Разработка и внедрение эффективных способов и оборудования для защиты воздушного бассейна от выбросов промышленных предприятий и автотр

Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо

Существующий многолетний  опыт эксплуатации автомобиля на пропан-бутановых смесях показывает высокий экологический эффект. В автомобильных выбросах резко снижается количество угарного газа, тяжелых металлов и углеводородов, однако уровень выбросов окислов азота остается достаточно высоким. Кроме того, применение газовых смесей пока возможно лишь на грузовых автомобилях и требует налаживания системы газозаправочных станций, поэтому возможности данного решения в настоящее время еще ограничены.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топливо

Реклама говорит о  идеальном решение проблемы, однако при этом часто забывают, что окислы азота образуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объемов водорода связаны с большими техническими трудностями, небезопасны и весьма накладны в экономическом отношении. В городе, насчитывающем несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водорода, одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения громадных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью заправочных станций, то такой город был бы весьма небезопасен для его жителей. Даже если предположить, что будет найдено экономически приемлемое решение проблемы хранения водорода (в том числе в самих автомобилях) в связанном состоянии, то эта проблема, по нашему мнению, едва ли будет перспективной в ближайшие десятилетия.

Альтернативное топливо

В настоящее время  существует несколько распространенных видов альтернативного топлива  для автомобильного транспорта: сжиженный  нефтяной газ, природный газ, биодизельное топливо, водород и др.

Сжиженный газ представляет собой смесь пропана (С3Н8), бутана (С4Н10) и незначительного количества (около 1 %) непредельных углеводородов. Известно, что он обладает всеми  качествами полноценного топлива для  двигателей внутреннего сгорания, поэтому во всем мире этот газ признан как дешевое, экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин. Использование сжиженного нефтяного газа не требует кардинального изменения конструкции автомобиля, а только его приспособления к установке газового оборудования, оставляя возможность использования как бензина, так и газа в качестве топлива. Сжиженный нефтяной газ – это единственный экологически более безопасный вид топлива, который широкомасштабно применяются в России и во всем мире на транспорте. При его использовании количество основных вредных веществ снижается в 2 и более раза, в 1,5-2 раза уменьшается износ основных деталей цилиндропоршневой группы, повышается срок службы моторного масла, снижается стоимость топлива в 2 раза.

Природный газ используется в автомобилях в сжатом и сжиженном  состояниях. Прогнозируется увеличение потребления сжатого (компримированного) природного газа  на автомобилях в связи с большим количеством принятых программ в различных городах России перевода АТ на этот вид топлива. Экологический "потенциал" природного газа выше, чем сжиженного нефтяного газа, однако распространенность этого вида альтернативного топлива значительно ниже из-за большей сложности и стоимости устанавливаемого оборудования (достигающей 20 % от стоимости автомобиля), а также ограниченного количества автомобильных газонаполнительных компрессорных станций.

Биодизельное топливо  – это альтернативный экологически чистый вид топлива, получаемый из растительных масел и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла, а также животные жиры. Биодизельное топливо может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания как самостоятельно, так и в смеси с дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ: не токсичен; практически не содержит серы и канцерогенного бензола; разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар); обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании как в ДВС, так и в технологических агрегатах; увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя; имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование относительно безопасным; его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в том числе, в условиях небольшого фермерского хозяйства. Биодизель получил широкое распространение во многих странах мира. Среди них: Германия, Австрия, Чехия, Франция, Италия, Швеция, США, а также другие страны. Наиболее широкое применение биодизель получил в Германии. Именно здесь производится более 2 млн тонн рапсового топлива ежегодно, что уже позволило значительно снизить вредные выбросы в атмосферу.

Однако культивирование  растений, которые служат компонентами биодизеля, может крайне негативно  сказаться на окружающей среде. В  итоге может случиться, что, решая  задачу снижения загрязнения атмосферы  выбросами автотранспорта, в большей  степени усугубятся другие проблемы: деградации почв, производства продовольствия, вымирания различных видов животных.

Абсолютно экологичным  видом альтернативного топлива  для автомобилей считается водород. При сгорании водорода не образуется никаких вредных веществ, только вода. Учитывая, что выбросы вредных веществ с отработавшими газами автотранспорта в мегаполисе могут составлять более 90 %, то использование водорода в качестве топлива АТ позволит устранить эту экологическую проблему. Все известные автомобильные компании пытаются применить это топливо в своих конструкциях. Однако, несмотря на бесспорные экологические, энергетические и иные преимущества применения водорода, его внедрение на автотранспорт в настоящее время можно пока назвать только экспериментальным, хотя и уже достаточно масштабным. Основные причинами являются: проблема хранения водорода в автомобиле и экономическая целесообразность его применения.

Пути решения проблемы

Оптимально спланированная и продуманная  организация  транспортных потоков на  территории  города позволяет существенно уменьшить выбросы от автотранспорта. 

Малое количество  подземных  переходов  и  большое количество перекрестков,  вызывающих  скопление  машин,  работающих на холостом ходу,  приводит к  резкому  увеличению  загрязнения  воздуха. Развитие транспортной инфраструктуры и совершенствование  организации  движения на территории  города является одним из направлений борьбы за качество атмосферного воздуха.

Для решения проблемы снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом целесообразна  политика обеспечения максимальной комфортности пользования общественным транспортом при параллельном создании "неудобств" для использования личного автотранспорта.

Развитие городского пассажирского транспорта, в интересах  охраны атмосферного воздуха, подразумевает:

- развитие метро (при  возможности строительства такового);

- развитие общественного электротранспорта (трамвай, троллейбус, "наземный экспресс", электропоезда, движущиеся пандусы);

-Эксплуатация автобусов и других видов муниципального транспорта с выбросами загрязняющих веществ, соответствующих современным европейским стандартам для автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями;

-Развитие материальной заинтересованности коммерческих предприятий, внедряющих автобусы и другие виды автомобильного транспорта на газовом топливе, нейтрализаторы, фильтры сажи и другие антитоксичные устройства,   путем отчислений на реконструкцию и социальные нужды  части бюджетных средств города, высвобождающихся в результате уменьшения объемов закупок дизельного топлива и бензина и уменьшения платы за загрязнение окружающей среды;

- Введение льгот по  налогам и платежам: для автотранспортных предприятий и индивидуальных владельцев автомобилей, применяющих газовое топливо, нейтрализаторы, фильтры сажи и другие антитоксичные устройства; для городских производителей антитоксичных устройств, включая добавки к топливу; для городских организаций, производящих установку на эксплуатируемые автомобили устройств, повышающих их экологическую безопасность.

- Организация инфраструктуры, позволяющей передвигаться по  городу  на велосипедах.

- Разработка и внедрение  инновационных разработок в области  общественного и личного транспорта.

Помимо разобранных  выше существуют десятки других технических решений, многие из которых доводятся до опытных образцов. Среди них есть как бесперспективные, например автомобиль с маховиковым аккумулятором, который может хорошо двигаться лишь по идеально ровной и прямой дороге – в противном случае гироскопический эффект маховика будет серьезно мешать управлению, так и достаточно перспективные «гибридные» конструкции. Среди последних весьма любопытна идея грузового троллейбуса с аккумулятором для межлинейных передвижений, реализация которой, при условии совершенствования токоприемников и реконструкции токоприводов, может резко уменьшить загрязнение воздушного бассейна, в особенности в центрах городов. Помимо совершенствования самих средств транспорта серьезный вклад в снижение загазованности атмосферы городов могут внести планировочные мероприятия, мероприятия по совершенствованию управления автомобильными потоками и мероприятия по рационализации перевозок внутри города. Создание в городах единой автоматизированной системы управления перевозками может резко снизить пробег автомобилей в черте города и соответственно уменьшить загрязнение его воздушного бассейна. Результатом загрязнения атмосферы становится такое характерное для множества крупных городов явление, как фотохимический туман (смог) Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят: озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и, в течение не менее суток, повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона.

В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами.

В атмосфере концентрируются  различные перекиси, которые в  сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Характеризуя загрязнение воздушного бассейна города, необходимо упомянуть о том, что оно подвержено заметным колебаниям, вызываемым как погодными условиями, так и режимом работы предприятия и автотранспорта. Как правило, загазованность атмосферы днем больше, чем ночью, зимой больше, чем летом, но и здесь встречаются исключения, связанные, например, с фотохимическим смогом в летнее время или образованием над городом застойных масс загрязненного воздуха в ночное время. Для городов, расположенных в различных климатических зонах и находящихся в специфических ландшафтных условиях, характерны различные типы критических ситуаций, во время которых загазованность атмосферы может достигать критических значений, но во всех случаях они связываются с продолжительной безветренной погодой. Загрязнение атмосферного воздуха является самой серьезной экологической проблемой современного города, оно наносит значительный ущерб здоровью горожан, материально-техническим объектам, расположенным в городе (зданиям, объектам, сооружениям, промышленному и транспортному оборудованию, коммуникациям, промышленной продукции, сырью и полуфабрикатам) и зеленым насаждениям. Многие техногенные вещества, попадающие в воздушную среду городов, являются опасными загрязнителями. Они наносят ущерб здоровью людей, живой природе, материальным ценностям. Некоторые из них в силу длительного существования в атмосфере переносятся на большие расстояния, из-за чего проблема загрязнения превращается из локальной в международную. В основном это касается загрязнений окислами серы и азота. Быстрое накопление этих загрязнителей в атмосфере Северного полушария (годовой прирост 5%) породило такое явление, как кислые и подкисленные осадки. Они подавляют биологическую продуктивность почв и водоемов, особенно тех из них, которые обладают собственной высокой кислотностью. Разберем для примера лишь воздействие загрязнения воздушного бассейна на материально-технические объекты только одним компонентом – сернистым газом, выбрасываемым в атмосферу городов при сжигании топлива.