Экологическая безопасность

Для многих городов  характерны превышение концентрации оксида углерода над предельно допустимой нормой в 20-30 раз. Поступающий в атмосферу  оксид азота сохраняется в  ней в течение 3-4 дней. В результате фотохимических реакций на солнечном свету оксид азота образует диоксид азота, который вместе с углеводородом является причиной образования смогов.

Продолжительность существования СО в атмосфере - 4 года. Возрастание концентрации оксида углерода опасно возникновением парникового эффекта, который приводит к возрастанию температуры воздуха у поверхности земли.

Продолжительность существования сернистого газа в  атмосфере доходит до 10 часов. Выбросы SO2 являются причиной выпадения сернокислых осадков, способствующих закислению почвы и воды. Содержание углекислого газа в воздухе не нормируется.

Известно, что  для пробега нескольких сот километров автомобиль заглатывает кислорода  столько же, сколько требуется  человеку для дыхания в течение целого года. А выхлопные трубы выбрасывают на уровне земли крайне вредные для здоровья вещества.

Угарному газу отведено второе место в перечне  десяти главных загрязнителей окружающей среды, составленной специалистами  ООН.

В выхлопных  газах дизельного грузовика меньше угарного газа, но он «компенсирует» это канцерогенными веществами и окислами азота, которые в вышеназванном перечне стоят на четвертом месте.

В среднем легковой автомобиль при годовом пробеге 15тыс.км. «вдыхает» 4350 килограммов кислорода, а «выдыхает» 3250 килограмма углекислого газа, около 530 килограммов угарного газа, 93 килограмма углеводорода и 27 килограммов окислов азота. Помноженное на миллионы машин, это «дыхание» становится не просто вредным, а губительным - оно пагубно влияет на окружающую среду, угрожает здоровью людей.

Вышеприведенные данные подтверждают актуальность избранной  для дипломного проекта темы и  обосновывают необходимость принятия необходимых мероприятий в области  экологии.

Основными причинами  сложной экологической обстановки в городах, связанными с эксплуатацией транспорта, являются:

отсутствие надлежащего  контроля на предприятиях за соблюдением  нормативов государственных стандартов на токсичность и дымность отработавших газов транспортных средств;

слабый контроль за качеством реализуемого моторного топлива;

недостаточное внимание, уделяемое переводу автотранспорта на 
менее токсичные виды топлива;  
въезд на территорию городов большегрузного транспорта;

недостаточная разработанность законодательной  базы, регулирующей деятельность по охране окружающей среды.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

 

.1 Характеристика  вредных выбросов автомобильного  транспорта

 

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95-99% вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходится на отработавшие газы, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя, состава. Атмосферный воздух является окислителем топлив. При идеальном сгорании стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах сгорания должны присутствовать лишь N2, CО2, H2O. В реальных условиях отработавшие газы содержат также продукты неполного сгорания (оксид углерода, углеводороды, альдегиды, твердые частицы углерода, перекисные соединения и водород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (оксиды азота), неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе (сернистый ангидрид, соединения свинца и т.д.).

Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов, которые можно подразделить на несколько  групп. Группа нетоксичных веществ - азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ. Группа токсичных веществ - оксид углерода СО, оксиды азота NOx, углеводороды CnHm (парафины, олефины, ароматики и др.), альдегиды Rx*CHO, сажа. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - сернистый ангидрид SCh и сероводород H2S.

В отдельную  группу можно отнести канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее активный из которых бенз(а)пирен, являющийся индикатором присутствия канцерогенов в отработавших газах. В случае применения этилированных бензинов образуются токсичные соединения свинца.

 

Таблица 1. Состав отработавших газов автомобильных  двигателей

Состав отработавших газовСодержание в общем объеме, %ПримечаниеБензинДизельN271-7476-78Не токсично020,2-2,02,0-18,0Не токсичноН2О3,0-9,00,5-4,0Не токсичноСО25,0-9,01,0-10,0Не токсичноPb1,0-2,00,6-1,2Не токсичноСО0,1-3,00,01-0,5ТоксичноNOx0,05-0,10,001-0,4ТоксичноСхНу0,02-0,030,009-0,5ТоксичноRxCHO (альдегид)0,0-0,0020,01-0,09ТоксичноS020,0-0,0020,0-0,03ТоксичноСажа0,040,01-1,1Токсично

Необходимо отметить, что в настоящее время основным источником загрязнения воздуха являются бензиновые двигатели. Тем не менее снижение токсичности дизелей также является актуальной задачей.

Состав отработавших газов двух типов двигателей существенно  различается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания (оксид углерода, углеводороды, сажа).

Основными токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей следует считать СО, CnHm, NOx и соединения свинца, дизелей - NOx, сажу.

 

Таблица 2. Содержание вредных веществ в отработавших газах (в %) на характерных режимах работы автомобилей:

Компоненты отработавших газовРежим работыХолостой ходПостоянная  скоростьУскорение от 0 до 40 км/часЗамедление  от 40 до Окм/часОксид углерода0,5-8,50,3-3,52,5-5,01,8-4,5Углеводороды0,03-0,120,02-0,60,12-0,170,23-0,44Оксиды азота0,005-0,010,1-0,20,12-0,190,003-0,005

Таблица 3. Источники  образования вредных токсичных  веществ

Тип двигателяКомпонентыОтработавшие  газы, %Картерные газы, %Пары топлива (испарение), %КарбюраторныйСО9550ДизельныйСО9820КарбюраторныйСхНу55540ДизельныйСхНу9028КарбюраторныйNOx9820ДизельныйNOx9820 i

Пары топлива - испарение топлива из топливных  баков, элементов системы питания  двигателей: стыков, шлангов и т.д. Состав - углеводороды топлива различного состава.

Картерные газы - смесь газов, проникающих через неплотности поршневых колец из камеры сгорания в картер, и паров масла, находящихся в картере, а затем попадающих в окружающую среду.

Отработавшие  газы (СО, СхНy, NOx, сажа и др.) - смесь  газообразных продуктов полного  или неполного сгорания топлива, избыточного воздуха и различных микропримесей (газообразных, жидких и твердых частиц, поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную системы).

Рассмотрим краткие  характеристики основных токсичных  компонентов:

Оксид углерода (СО) - прозрачный, не имеющий запаха газ, несколько легче воздуха, практически нерастворим в воде. Поступая в организм с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью, так как поглощаемость СО кровью в 240 раз выше поглощаемости кислорода.

СО образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активизация  не происходит вследствие интенсивного теплоотвода в стенки, плохого  распыления топлива и диссоциации  СО2 на СО и О2 при высоких температурах.

У карбюраторных двигателей при работе на малых нагрузках содержание СО достигает 5-8% при работе на обогащенных смесях. Нормой токсичности двигателя допускается 2% содержания СО при работе.

Оксиды азота (NOx) - самый токсичный газ из отработавших газов. В отработавших газах двигателей 90-99% всего количества оксидов азота составляет NO. Однако уже в системе выпуска и далее в атмосфере происходит окисление N0 - NO2. NO2 - газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот.раздражающе действует на слизистые оболочки глаз, носа, остается в легких в виде азотной и азотистых кислот, получаемых в результате их взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей.

Оксиды азота  способствуют разрушению озонового  слоя. Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО. Норма NOx в воздухе -0,1мг/мЗ.

Выброс NOx с отработавшими  газами зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем  выше температура в камере сгорания, и, соответственно увеличивается выброс NOx.

Кроме того, температура  в камере сгорания зависит от состава  смеси. Слишком обедненная или обогащенная  смесь при сгорании выделяет меньшее  количество теплоты, процесс сгорания замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в системе, т.е. в таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут, когда состав смеси близок к стехиометрическому (1кг. топлива к 15кг. воздуха).

Углеводороды (СхНу) - этан, метан, бензол, ацетилен и др. (около 200 различных типов).

В дизельных  двигателях СхНу образуется в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого распыления.

Двигатель выбрасывает  большое количество углеводородов, когда работает в режиме холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости сгорания. СхНу действует раздражающе на органы зрения, обоняния и очень вредны для окружающей среды. Углеводороды от паров бензина также токсичны.

Углеводородные соединения. Наиболее активную роль в образовании смога играют олефины. Вступая в реакции с оксидами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие

Фотооксиданты - биологически активные вещества, вызывающие раздражение глаз, горла, носа у людей, нанося также ущерб флоре и фауне.

Дым - непрозрачный газ. Может быть белым, синим, черным. Цвет зависит от состояния отработавших газов. Белый и синий дым - это  смесь капли топлива с микроскопическим количеством пара. Образуется из-за неполного сгорания и последующей конденсации. Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном состоянии, затем исчезает из-за нагрева. Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного сгорания топлива. Дым также отрицательно влияет на организм человека, животных и растительность. Черный дым состоит из сажи.

Сажа - бесформенное тело без кристаллической решетки. В отработавших газах дизельных  двигателей сажа состоит из неопределенных частиц размерами 0,3-100мкм.

Причина образования  сажи заключается в том, что энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, для того чтобы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Образование сажи зависит от температуры, давления в  камере сгорания, типа топлива, состава  топливно-воздушной смеси.

Существуют другие факторы образования сажи - зоны обогащенной смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная турбуленция смеси.

При вдыхании сажи ее частицы вызывают негативные изменения  в системе дыхательных органов  человека. Если относительно крупные  частицы сажи размером 2-10мкм. легко  выводятся из организма, то мелкие, размером 0,5-2мкм., задерживаются в легких, дыхательных путях, вызывают аллергию. Как и любая аэрозоль, сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах, но, самое главное, на саже адсорбируются ароматические углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, токсичные свойства которого хорошо известны.

Норма сажи в  отработавших газах составляет 0,8г/мЗ. Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц (при размере частиц меньше 0,01мкм сажа сжигается полностью).

Оксиды свинца (РЬО) возникают в отработавших газах карбюраторных двигателей, когда используется этилированный бензин для повышения октанового числа и уменьшения детонации, т.е. быстрого, взрывного сгорания отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью распространения пламени до 3000м/с, сопровождающегося значительным повышением давления газов. РЬО выбрасывается с отработавшими газами в виде аэрозолей в соединении с бромом, фосфором, хромом. Аэрозоли попадая в организм при дыхании, через кожу и с пищей, вызывают отравление, приводящее к нарушению функций органов пищеварения, нервно-мышечных систем, мозга. Свинец плохо выводится из организма и может накапливаться в нем до опасных концентраций.

Сернистый ангидрид (SO2) - бесцветный, с острым запахом  газ. Раздражающее действие на верхние дыхательные пути объясняется поглощением SO2 влажной поверхностью слизистых оболочек и образованием в них кислот. Этот газ вызывает раздражение глаз, кашель, нарушает белковый обмен и ферментативные процессы. SO2 и H2S также очень опасны для растительности.образуется во время работы двигателя из топлива, получаемого из сернистой нефти.

Альдегиды (RxCHO). В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид и акролеин (СгНзСНО).

Формальдегид - бесцветный газ с резким и неприятным запахом, раздражает глаза и верхние дыхательные пути, поражает центральную нервную систему, печень, почки. Акролеин также обладает сильным раздражающим действием.

Альдегиды образуются при сжигании топлива при низких температурах, при обедненной смеси, из-за окисления тонкого слоя масла в стенке цилиндра. Именно эти газы определяют запах отработавших газов.

 

.2 Характеристика  атмосферного воздуха и действие  на него работы автомобильного  транспорта

 

Атмосфера - это  воздушная оболочка земного шара. Вертикальная протяженность ее достигает примерно 20000км. Верхняя граница атмосферы условна, следы воздуха обнаруживаются и на значительно большей высоте (30000-35000км.). Около 95% всей массы атмосферы содержится в слое до 20000км., а приблизительно 50% в слое до 5км.