22,39
39,02
Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно выбрасывается, млн. т:
оксида углерода – 260
летучих углеводородов – 40
оксидов азота – 20.
Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха крупных городов мира составляет, %:
Оксид углерода
Оксиды азота
Углеводороды
Москва
96,3
32,6
64,4
Санкт-Петербург
88,1
31,7
79
Токио
99
33
95
Нью-Йорк
97
31
63
В некоторых городах концентрация СО в течении коротких периодов достигает 200 мг/м3 и более, при нормативных значениях максимально допустимых разовых концентраций 40 мг/м3 (США) и 10 мг/м3 (Россия).
2. Авиация и ракетоносители
Применение газотурбинных двигательных установок в авиации и ракетостроении поистине огромно. Все ракетоносители и все самолеты (кроме пропеллерных на которых стоят ДВС) используют тягу этих установок. Выхлопные газы газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) содержат такие токсичные компоненты, как СО, NОx, углеводороды, сажу, альдегиды и др.
Исследования состава продуктов сгорания двигателей, установленных на самолетах “Боинг-747”, показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя (табл. 2.1.).
Таблица 2.1.
Число оборотов двигателя
Содержание г/кг топлива
СО
NOx
CnHm
0.56 n*
87.9
0.7
9.8
0.83 n
2.3
1.5
0.3
0.90 n
–
4.4
–
* n – номинальное число оборотов двигателя
Как следует из таблицы 2.1., высокие концентрации СО и CnHm характерны для ГТДУ на пониженных режимах (холостой ход, руление, приближение к аэропорту, заход на посадку), тогда как содержание оксидов азота NOx (NO, NO2, N2O5) существенно возрастает при работе на режимах близких к номинальному (взлет, набор высоты, полетный режим).
Суммарный выброс токсичных веществ самолетами с ГТДУ непрерывно растет, что обусловлено повышением расхода топлива до 20 – 30 т/ч и неуклонным ростом числа эксплуатируемых самолетов (данные США).
1975 г.
1985 г.
1990 г.
Самолеты, шт.
5629
6028
6721
Суммарное топливо, млн. т в год.
45,5
97
142
Выбросы NОx, млн. т в год.
0,287
0,548
0,832
Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГТДУ оказывают в аэропортах и зонах, примыкающих к испытательным станциям. Сравнительные данные по выбросам вредных веществ в аэропортах показывают, что поступления от ГТДУ в приземный слой атмосферы составляют:
Оксиды углерода – 55%
Оксиды азота – 77%
Углеводороды – 93%
Аэрозоль – 97%
остальные выбросы выделяют наземные транспортные средства с ДВС.
Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а так же при заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из O, NOx, OH и др.
При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются H2O, CO2, HCl, CO, NO, Cl, а также твердые частицы Al2O3 со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).
В двигателях космического корабля “Шатл” сжигается как жидкое так и твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы (табл. 2.2), но большей частью в тропосферу.
Таблица 2.2
Атмосферный слой
Высота, км
Продукты сгорания, кг
HCl
Cl
NO
CO
CO2
H2O (пар)
Al2O3
Приземный слой
0–0,5
24666
2741
1697
131
55075
46674
39284
Тропосфера
0,5–13
78517
9657
4618
839
172570
152677
26385
Стратосфера
13–50
59732
11727
239
2189
147684
146393
110304
Нижняя мезосфера
50–67
0
0
0
0
0
15542
0
Мезосфера – термосфера
67
0
0
0
0
0
119045
0
В условиях запуска у пусковой системы образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объем продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке и в приземном слое. После запуска высоко температурное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30 – 60 км, оно может рассеятся, но может стать и причиной кислотных дождей.
При старте и возвращении на Землю Ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов. За 40 лет существования космонавтики в СССР и позднее России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с.
Согласно ГОСТ 17.2.1.01 – 76 выбросы в атмосферу классифицируют:
1) по агрегатному состоянию вредных веществ в выбросах, это – газообразные и парообразные (SO2, CO, NOx углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, органические соединения, растворы солей и жидких металлов); твердые (свинец иего соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др.);
2) по массовому выбросу, выделяя шесть групп, т/сут:
1. менее 0,01 вкл.;
2. свыше 0,01 до 0,1 вкл.;
3. свыше 0,1 до 1,0 вкл.;
4. свыше 1,0 до 10 вкл.;
5. свыше 10 до 100 вкл.;
6. свыше 100.
В связи с развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным использованием авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос их общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5% токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.
[/sms]
