CC BY
18щ
Транспорт и экология
Ресурсно-экологическая оценка автомобильного транспорта на горнодобывающих предприятиях
С.В. Чмыхалова,
профессор кафедры ИЗОС МГГУ, к.т.н.
Карьерный автомобильный транспорт потребляет природные ресурсы и загрязняет окружающую среду отходами. Ресурсно-экологическая оценка автомобильного транспорта позволяет оценить расходы ресурсов и загрязнение окружающей среды отходами. Проведен оценочный расчет потребления кислорода (воздуха) автосамосвалом БелАЗ-548 за год.
Ключевые слова: карьерный автомобильный транспорт, ресурсы, отходы, расход топлива, коэффициент избытка кислорода (воздуха).
Environmental and ecological assessment of the stripping automobile transport
S.V. Chmykhalova
Stripping automobile transport consumes natural resources and pollutes the environment by waste products. Environmental and ecological assessment of the stripping automobile transport allows us to evaluate consumption of natural resources and waste products. Calculation of the oxygen (air) consumption for dump trucks BELAZ-548 has been given.
Keywords: stripping automobile transport, resources, waste products, fuel consumption, excess oxygen (air) coefficient.
Охрана окружающей среды на горнодобывающих предприятиях определяет перспективу развития открытого способа добычи минеральных ресурсов. Количественный учет выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами (АТС) в условиях горнодобывающего предприятия имеет большое значение для
контроля состояния окружающей среды, прогнозирования ее изменений, планирования внедрения новых технических средств и технологий с улучшенными ресурсно-экологическими характеристиками.
За последние 10-15 лет существенно расширилось использование автомобильного карьерного транспорта благодаря высоким технико-экономическим показателям, автономности, высокой проходимости, приспособленности к различным горнотехнологическим условиям. Основные недостатки автотранспорта - зависимость от состояния автодорог, загрязнение окружающей среды отработавшими газами (ОГ) и продуктами износа шин, относительно высокие энергоемкость и эксплуатационные затраты.
Рассмотрим ресурсно-экологическую модель АТС (рис. 1) [1, 2].
Карьерные автотранспортные средства представляют собой специализированную технологическую систему, включающую подвижной состав (АТС), пути сообщения (автомобильные дороги), а также предприятия, технические устройства и сооружения, обеспечивающие нормальную работу автотранспортных средств и автомобильных дорог, предназначенных для перевозки горных пород [3]. Для выполнения основного технологического процесса - перевозки грузов - АТС затрачивают различные виды ресурсов (энергетические, минеральные, природные), а в окружающую среду выбрасывается огромное количество отходов (твердые, жидкие, газообразные).
Карьерные автотранспортные средства относятся к сильнейшим загрязнителям окружающей среды химическими и физическими отходами (рис. 2) [1, 2, 4, 5]. Наибольший вред окружающей среде и человеку наносят токсичные ОГ. Карьерные АТС являются мощными потребителями ресурсов - топлива, воздуха, земельных и др. (рис. 3). Установлено, что от расхода топлива на перевозку грузов напрямую зависит количество потребляемого воздуха, необходимого для сгорания этого топлива, и соответственно количество образующихся токсичных ОГ [1, 4, 5].
Ресурсы
Груз _
(пассажиры)
в месте _
загрузки
Автотранспортное средство
Груз
(пассажиры) в месте выгрузки
Отходы
Рис. 1. Ресурсно-экологическая модель работы автотранспортного средства
Транспорт и экология
Загрязнение атмосферы
Энергетические загрязнения
Загрязнение гидросферы
Автотранспортное средство
Твердые
отходы
Отчуждение земель под строительство дорог и обслуживающей инфраструктуры
Вибродинамическое воздействие на опорную поверхность
Рис. 2. Экологическая модель воздействия АТС на окружающую среду
Потребление ресурсов и загрязнение окружающей среды характеризуются следующими показателями, к которым относятся:
• ресурсные показатели - расход сырья (топливо и воздух) и других материалов, потребляемых подвижным составом при его функционировании;
• экологические показатели - отходы производства (выбросы ОГ и др.), полностью или частично выбрасываемые в окружающую среду.
Отработавшие газы автомобильных двигателей имеют в своем составе нейтральные, а также токсичные и канцерогенные вещества, вредные для человека. Выхлопы дизельного топлива содержат С02, СО, NOx , БОх , СН, поверхностно-активные вещества, аэрозоли и др. К нейтральным относятся азот, кислород, водяной пар, к токсичным -
Минеральные, энергетические и природные ресурсы для изготовления АТС
Энергетические ресурсы для эксплуатации АТС:
• топлива
• воздух для сжигания топлива
в двигателях АТС
Ресурсы,
потребляемые
АТС
Природные ресурсы
для эксплуатации АТС:
• вода - мойка АТС
• воздух-загрязнение
атмосферы ОГ
• земельные ресурсы -строительство дорог и обслуживающей инфраструктуры, складирование отходов и др.
Минеральные ресурсы для эксплуатации АТС:
• изготовление деталей, узлов и шин для замены
• текущие расходы жидкостей, смазки и др.
Рис. 3. Ресурсная модель потребления ресурсов автотранспортными средствами
оксиды углерода и азота, углеводороды, сажа, к канцерогенным - бенз(а)пирен. Диоксид углерода входит в состав атмосферного воздуха. Однако избыток этого газа приводит к парниковому эффекту. В среднем в ОГ дизельных двигателей карьерных автомобилей и автопоездов содержится примерно 98,5 % нейтральных и около 1,5 % вредных веществ. Несмотря на малую долю вредных компонентов именно они представляют особую опасность для людей, находящихся в непосредственном контакте с карьерными автомобилями и автопоездами либо живущих в населенных пунктах, примыкающих к карьерам.
Различают абсолютные и удельные ресурсно-экологические показатели рабочего процесса АТС. К абсолютным относятся часовые расходы топлива Gт и воздуха Gв , а также часовые выбросы отработавших газов бОГ Удельные показатели образуют две группы. В первую входят удельные показатели, полученные делением соответствующих абсолютных показателей на мощность двигателя, во вторую -удельные показатели, полученные делением абсолютных показателей на производительность автотранспортного средства [1].
Расход топлива определяется по формуле
G = д N ,
т -'в в
где Ne - эффективная мощность двигателя, кВт; де - удельный расход топлива кг/(кВт^ч).
Эффективная мощность
N = ^ N ,
в ^ в н '
где ^ - коэффициент нагрузки двигателя по мощности (^ < 1); Ne н - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт.
Удельный эффективный расход топлива
д = V д ,
в д в н
где у - коэффициент увеличения удельного расхода топлива при частичных нагрузках (у < 1); де н - удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме, кг/(кВт^ч).
Таким образом,
G = уд Е„N .
т Тд_/е н ^ в н
В первом приближении можно принять у ^ = 1. При этом G = д N .
т -'в н в н
Более точный расчет может быть сделан, если известны гистограммы работы двигателя на различных режимах в реальных условиях эксплуатации. В этом случае
G = у д ^ N ,
т Тд ср~* в н ^ ср в н
где у с - среднее значение коэффициента увеличения удельного расхода топлива при частичных нагрузках;
ср - среднее значение коэффициента нагрузки двигателя по мощности.
<Щ
Транспорт и экология
Расход воздуха, потребляемого двигателями внутреннего сгорания, определяется по формуле
G = а I. G ,
в 0 т '
где а - коэффициент избытка воздуха, поступающего в двигатель; I 0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг/кг.
Для бензина I 0 = 15, для дизельного топлива I 0 = 14,5.
При работе автомобиля в карьере можно выделить три режима работы двигателя, для каждого из которых характерен свой коэффициент избытка воздуха а [1]:
• холостой ход при погрузке, ожидании и на спуске, а = 5;
• полное использование мощности двигателя на подъеме и при движении груженого автомобиля (поезд) по горизонтальным участкам трассы, а = 1,15;
• частичное (приблизительно 50%-е) использование мощности двигателя - при движении автомобилей по горизонтальным участкам трассы в порожнем состоянии и при разгрузке, а = 1,8...2,2.
Количество газовоздушной смеси, выбрасываемой в атмосферу, определяется по формуле
G = G + G = G (а Л +1),
см в т т у 0 "
где Gв - расход воздуха, кг/ч; Gт - расход топлива, кг/ч.
Концентрации токсичных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания (перед выбросом в атмосферу)
к. = G. / G ,
I I тк см '
где G.тк - расход 1-го компонента топлива, кг/ч.
Скорость истечения газовоздушной струи в атмосферу
ы = G /(р Г ) = 4 G /(р ж й 2),
ист см уГсм тр' см уГсм тр "
где рсм - плотность газовоздушной смеси, кг/м3; Гт - площадь сечения выхлопной трубы, м2; йт - диаметр выходного сечения выхлопной трубы, м.
Необходимо отметить, что абсолютные показатели рабочего процесса автотранспортных средств, характеризующие их производительность, потребление ими ресурсов и образование отходов, справедливы только для конкретных автомобилей и автопоездов с определенной номинальной мощностью двигателя в конкретных условиях эксплуатации. Удельные показатели отличаются более общим характером по сравнению с абсолютными. Их численные значения практически одинаковы для автотранспортных средств, аналогичных по назначению, конструкции и условиям эксплуатации, но при этом отличающихся по грузоподъемности и мощности двигателей.
На практике выбросы в атмосферу токсичных компонентов отработавших газов в единицу времени (1 ч) могут быть рассчитаны по формулам [6]:
• для общего количества токсичных компонентов
G = 8 G ;
тк тк ОГ '
• для каждого токсичного компонента в отдельности G = 8. G .
I тк I тк ОГ
Здесь 8тк - удельное, отнесенное к 1 кг сгоревшего в двигателе топлива, количество всех токсичных компонентов, г /кг; 8|тк - удельное количество 1-го компонента, г/кг. ]
При этом 8тк = 2>тк-1=1
С учетом уровня использования грузоподъемности и пробега массовый выброс загрязняющих веществ грузовыми (специальными) автомобилями с определенной грузоподъемностью и типом двигателя при движении вне населенных пунктов рассчитывается по формуле
Мк = т.. I. К ,
I к5 к5 к5 I '
где т.к5 - пробеговый выброс /-го загрязняющего вещества грузовыми автомобилями к-й грузоподъемности с двигателями 5-го типа, кг/км; - суммарный пробег при движении вне населенных пунктов, км; К - коэффициент, учитывающий изменение выброса в зависимости от уровня использования грузоподъемности и пробега.
Значения т.к5,15,, К даны в [6].
Аналогично рассчитывается массовый выброс загрязняющих веществ грузовыми (специальными) автомобилями с определенной грузоподъемностью и типом двигателя при движении по территории населенных пунктов [6].
Опытные данные по количеству токсичных компонентов отработавших газов, образующихся при сгорании в двигателе 1 кг дизельного топлива, представлены в [4]. Общая масса вредных веществ, выделяющихся при сжигании топлива карьерным транспортом, зависит от режима работы двигателя автомобиля в течение рейса. Методы расчета массы годового выброса вредных веществ от сжигания топлива в двигателях автомобилей, а также пыли приведены в соответствующей литературе [7, 8].
Оценочный расчет потребления кислорода
Необходимый для расчетов расход топлива автосамосвалами приведен в [9, 10].
Продолжительность рейса автомобиля (ч) определяется
Т = (Г + Г + Г + Г) / 60,
р у п р дв м' '
где Г , Г , Г , Г - продолжительность соответственно пог-
п р дв м
рузки, разгрузки, движения и маневровых операций, мин.
Для оценки потребления кислорода автосамосвалами на горных предприятиях будем использовать математические модели, получившие наименование макромоделей или внешних моделей изучаемых процессов. В макромодели устанавливаются зависимости, существующие между
Транспорт и экология
lijitii
''"Сацл***
входными и выходными величинами, характеризующими функционирование объектов. При этом внутренняя структура и механизмы процессов, причинно-следственные связи между входными и выходными параметрами остаются нераскрытыми. Сами же объекты, закрытые от исследователей, называют «черными ящиками». Макромоделирование процессов функционирования изучаемых объектов следует считать первым этапом, а микромоделирование - вторым этапом их комплексного исследования. Очевидно, что количественные результаты исследований, выполненные с помощью макро- и микромоделей, должны совпадать.
В качестве макромодели работы автосамосвала на горном предприятии можно принять модель, показанную на рис. 1. Внешними показателями работы автотранспортного средства являются: средние скорости движения автосамосвала от забоя на отвал (с грузом) V зо и от отвала до забоя (порожняя ездка) V оз ; путь от забоя на отвал (с грузом) 5зо и от отвала на забой (порожняя ездка) 5оз ; продолжительность погрузки (под стрелой экскаватора) ^ , разгрузки t , маневров tм.
Для расчета массы и объема воздуха, необходимого для выполнения одного рабочего цикла автосамосвала БелАЗ-548, были использованы следующие технико-эксплуатационные показатели работы автосамосвала грузоподъемностью 40 т: V = 235 л/100 км; V = 15 км/ч;
т ср ' срзо '
V = 28 км/ч; 5 = 5 = 4,5 км; t = 4,6 мин; t = 1,2 мин;
сроз ' зо оз ' ' п ' ' р ' '
t = 0,3 мин [10].
р
В результате расчетов по приведенным выше формулам объем воздуха, используемый для сжигания топлива, равен 96010 м3. Для сравнения человек в состоянии покоя поглощает 12 л/ч кислорода, что соответствует 457 м3 воздуха.
Таким образом, один автосамосвал типа БелАЗ грузоподъемностью 40 т за год потребляет столько кислорода из атмосферы, сколько 200-250 чел. за тот же период.
Полученные результаты носят оценочный характер, однако для расчетов использовались данные, приближенные к реальным.
Использование автомобильного транспорта для перевозки грузов на открытых горных работах приводит к загрязнению окружающей среды отработавшими газами и другими загрязнителями, а также к потреблению значительного количества кислорода (воздуха) для сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Автомобильный транспорт следует рассматривать не только как загрязнитель окружающей среды, но и как существенный потребитель природных ресурсов. Приоритетными задачами дальнейшего развития карьерного автотранспорта являются не только защита окружающей природной среды от выбросов токсичных веществ, но и
экономное расходование топливных и воздушных ресурсов, что необходимо учитывать при проектировании карьеров.
К основным направлениям развития автотранспортных средств относятся:
• конструктивные - совершенствование двигателей для снижения потребления топлива и перехода на его альтернативные виды, а также улучшения ресурсно-экологических свойств АТС;
• эксплуатационные - рациональный выбор АТС для транспортировки грузов, увязка производительности АТС с другими видами применяемых машин и оборудования;
• ресурсно-экологические - снижение потребления ресурсов и выбросов отходов за счет использования топ-лив с улучшенными экологическими характеристиками, переход на использование альтернативных видов топлив.
Литература
1. Чмыхалова С.В. Производительность, ресурсные и экологические показатели карьерного автотранспорта // Горный журнал. - 2007. - № 12. - С. 97-100.
2. Чмыхалова С.В. Ресурсно-экологическая оценка автомобильного транспорта крупных городов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3 (21). - С. 55-60.
3. Справочник. Открытые горные работы / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельников и др. - М.: Горное бюро, 1994. - 590 с.: ил.
4. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. - М.: Транспорт, 1990.
5. Луканин В.Н, Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лу-канина. - М.: Высш. шк., 2001. - 273 с.: ил.
6. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (доп. и перераб.). - С-Пб.: Изд. НИИ Атмосфера), 2005.
7. Методика расчета вредных выбросов (сбросов) для комплекса оборудования открытых горных работ (на основе удельных показателей). - Люберцы: Изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1999.
8. Проектирование карьеров: Учебник / К.Н. Трубецкой, Г.Л. Краснянский, В.В. Хронин, В.С. Коваленко. - 3 изд., перераб. - М.: Высш. шк. 2009. - 694 с.: ил.
9. Выбор оптимальной типажной структуры экскава-торно-автомобильных комплексов для условий конкретного карьера. Учебное пособие / А.А. Кулешов. - Л.: Изд. Ленинградского горного ин-та, 1989. - 70 с.
10. Кулещов А.А. Мощные экскаваторно-автомобиль-ные комплексы карьеров. - М.: Недра, 1980. - 317 с.
