Экологическая эффективность использования газомоторного топлива в ООО «Оренбурггазпром» Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

щ

Транспорт и экология

Экологическая эффективность использования газомоторного топлива в ООО «Оренбурггазпром»

С.И. Иванов, ген. директор ООО «Оренбурггазпром», профессор, к.т.н.,

С.В. Строганов, зам. главного инженера - директор ИТЦ ООО «Оренбурггазпром»,

М.В. Коротков, ведущий инженер отдела ООО «Оренбурггазпром», к.т.н.

Вопросы рационального использования ресурсов и снижения негативного воздействия деятельности человека на окружающую среду становятся одними из наиболее актуальных проблем, стоящих перед человечеством в современном мире. Поскольку автомобильный транспорт является основным потребителем углеводородного сырья, а также наиболее значимым источником загрязнения атмосферного воздуха в большинстве крупных городов мира, то важным направлением в решении указанных проблем с уверенностью можно считать развитие использования альтернативных видов моторного топлива [1].

В целях исполнения принятых решений ОАО «Газпром» по расширению использования газомоторного топлива в ООО «Оренбурггазпром» постоянно проводится планомерная, целенаправленная работа по замещению бензина на сжиженный углеводородный газ (СУГ) и дизельного топлива (ДТ) на компримированный природный газ (КПГ). Наряду с экономической привлекательностью использования СУГ и КПГ вместо традиционных видов моторного топлива, значимым достоинством применения газомоторных топлив является снижение загрязнения атмосферного воздуха за счет уменьшения выброса вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Постановка задачи исследования

Известно, что работа ДВС неизбежно сопровождается выбросами ОГ, в которых обнаружено около 1200 компонентов, а из них подробно изучено около 200 соединений [2]. Наиболее опасными и подлежащими нормированию являются следующие ВВ: оксиды азота (N0^, оксиды углерода (СО), суммарные углеводороды (СН) и оксиды

серы ^0х). Для дизельных двигателей дополнительно проводятся испытания по оценке содержания в ОГ дисперсных частиц (РМ), а также дымности ОГ. В табл. 1 представлены выбросы загрязняющих веществ с ОГ грузовых автомобилей, работающих на различных видах моторного топлива.

Все эти компоненты могут по-разному влиять на здоровье людей, так как они имеют различную токсичность и относятся к разным классам опасности, кроме того, количество и доля (процентное содержание) этих компонентов в ОГ различных автомобилей также различны. Поэтому, используя только количественные характеристики выбросов ОГ, невозможно однозначно судить о том, каким образом оценить экологическую эффективность от применения различных видов газомоторного топлива.

Ранее сотрудниками ООО «Орен-бурггазпром» был разработан принципиально новый подход к оценке экологической опасности отработавших газов, на основе которого в настоящей статье предлагается оценить экологическую эффективность от использования газомоторного топлива в ООО «Оренбурггазпром»

Решение задачи исследования

Для оценки экологической эффективности применения СУГ и КПГ в качестве моторных топлив в ООО «Оренбурггазпром» был использован методический подход, предложенный в работах [3, 4], который позволяет с позиции экологической безопасности однозначно судить о целесообразности переоборудования бензиновых автомобилей на СУГ и дизельных автомобилей для работы по газодизельному циклу.

Сущность использованного подхода заключается в определении интегрального показателя - категории опасности вещества (КОВ), которая рассчитывается по формуле 1:

. „ г „ \

КОА = = X

ПДК,

, (1)

где КОВ. - категория опасности /'-того вещества, м3/с; ПДК{ - максимально-разовая предельно-допустимая концентрация вещества, характеризующая его токсичность, г/м3; М/ - количество выбросов /-того вещества, г/с.

Таблица 1

Выбросы загрязняющих веществ с ОГ грузовых автомобилей

Вид топлива Загрязняющие вещества, кг на тонну сгоревшего топлива

СО СН Сажа

Природный газ 192,1 54,9 25,6 - -

Газодизельная смесь 357,6 53,2 28,0 2,4 6,0

Дизельное топливо 149,6 48,3 31,9 16,5 20,0

Бензин (неэтил.) 527,4 66,1 40,4 0,6 2,0

ИИ дШи. 0 4

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

Категория опасности вещества имеет размерность м3/с. Эта размерность означает некий виртуальный объем воздушной среды, требуемый для того, чтобы рассеять загрязняющие вещества, генерируемые источником с определенной объемной скоростью, до безопасных концентраций. Здесь следует отметить, что речь идет о виртуальном, то есть условном, объеме воздушной среды, потому что в реальности атмосфера очищается не только за счет рассеивания вредных веществ в своем объеме (конвективная и молекулярная диффузия), но и за счет оседания вредных веществ и их вымывания из атмосферы с осадками в виде дождя и снега.

Категория опасности ОГ автомобиля (КОЛ) является суммой категорий опасности различных токсичных веществ, входящих в состав ОГ. КОЛ выступает интегральной характеристикой экологической опасности отработавших газов автомобиля как источника выбросов многих загрязняющих веществ в воздушную среду.

Существует множество подходов к оценке экологической опасности ОГ автомобильных ДВС, однако представленный методический подход был использован потому, что он имеет ряд значимых преимуществ, которые позволяют:

■ учитывать не только количество выбросов различных компонентов ОГ, но и их токсичность (предельно-допустимую концентрацию), и тем самым устанавливать четкую взаимосвязь между техническими характеристиками работы ДВС с его экологическими характеристиками (существующими санитарными нормами). Другими словами категория опасности вещества (автомобиля) является не технической, а технико-экологической характеристикой работы ДВС, либо автомобиля в целом;

■ сравнивать и ранжировать опасность различных токсичных компонентов в ОГ;

■ суммировать категории опасности разных токсичных веществ, так как они имеют единые физический смысл и размерность [м3/с]. Благодаря этому можно знать общую опасность

всех вредных компонентов, выбрасываемых источником с учетом их количества и токсичности;

■ объективно сравнивать и однозначно оценивать экологическую опасность ОГ различных автомобилей (использующих ДВС), независимо от их типа, назначения, грузоподъемности, вида используемого топлива, а также прочих конструктивных и индивидуальных особенностей;

■ объективно сравнивать и однозначно оценивать экологическую эффективность применения различных видов моторного топлива;

■ применять этот метод также и для промышленных предприятий, что позволяет сравнивать экологическую опасность передвижного источника (автомобиля) с экологической опасностью стационарного источника (промышленного предприятия). Благодаря этому стало возможным оценивать вклад автотранспорта и предприятий в загрязнение атмосферного воздуха города, а впоследствии, через экологическую емкость воздушной

среды урбанизированной территории, устанавливать экологические ограничения.

Расчет экологической эффективности использования КПГ и СУГ в ООО «Оренбурггазпром»

В настоящее время в структурных подразделениях ООО «Оренбурггаз-пром» переведено на газомоторное топливо и эксплуатируется 563 ед. газобаллонных автомобилей.Причем из них 505 автомобилей, работавших на бензине, были переоборудованы для работы на сжиженном углеводородном газе и 58 дизельных автомобилей были переоборудованы для работы по газодизельному циклу, при котором используется смесь дизельного топлива (30%) и компримированного природного газа (70%). В качестве исходных были использованы данные о расходе топлива этими автомобиля за МИ кв. 2007 г. (табл. 2).

Известно, что при переводе бензиновых автомобилей на СУГ увеличива-

Таблица 2

Расход топлива автотранспортными средствами ООО «Оренбурггазпром» за расчетный период 01.01.2007-30.09.2007

Количество автомобилей Использовано топлива за расчетный период Вид топлива

505 ед. 3287712 л СУГ

58 ед. 212992 м3 КПГ

Таблица 3

Скорости генерирования различных загрязняющих веществ в атмосферу автомобилями ООО «Оренбурггазпром»

Вид топлива Загрязняющие вещества, г/с

СО СН NOx Сажа SOx

Газодизельная смесь 3022 450 237 20 51

Бензин (неэтил.) 44107 5528 3379 50 167

Таблица 4

Предельно допустимые концентрации различных загрязняющих веществ, присутствующих в ОГ ДВС

Вещество Максимально-разовая, предельно допустимая концентрация (ПДК) г/м3

СО 0,003

СН 0,0015

0,000085

Сажа (С-углерод) 0,00015

SOx 0,00005

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

иВЬ»|Щ|Ц .....ШТШД^т

ш

Транспорт и экология

Таблица 5

Категории опасности различных загрязняющих веществ, присутствующих в ОГ ДВС

Категории опасности загрязняющих веществ

Вид топлива КОВСО КОВСН КОВ*с КОВСж КОВо КОА

м3/с т м3/с м3/с м3/с т м3/с м3/с

Газодизельная смесь 1007333 19 300000 6 2788235 53 133333 3 1020000 19 5248901 100

Бензин (неэтил.) 14702333 24 3685333 6 39752941 64 333333 1 3340000 5 61813940 100

Таблица 6

Значения критерия экологической «приспособленности» различных видов моторного топлива

Вид топлива Водород Метанол КПГ | суг | - Газодизельная смесь Дизельное топливо Аи-92 (этил.)

К 1 2,2 2,6 3,8 4,3 6,3 10 10,5

ется расход топлива. То есть для выполнения той же автотранспортной работы при использовании СУГ автомобилю потребуется в среднем на 25% больше СУГ (по объему), чем бензина. Следовательно, для расчета экологической эффективности от использования СУГ в качестве моторного топлива примем, что если бы эти 505 автомобилей не были переоборудованы для работы на СУГ, то при укрупненном расчете расход бензина составит:

V = 3287712 : 1,25 = 2 630 170 л,

бензина

при этом масса такого количества бензина (рбензина=0,75 для А-80) составит:

М = 2630170 • 0,75 = 1 972 627,5 т.

бензина

В отношении газодизельных автомобилей следует отметить, что они оснащаются двухтопливной системой питания двигателей, то есть одновременно используется дизельное топливо и КПГ. Сначала в цилиндр газодизеля подается газовоздушная смесь, а в конце такта сжатия, когда начинается воспламенение, в цилиндр подается некоторая доза запального топлива, которым в данном случае выступает дизельное топливо [5]. Величина запальной дозы зависит от конструкции двигателя, и для автомобилей ООО «Оренбурггазпром» она составляет 30% по массе.

Следовательно, масса газодизельного топлива, использованного 58 автомобилями ООО «Оренбурггазпром» за расчетный период, будет являться суммой масс использованных компримированного природного

газа (ркпг= 0,72 кг/м3) и дизельного топ-

лива (рдт= 0,84 кг/л):

М

: 212 992 • 0,72 = 153 354 т;

М = 153 354 • 0,3 = 46 006 т;

дт

М = 153 354 + 46 006 = 199 360 т.

!гд

В экологической практике принято руководствоваться принципом промышленного метаболизма, позволяющего отследить материально-энергетические потоки, проходящие через любую техническую систему. Поэтому для оценки экологической опасности ОГ данные о выбросах каждого загрязняющего вещества необходимо представить в виде его количества, генерируемого источником (выхлопная труба автомобиля) в единицу времени (г/с). Поэтому, зная массу топлива, использованного автомобилями ООО «Оренбурггазпром» за расчетный период (1-111 кв. = 273 сут. = 23 587 200 с), а также удельные значения выбросов вредных веществ при использовании различных видов топлива (табл. 1), можно представить суммарный валовой выброс ВВ с ОГ всех рассматриваемых автомобилей в виде непрерывного потока этих веществ в атмосферный воздух (табл. 3).

Однако, как уже отмечалось выше, все эти вещества имеют различную токсичность и по-разному влияют на здоровье людей. Поэтому на следующем этапе необходимо полученные значения пробеговых выбросов соотнести со значениями максимально-разовых предельно допустимых концентраций, установленных Гигиеническими норма-

тивами 2.1.6.1338-03 для этих веществ (табл. 4).

Используя данные табл. 3 и 4, по уравнению 1 можно рассчитать категории опасности веществ, присутствующих в ОГ ДВС (табл. 5).

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее опасным веществом в отработавших газах следует признать оксиды азота, а не оксид углерода, как это предполагалось ранее на основе анализа массовых характеристик выбросов. Так, на долю NOx приходится от 53% для газодизельной смеси до 64% для бензина. Следующим по значимости является оксид углерода, доля этого компонента составляет 19% для газодизельной смеси и 24% - для бензина. Из-за большого содержания оксидов серы в ОГ автомобилей, работающих по газодизельному циклу, на долю SOx приходится 19% опасности отработавших газов этих автомобилей. Углеводородные соединения оказывают малозначимое влияние на формирование совокупной опасности ОГ, так как их доля не превышает 6% для обоих видов топлива. На последнем месте по значимости находится сажа, вклад которой в формирование опасности составляет 3% для газодизельной смеси и 1% для бензина.

Произведенный расчет показывает, что для того, чтобы рассеять вредные вещества, выбрасываемые в атмосферу с отработавшими газами 505 автомобилями, работающими на бензине, до неопасных для человека концент-

■Фв ЯШИР ИИ Фв «ад д^йаь ПИВ Л

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

Рис. 1. Количество воздуха, требуемого для рассеивания вредных веществ в отработавших газах 505 бензиновых автомобилей, переоборудованных для работы на СУГ в ООО «Оренбурггазпром»

Рис. 2. Количество воздуха, требуемого для рассеивания вредных веществ в отработавших газах 58 дизельных автомобилей, переоборудованных для работы по газодизельному циклу в ООО «Оренбурггазпром»

раций, ежесекундно потребуется 61,8 млн. м3 чистого атмосферного воздуха (КОА6енз= 61,8 • 106 м3/с).

Для рассеивания вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отработавшими газами 58 автомобилями, ра-ботающми по газодизельному циклу, до неопасных для человека концентраций, ежесекундно потребуется 5,2 млн. м3 чистого атмосферного воздуха (КОАбенз=5,2 • 106 м3/с).

Теперь для того, чтобы оценить экологический эффект от использования СУГ вместо бензина и газодизельной смеси вместо дизельного топлива, воспользуемся критерием экологической «приспособленности» топлива Кт [6], позволяющим оценить вклад различных видов топлива в формирование экологической опасности отработавших газов автомобильных двигателей (табл. 6).

Используя данные табл. 5 и 6 произведем оценку экологической эффективности использования сжиженного углеводородного газа вместо бензина и компримированного природного газа в газодизельном цикле вместо дизельного топлива (рис. 1 и 2).

Заключение

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что, благодаря принятым в ООО «Оренбурггазпром» мероприятиям по расширению использования газа в качестве моторно-

го топлива и переводу автотранспортных средств на газомоторное топливо, улучшились экологические характеристики автотранспортных средств, переведенных с бензина на СУГ на 12% и на 37% автомобилей, переведенных для работы по газодизельному циклу. В абсолютном представлении совокупный экологический эффект от использования газомоторного топлива в ООО «Оренбурггазпром» условно можно оценить в 10,2 млн. м3 атмосферного

воздуха, ежесекундно сохраняемого «чистым».

Таким образом, в ООО «Оренбург-газпром» предложен принципиально новый подход к оценке экологической опасности отработавших газов автомобильных двигателей, позволяющий количественно оценить и наглядно продемонстрировать экологическую эффективность от использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте.

Литература

1. В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко. Промышленно-транспортная экология: учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. С. 273.

2. А.Р. Кульчицкий. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов. - Владимир : Владим. гос. ун-т., 2000. С. 256.

3. А.А. Цыцура, Е.В. Бондаренко, Г.П. Дворников, Е.А. Старокожева. Комплексная оценка экологичности автомобиля. - Академический журнал Уральского межрегионального отделения Российской Академии транспорта (УМО РАТ), 2001. № 3-4. С. 74-78.

4. М.В. Коротков, Е.В. Бондаренко, И.А. Кияев. Оценка экологической опасности выбросов вредных веществ с отработавшими газами большегрузных автомобилей с помощью компьютерной программы. - Известия Самарского научного центра РАН. 2005. Спец. вып., т. 2. С. 251-255.

5. Е.Н. Пронин. Природный газ - моторное топливо XXI века. Природный газ в моторе? Вопросы и ответы. - Управление по газификации и использованию газа ОАО «Газпром»: Альбом информационных материалов, сост. Е.Н. Пронин. - М., - 2006. С. 60.

6. М.В. Коротков, Е.В. Бондаренко, А.А. Филиппов. Оценка экологической опасности автомобиля, работающего на разных видах топлива. - Автомобильная промышленность. - 2004. - №4. - С. 29-30.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

.....TMïïwfttRi,. мьид^яаьишш^и^Юядь