Содержание к диссертации
Введение
1. Структурный анализ топливопотребления на железнодорожном транспорте России . 10
1.1. Структурный анализ топливопотребления на железнодорожном транспорте России. 10
1.2. Оценка влияние тепловозного парка на загрязнение воздушной среды . 21
2 Состав выбросов при сжигании различных топлив . 25
2.1. Состав выбросов при сжигании различных топлив. 25
2.2. Нормирование токсичности отработавших газов дизеля . 31
2.3. Образование загрязняющих веществ в дизелях тепловозов. 35
3 Анализ тепловозного парка железных дорог России . 42
4 Расчет массы выбросов загрязняющих веществ от тепловозного парка железных дорог россии. 57
4.1. Расчет массы выбросов загрязняющих веществ от тепловозов по расходу топлива. 57
4.2. Расчет массы выбросов загрязняющих веществ' от тепловозов по скорости их выброса в атмосферу . 77
4.3. Роль тепловозного парка в парниковом
эффекте. 91
5 Мероприятия по снижению выбросов вредных веществ . 95
5.1. Факторы, влияющие на токсичность отработавших газов. 95
5.2. Мероприятия по снижению выбросов вредных веществ . 99
5.3. Контроль экологической безопасноститепловозных дизелей. 103
Выводы 109
Заключение 110
Приложения. 113
Список использованной литературы 132
- Оценка влияние тепловозного парка на загрязнение воздушной среды
- Нормирование токсичности отработавших газов дизеля
- Расчет массы выбросов загрязняющих веществ' от тепловозов по скорости их выброса в атмосферу
- Мероприятия по снижению выбросов вредных веществ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Охрана окружающей среды является важнейшим фактором экономического развития и выживания человечества в мировом масштабе. На международной конференции в Рио-де-Жанейро, состоявшейся в 1992 г., была подчеркнута необходимость охраны окружающей среды.[141] Окружающая среда должна рассматриваться в качестве неотъемлемого элемента общих решений по развитию в регионах промышленности, транспорта и населенных пунктов. В частности, одной из главных проблем снижения антропогенного воздействия на окружающую среду результатов жизнедеятельности современного общества является проблема уменьшения загрязнения атмосферного воздуха.
В декабре 1997 г. в Киото (Япония) был принят специальный Протокол, дополняющий Конвенцию и устанавливающий уровни выбросов парниковых газов и показатели уменьшения их на предстоящие годы для многих развитых стран. Россией Протокол был ратифицирован в ноябре 2004 года.
Железнодорожный транспорт по сравнению с прочими видами транспорта не является самым активным источником загрязнения биосферы, но в совокупности с объектами-загрязнителями других отраслей промышленности создает серьезную угрозу для окружающей среды.
Работа железнодорожного транспорта основана на использовании топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Железнодорожный транспорт потребляет электроэнергию, дизельное топливо, топочный мазут, уголь и продукты его переработки, природный горючий газ, дрова, бытовое печное топливо и др.
Структура потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в отрасли определяется структурой энергетики железнодорожного транспорта, которая объединяет под общим названием совокупность топливо-энергопотребляющих и энергогенерирующих установок железнодорожного транспорта, а также систем, обеспечивающих их работу. В 2004 году суммарный расход топливно-энергетических ресурсов в целом по ОАО "РЖД" составил около 26 млн. тонн в условном исчислении. В тяговой энергетике доля потребления ТЭР в условном исчислении составляет 62,3 % от общего их потребления в отрасли; при этом 47,1 % ТЭР используется в электрической тяге и свыше 15 % - в дизельной. Соответственно потребности нетяговой энергетики составляют около 38 %. Из этого объема около 23,65 % потребляется в стационарной теплоэнергетике, более 10 % - расходуется на производственно-бытовое электропотребление и около 4 % составляет прочее потребление.
Наибольшее количество топлива потребляется в локомотивном хозяйстве железных дорог России (практически все дизельное топливо и около 18% -котельно-печного топлива, т.е., около 44% всего топлива, поступающего на железнодорожный транспорт).
В связи с этим локомотивное хозяйство является одним из главных источников загрязнения окружающей среды в отрасли. Особенность его влияния на окружающую среду заключается в том, что основная доля загрязнений от объектов локомотивного хозяйства связана с использованием ТЭР, т.е. с эксплуатацией тепловозов, дизель - поездов, котельных, производственно-бытовых теплопотребляющих комплексов, теплотехнических систем и установок.
Таким образом, исследование и оценка влияния теплоэнергетических объектов локомотивного хозяйства на окружающую среду является актуальной задачей.
Проблемами теплоэнергетики железнодорожного транспорта и ее влиянием на окружающую среду на протяжении многих лет занимались Е.Т. Бартош, Л. К. Кистьянц, Е.М. Юдаева, Б.Н. Минаев, Ю.Н. Панков, ГЛ. Мокриденко, Е.Н. Школьников, С.С. Петраковский, В.И. Панферов, Н.В. Москалев, В.М. Бельков, Н.П. Зубрева, Н.А. Шарпова, Е.И. Сковородников, Д.Я. Носырев и др. Целью работы является оценка воздействия тепловозного парка железных дорог на загрязнение воздушной среды с учетом анализа топливоиспользования, структуры и состояния тепловозного парка, а также оценки влияния мер по уменьшению вредных выбросов в атмосферу при сжигании в дизелях тепловозов моторного топлива.
Задачи исследования:
разработать методику автоматизированного расчета массы загрязняющих воздушную среду веществ при эксплуатации тепловозов;
выполнить анализ структуры и состояния тепловозного парка России с целью определения вклада отдельных депо, каждой дороги и сети в целом в загрязнение воздушного бассейна;
оценить влияние отдельных методов и мероприятий по сокращению вредных выбросов от тепловозов в атмосферу.
Методика исследований основывалась на:
обобщении статистических данных с использованием ведомственных отчетностеи Департамента локомотивного хозяйства, Департамента безопасности движения и экологии МПС России и ОАО "РЖД";
расчете массы загрязняющих веществ от тепловозов при сжигании топлива;
результатах сравнительного анализа количества загрязняющих веществ, полученных расчетом, и непосредственных данных ведомственных отчетностеи Департаментов безопасности движения и экологии МПС России и ОАО "РЖД".
В качестве объекта исследования рассмотрен тепловозный парк, как основной потребитель топлива и источник загрязнения окружающей среды в локомотивном хозяйстве железных дорог России.
Предметом исследования являлись топливоиспользование и загрязнение воздушной среды при эксплуатации тепловозного парка железнодорожного транспорта. Научная новизна заключается:
в получении результатов комплексного анализа топливоиспользования и загрязнения воздушной среды при эксплуатации тепловозного парка железнодорожного транспорта России;
в проведении структурного анализа тепловозного парка железных дорог;
в определении доли потребления топлива тепловозным парком в общем топливопотреблении отрасли;
в оценке вклада тепловозного парка в суммарное загрязнение воздушной среды теплоэнергетическими объектами железнодорожного транспорта;
в результатах расчета массы загрязняющих веществ по количеству сожженного топлива и скорости выбросов их в атмосферу для различных типов тепловозов, отдельных депо, дорог и сети в целом.
Практическая значимость диссертации состоит:
в результатах структурного анализа тепловозного парка железнодорожного транспорта;
в разработке метода автоматизированного расчета массы выброса в атмосферу компонентов загрязняющих веществ по количеству сожженного топлива и по скорости их выброса для отдельного тепловоза, депо, дороги и сети в целом.
Внедрение результатов работы:
Результаты, полученные в диссертации, были использованы Отделом охраны природы Департамента безопасности движения и экологии ОАО "РЖД при подготовке материалов для Государственных докладов "О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2001-2004 годах". [Приложение 1]
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
определение места тепловозного парка локомотивного хозяйства в структуре топливопотребления отрасли и общем воздействии железнодорожного транспорта на окружающую среду; результаты расчета количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу тепловозным парком с учетом его структуры и анализа топливоиспользования;
создание метода автоматизированного расчета массы выбросов в атмосферу компонентов загрязняющих веществ по количеству сожженного топлива и по скорости их выброса для отдельного тепловоза, депо, дороги и сети в целом.
Личный вклад заключается:
в анализе структуры топливопотребления отрасли и определении доли тепловозного парка с учетом его структуры и состояния в суммарном потреблении топлива хозяйствами железнодорожного транспорта;
в оценке воздействия тепловозного парка на загрязнение воздушной среды;
в разработке системы автоматизированного расчета массы загрязняющих веществ при эксплуатации тепловозного парка.
Апробация работы.
1. Международная научная конференция " Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики". Доклад О загрязнении природной среды железнодорожным транспортом, г. Тольятти 21-24 апреля 2004г. Актуальные проблемы окружающей среды часть II, стр.41 - 45.
2. Всероссийская научно-практическая конференция "Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы" Экологические проблемы транспорта и энергетики 1 Доклад Контроль экологической безопасности тепловозных двигателей. Красноярск 18 - 20 октября. 2004 Том Ш, стр.286-289.
3. Международная научная конференция " Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики". Доклад Токсичность тепловозного парка, г. Тольятти 20-23 апреля 2005г, стр.104 - 108.
4. Международная научная конференция " Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики". "Методы оценки выбросов загрязняющих веществ от тепловозов в воздушную среду", г. Тольятти 17-20 мая2006г, стр.171-176.
Публикации
Основное содержание диссертации отраясено в 8 печатных работах.
Оценка влияние тепловозного парка на загрязнение воздушной среды
Каждый день в окружающую нас среду в результате жизнедеятельности человека выбрасываются тысячи тонн вредных веществ. Железнодорожный транспорт по сравнению с другими видами транспорта является более экологичным.
Распределение выбросов загрязняющих веществ по видам транспорта представлено на рис.8. [86]Рис.8. Распределение выбросов загрязняющих веществ по видам транспорта (в процентах).
Из приведенной диаграммы видно, что вклад железнодорожного транспорта в загрязнение окружающей среды значителен, однако на много меньше, чем от автомобильного транспорта. Доля железнодорожного транспорта в загрязнении воздушной среды составляет 6,6 % среди всех видов транспорта.
Основными источниками загрязнения окружающей среды на железнодорожном транспорте являются объекты и технологические системы, использующие топливо. В тяговой энергетике железнодорожного транспорта ими являются тепловозы, дизель-поезда, паровозы, мотовозы и автомотрисы. Основная масса выбросов загрязняющих веществ приходится на тепловозы. Химический состав выбросов зависит от вида и состава топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе, режима работы двигателя и технического состояния самого двигателя. [45, 118, 134]
Наиболее неблагоприятными с точки зрения выбросов режимами работы двигателя являются малые скорости и "холостой ход" двигателя, когда в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающие выбросы на нагрузочных режимах. Техническое состояние двигателя непосредственно влияет на экологические показатели выбросов. Например, отработавшие газы бензинового двигателя с неправильно отрегулированным зажиганием содержат оксид углерода в количестве, превышающем норму в 2 - 3 раза.
Транспортные средства для своей работы используют топливо, получаемое из нефти. В состав органической массы нефтяного топлива входят следующие химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть топлива включает влагу и минеральные примеси. Продуктами полного сгорания топлива являются углекислый газ, водяной пар и диоксид серы. При недостаточном поступлении кислорода происходит неполное сгорание, в результате чего вместо углекислого образуется угарный газ.
Вредные выделения дизелей можно разделить на три составляющих: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Первые (основная доля вредных выделений) обусловлены процессом сгорания, протекающим в объеме камеры сгорания цилиндра двигателя. Осуществить этот процесс до конечных продуктов (С02 и Н20) даже при коэффициентах избытка воздуха существенно больше 1,0, характерных для рабочего процесса дизеля, невозможно. Основные токсичные вещества в отработавших газах дизелей:оксид углерода (СО), ароматические углеводороды (СН), альдегиды -кислородосодержащие углеводороды (СНО), твердый остаток - сажа; побочные продукты сгорания - оксиды азота (NOx) и серы (SO ). [11, 17, 29, 34, 37, 132, 137].
Второй источник вредных выделений - картерные газы, представляющие собой смесь отработавших газов, проникающих через неплотности поршневых колец из цилиндров в картер с парами смазочного масла. Третий источник вредных выделений - топливные испарения, поступающие из топливных баков, а также из агрегатов системы питания дизелей и состоящие, в основном, из различных углеводородов. [54]
Отработавшие газы ДВС 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. В табл. 2.1. представлено их распределение по группам. [86,85,42,43,49,56,60]
В первую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. В этой группе присутствует углекислый газ (С02), содержаниекоторого в отработавших газах в настоящее время не нормируется, но вопрос об этом ставится в связи с особой ролью СОг в "парниковом эффекте".
Ко второй группе относится оксид углерода, или угарный газ - СО, который является продуктом неполного сгорания нефтяных видов топлива. Этот газ легче воздуха, не имеет запаха и цвета. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много тепла и превращаясь в углекислый газ.
Оксид углерода обладает отравляющим действием. Это действие обусловлено его способностью вступать б реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и возникает нарушение функционирования всех систем организма.
Третью группу составляют оксиды азота - N0 (оксид азота) и N02 (диоксид азота). Это газы образующиеся в камере сгорания ДВС при температуре 2800С и давлении около 10 атм. Оксид азота - бесцветный газ, невзаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей; легко окисляется кислородом и образует, диоксид азота. При обычных атмосферных условиях N0 полностьюпревращается в NO2 - газ бурого цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается внизу и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств. Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота. При контакте диоксида азота с влажной поверхностью образуется азотная и азотистая кислоты очень вредные.
В четвертую группу входят различные углеводороды, т.е. соединения типа СХНУ. 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 смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.
Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятные воздействие на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения отработавших газов обладают канцерогенным действием.
Углеводороды под воздействием ультрафиолетового излучения солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты (фотооксиданты), являющиеся основой "смога".
Главным токсичным компонентом смога является озон. К фотооксидаитам также относят угарный газ, соединения азота, перекиси и др. Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы.
Пятую группу составляют альдегиды - органические соединения,содержащие альдегидную группу, связанную с углеводородным радикалом
В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузках, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.
Нормирование токсичности отработавших газов дизеля
Основой природоохранной работы на железнодорожном транспорте является "Экологическая программа железнодорожного транспорта", главная цель которой - поэтапное приближение фактического загрязнения окружающей природной среды предприятиями железнодорожного транспорта к установленным предельно допустимым нормам за счет строительства очистных сооружений, совершенствования применяемых технологических процессов и перехода к экологически безопасным, ресурсосберегающим технологиям.
ОАО РЖД (МПС России) проводит экологическую работу в отрасли, руководствуясь Основными положениями государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению его устойчивого развития, а также постановлениями Правительства Российской Федерации о планах действий Правительства Российской Федерации в области охраны окружающей среды и природопользования. [5, 6, 8, 9]
На железнодорожном транспорте ответственность за экологическую безопасность несут службы управлений железных дорог. Главным органом управления природоохранной деятельностью на железнодорожном транспорте является Департамент по безопасности движения и экологии.
Одной из важнейших задач, решаемых в рамках отраслевой экологической программы, является сокращение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух предприятиями железнодорожного транспорта.
С 1998 г. особое значение придается работе по снижению негативного воздействия передвижных источников железнодорожного транспорта на атмосферный воздух. Основное внимание уделяется совершенствованию технологических процессов работы тепловозов и разработке нейтрализаторов для обезвреживания выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами дизелей тепловозов.
Стандарты на выбросы загрязняющих веществ дизелями тепловозов введены во многих странах мира, в том числе и в Российской Федерации. Действующие в России нормативные документы следующие: - ГОСТ Р 50953 - 96 "Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов магистральных и меневровых тепловозов. Нормы и методы определения". [2] - "Нормы предельных значений дымности отработавших газов тепловозных двигателей. Методы их контроля в эксплуатации", согласованные с Минприродой СССР 16.12.90.[4] - "Временные нормы и методы определения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами дизелей эксплуатируемых тепловозов", согласованные с Минприродой СССР 16.10.91. [1] - "Временные нормы дымности и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами эксплуатируемого дизельного подвижного состава", утвержденные Минприроды и ресурсов России 29.12.94. - Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ от тепловозов в атмосферу, введена в действие с 01.03.98, МПС РФ. [64] Количество вредных выбросов зависит от расхода топлива, от работы и вида движения, выполняемых тепловозами. Удельная фактическая (в кг/т топл.) масса выбросов тепловозов представлена в таблице 2.2. (по данным из [64]). В Российской Федерации, согласно санитарным нормам СН 245-71 и их последующим дополнениям, для большинства токсичных компонентов установлены их предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе (см. табл. 2.3)
Принята трехступенчатая система нормирования: среднесуточная, максимально разовая ПДК и предельная концентрация вещества в воздухе рабочей зоны. Указанные значения ПДК установлены применительно к вредному веществу, находящемуся в воздухе стандартного состава, прежде всего по кислороду. При этом среднесуточные ПДК являются основными, а максимально разовые ПДК устанавливаются для соединений, обладающих выраженным раздражающим действием или резким запахом.
При нормировании содержания токсичных компонентов ОГ в воздухе с использованием ПДК лимитирующим фактором является вредное воздействие индивидуального химического соединения на организм человека. Но все вредные вещества действуют на человека одновременно. При этом негативное влияние одного компонента может усиливаться присутствием другого. Поэтому для проведения сравнительной оценки токсикологической значимости различных компонентов ОГ применяется ряд относительных показателей. Например, используется приведение массовых концентраций различных веществ по ПДК к одному веществу, выбранному за эталон. [60,92]
В ряде стран принимались меры внутреннего плана. Так, Агентство по охране окружающей среды (ЕРА) США утвердило пределы вредных выделений, которые вошли в действие в 2005 г. Принятый на основе этих материалов в январе 1998 г. закон имеет обратную силу: предусматриваемые им ограничения действительны для всего дизельного подвижного состава (тепловозов и моторных вагонов) постройки после 1973 г. Подобный же документ с вводом в действие в 2005 г. утвердило Федеральное ведомство по охране окружающей среды (UBA) Германии. Сведения о нормах, заложенных в указанных документах, приведены в табл. 2.4. [128, 136, 138, 139, 140]
Эффективность процессов горения в цилиндрах дизеля определяетсяорганизацией рабочего процесса. Самым сложным в теории горения являютсяit вопросы смесеобразования, т.е. формирование и развитие топливного факела,его взаимодействие с воздухом и со стенкой камеры сгорания, нагрев и испарение топлива в объеме, смешение паров топлива с воздухом, прогрев смеси до температуры воспламенения.[32, 58, 63, 80, 101, 102, 107],
Топливо в дизеле подается в движущийся воздушный заряд посредством истечения через сопловые отверстия распылителя за счет перепадов давления в системе топливоподачи в цилиндре ДВС. При распылении жидкого топлива в воздушном заряде образуется двухфазная реагирующая струя - факел жидкого топлива. Самовоспламенение в дизелях начинается в малых объемах на границах отдельных топливных струй. Горение такого факела топлива обеспечивается за счет нагрева и испарения капель топлива, смешения испаряющегося топлива с газообразным окислителем, химического взаимодействия газообразных реагентов под воздействием высокой температуры (до 900 - 1000 К на момент воспламенения) и смешения продуктов горения с исходными (не попавшими пока в зону горения) реагентами.
В дизеле состав продуктов горения и состав отработавших газов зависят от соотношения количеств топлива, сгорающего в кинетическом и диффузионном режимах и характеристик двух режимов горения.
Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива в результате взаимодействия углерода и водорода (входят в состав топлива) с кислородом воздуха образуется углекислый газ и водяной пар. Реакции окисления при этом имеют вид:
Практически же вследствие физико-механических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный. К токсичным компонентам, как уже говорилось выше, относятся: оксид углерода, углеводороды, оксиды азота и серы, альдегиды, сажа, бензапирен. Ориентировочный состав отработавших газов дизельных Двигателей приведен в табл. 2.5.
Расчет массы выбросов загрязняющих веществ' от тепловозов по скорости их выброса в атмосферу
По данной методике выполнен расчет массы выбросов компонентов загрязняющих веществ по нормированным данным. Расчеты произведены для магистральных и маневровых тепловозов, работающих на установившихся режимах всех положений контроллера. При расчете нормированной валовой массы выбросов загрязняющих веществ учитывается нормативное время работы тепловоза, как источника загрязнения атмосферы, путем учета коэффициента относительного времени работы тепловоза на каждой позиции контроллера.
Выполним расчет нормированной массы выбросов компонентов загрязняющих веществ в атмосферу для каждого типа тепловозов. Для этого необходимы следующие данные:1. Сумманый рабочий объем всех цилиндров дизеля, Vh (м ) -определяется по техническим условиям на дизель или дезель-генератор. [24, 36, 39,40,52,68,89,90,93,110,111,112,113,114,115,116,117]2. Частота вращения коленчатого вала дизеля, щ (мин" ), определяется но нормативной документации дизеля или тепловоза.3. Коэффициент относительного времени работы тепловоза, (тотнш) (б/р), определяется для тепловозов состояния S = 2 - 5 как отношение времени работы тепловоза на данной позиции ПК к общему времени работы тепловоза на всех позициях и берется по таблице 4.3.
4. Относительный нормированный условный объемный расход отработавших газов (ОГ), Qor (м 7с), определяете я расчетом.5. Нормированное содержание j-ro компонента загрязняющих веществ в отработавших газах, С,01 (г/м5), определяется по ГОСТ Р 50953-96.[2]6. Нормированная относительная мощность (скорость) выброса j-roкомпонента загрязняющих веществ, М,0 (кг/ч) определяется расчетом. 7. Нормированная относительная полная мощность (скорость) выброса j-ro компонента загрязняющих веществ, М/ отн (т/ч), определяется расчетом.8. Нормированное время работы тепловоза в отчетном периоде, Траб. (ч), определяется:
Относительная валовая масса выброса j-ro компонента загрязняющих веществ пусти (т), в отчетный период определяется расчетом.
Сначала выполняется расчет для каждого типа тепловозов, затем для всех типов тепловозов на каждой из дорог, после чего составляется сводная таблица для всех тепловозов на всей сети. В [2, 64] приводятся данные для новых (после постройки) тепловозов.
Поскольку средний возраст тепловозов, эксплуатируемых на сети составляетоколо 20 лет, значения норм увеличиваются на 35 % - эти данные приводятся втаблице 4.4 и 4.5.
Расчеты выбросов массы загрязняющих веществ по скорости выброса их ватмосферу выполнены для каждого типа тепловоза и приведены к одному часу его эксплуатации с учетом доли относительного времени работы на каждой из позиций контроллера. Результаты расчетов для тепловозов ЧМЭЗ, ТЭМ2, 2ТЭ10, 2ТЭ116 и ТЭП 70 показаны на диаграммах рис, 24 - 28.
Из приведенных результатов расчетов видно, что у тепловоза ЧМЭЗ (рис. 24) наибольшие выбросы NOx происходят на III (3,25 кг/ч), II (2,94 кг/ч), IV (1,81 кг/ч) позициях, наименьшие - на VIII (0,05 кг/ч) и VII (0,078 кг/ч). Наибольшие выбросы СО - на позициях III (1,23 кг/ч), II (1,11 кг/ч); наименьшие - на VIII (0,019 кг/ч) и VII (0,029 кг/ч). Наибольшие выбросы С -на позициях III (0,15 кг/ч), II (0,14 кг/ч); а наименьшие - на VIII (0,0023 кг/ч) и на VII (0,0037 кг/ч) позициях.
Тепловоз 2ТЭ10 (рис. 25) имеет наибольшие выбросы NOx на позициях XI (4,1 кг/ч), X (3,62 кг/ч) и 0 (3,64 кг/ч) позициях, наименьшие значения наблюдаются на II (0,79 кг/ч) и XV (0,84 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы СО наблюдаются на позициях 0 (1,72 кг/ч), XI (1,69 кг/ч) и X (1,5 кг/ч) позициях ; наименьшие выбросы СО имеются на XV (0,34 кг/ч) и XIII (0,38 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы CnHm имеются на позициях 0 (1,49 кг/ч), XI (0,49 кг/ч) и X (0,44 кг/ч); наименьшие выбросы - на позициях II (0,08 кг/ч), I (0,096 кг/ч).. Наибольшие выбросы С имеются на позициях: 0 (0,16 кг/ч), XI (0,147 кг/ч), X (0,13 кг/ч); наименьшие значения - на II (0,024 кг/ч) и XV (0,027 кг/ч).
Тепловоз 2ТЭ116 (рис. 26) наибольшие выбросы NO имеет на позиция XI (2,96 кг/ч), X (2,57 кг/ч) и IX (2,25 кг/ч) позициях, наименьшие выбросы - на II (0,38 кг/ч), I (0,42 кг/ч) и на III (0,53 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы СО -на позициях XI (1,22 кг/ч), X (1,06 кг/ч), 0 (0,97 кг/ч) и IX (0,93 кг/ч); наименьшие значения - на II (0,15 кг/ч), I (0,17 кг/ч), III (0,22 кг/ч) и XV (0,26 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы СПНШ имеются на позициях 0 (0,85 кг/ч), XI (0,36 кг/ч) и X (0,31 кг/ч); наименьшие значения - на позициях - II (0,046 кг/ч), I (0,05 кг/ч), III (0,06 кг/ч) и XV ( 0,07 кг/ч). Наибольшие выбросы С имеются на позициях XI (0,106 кг/ч) и X (0,09 кг/ч); наименьшие выбросы на II (0,013 кг/ч) и I (0,015 кг/ч) позициях.
Тепловоз ТЭП70 (рис. 27) имеет наибольшие выбросы NO на XI (2,19 кг/ч), X (1,91 кг/ч) и IX (1,66 кг/ч) позициях, наименьшие значения - на II (0,28 кг/ч) и на III (0,39 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы СО имеются на позициях XI (1,22 кг/ч), X (1,07 кг/ч) и 0 (0,97 кг/ч); наименьшие значения на II (0,15 кг/ч), I (0,17 кг/ч) и III (0,22 кг/ч) позициях. Наибольшие выбросы СпНга наблюдаются на позициях 0 (0,85 кг/ч), XI (0,36 кг/ч); наименьшие значения на позициях - II (0,046 кг/ч), I (0,05 кг/ч) и на III (0,06 кг/ч). Наибольшие выбросы С имеются на позициях Х1(0Д07 кг/ч) и X (0,09 кг/ч); наименьшие значения -на II (0,013 кг/ч) и на I (0,015 кг/ч) позициях.
Мероприятия по снижению выбросов вредных веществ
С середины прошлого века интенсивно развиваются научные исследования по снижению вредных выбросов от транспортных средств, работающих на двигателях внутреннего сгорания. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, борьба с вредными выбросами от транспортных средств должна, в основном, вестись за счет улучшения экологических характеристик транспортного средства. Такое улучшение может быть получено через поэтапное обновление эксплуатируемого парка путем замены выводимых из эксплуатации "грязных" транспортных средств на более "экологически безопасные" или путем модернизации эксплуатируемых транспортных средств за счет оснащения их средствами очистки уходящих газов или переводом их на более чистое топливо [129,130, 133,135]
Требования по снижению отдельных вредных составляющих вредных выбросов сопровождаются ухудшением экономичности дизеля. [21, 23, 69, 71, 79, 85] Уменьшение угла опережения впрыска приводит к снижение N04 на 50-70%, но при этом происходит увеличение содержания в выхлопе СО, растет расход топлива, снижается на 5-7% эффективная мощность. Рециркуляция отработанных газов дает снижение N0 на 50-70%, снижение расхода топлива, но при этом растет содержание в выхлопе сажи на 50%, содержание СО, углеводороды и снижается мощность. Охлаждение свежего заряда приводит к снижению NO на 20-40%, но и к увеличению содержания СО на 15-20%. Дросселирование воздуха на впуске оказывает лишь незначительное влияние на токсичность отработавших газов. Присадка воды к рабочей смеси (применение водотопливных эмульсий) дает снижение NO до 40% и одновременно на 4 -5% уменьшает расход топлива. Присадка воды ведет к увеличению содержания в выхлопе СО, углеводородов и сажи до 20% . Применение антидымных присадок: Smoke Supersant Additive приводит к снижению на 50% содержаниясажи и на 10% бензапирена, к снижению расхода топлива, к снижению СО на 9-15%, но дает увеличение выброса вредного оксида бария. Предварительное насыщение топлива воздухом дает снижение выбросов сажи и СО, соответственно на 70 и 30%, но возрастают выбросы NOx на 15%. Применение присадок синтетических спиртов приводит к снижению NOx на 30-40%, СО - на 40%, 02 - на 15-20%, но это ведет к усложнению конструкции двигателя и тепловоза. Применение газового топлива ведет к снижению содержания в выхлопных газах NOx на 50%, углеводородов - на 30%, СО - на 70%, но при этом усложнятся конструкция, повышается пожароопасность и затрудняется холодный запуск двигателя. Применение нейтрализаторов приводит к снижению СО, углеводородов и сажи, но при этом наблюдается низкая эффективность на малых нагрузках, снижается на 5-10% мощность двигателя и увеличивается на 5-7% расход топлива, увеличиваются эксплуатационные затраты.
Одним из методов повышения надежности и эффективности работы тепловозных дизелей при одновременном снижении уровней вредных веществ является применение водотопливных эмульсий.[76, 88, 102]. Использование водотопливных эмульсий не требует больших конструктивных изменений и способствует снижению вредных выбросов, а также теплонапряженности основных деталей дизеля, уменьшает износ трущихся деталей, сокращает расход масла, повышает надежность цйлиндропоршневои группы, коленчатого вала, турбокомпрессоров.
При использовании водотопливной эмульсии наблюдается снижение удельного расхода топлива, [76, 77, 102] но в различной мере - в зависимости от режимов работы дизеля, массовой доли воды в водотопливной эмульсии и способа регулирования двигателя по опережению впрыска топлива. Отмечается, что использование водотопливной эмульсии в количестве 4 - 15 % приводит к повышению максимального давления сгорания Ртах и к снижению температуры отработавших газов. При этом дымность уменьшатся на 26 %, а выбросы оксида углерода на 33%. Выбросы оксидов азота сначалаувеличиваются, а потом снижаются на 46 %. Таким образом, применение водотопливной эмульсии одновременно снижают дымность и уровни вредных выбросов.
Рециркуляция отработавших газов так же является общепризнанным способом снижения токсичности ДВС за счет снижения содержания оксидов азота и уменьшения количества выбрасываемых газов на величину перепускаемых. Рециркуляция так же благоприятно сказывается на топливной характеристике двигателя при его работе в режиме холостого хода. Но рециркуляция имеет и ряд негативных последствий - рост содержания оксидов углерода, альдегидов и дымности.[21, 22, 23, 59, 65, 72, 74, 75, 106]
Для снижения отрицательных последствий, указанных способов уменьшения токсичности дизеля, целесообразно применять комбинированные системы обезвреживания, в частности, включать в них нейтрализатор отработавших газов. В работе [22] предложено использование и доказана возможность создания нейтрализаторов отработавших газов для дизелей с полупсевдосжиженным слоем зернистого катализатора. Применение таких нейтрализаторов позволит уменвшить выброс вредных веществ на 34 %. Комбинированная система обезвреживания отработавших газов, состоящая из устройства для рециркуляции отработавших газов и каталитического нейтрализатора, обеспечивает уменьшение выброса вредных веществ от дизеля в 2 - 2,5 раза без отрицательного влияния на его основные энергоэкоиомические показатели.
Можно спрогнозировать, какими могли быть выбросы, если бы на всех тепловозах применялись: 1 - водотопливная эмульсия; 2- нейтрализаторы; 3 -комбинированная система обезвреживания отработавших газов, состоящая из устройства для рециркуляции отработавших газов и каталитического нейтрализатора. Эффект от этих трех мероприятий по снижению выбросов вредных веществ показан на рис. 33. За базу приняты выбросы за 2004 год.
