CC BY
264
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
УДК 621.431.74:621.436 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
Н. В. ЖДАНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
СНИЖЕНИЕ
ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Рассмотрено состояние проблемы оценки экономического ущерба от суммарных выбросов судовыми двигателями внутреннего сгорания. Отмечено, что в стандартах ИСО регламентированы характеристики вредных выбросов ДВС, их состав и нормирование. Сформированы основные способы снижения токсичности и, одновременно, повышения экономичности дизельных двигателей, работающих на разных по свойствам топливах. Приведены предпосылки для приближенной оценки экономического ущерба от загрязнения выбросами ДВС.
Ключевые слова: вредные выбросы дизелей, экономический ущерб, альтернативное топливо, загрязнение атмосферы.
В настоящее время наиболее изученными, с точки зрения токсичности отработавших газов, являются автомобильные четырёхтактные бензиновые двигатели и быстроходные четырёх- и двухтактные автотракторные дизели [1 — 10].
В ряде работ [1, 2] отмечается, что крупные суда загрязняют атмосферу в четыре раза меньше, чем дизельные грузовики, перевозящие такое же количество груза.
Расчёт по основным токсичным компонентам и общему выбросу приведён в табл. 1 и является ориентировочным [2].
В соответствии с международным стандартом ИСО используются следующие характеристики для измерения эмиссии вредных выбросов ДВС: состав газообразных выбросов С, %; скорость выделения выбросов Б;, кг/ч; удельный выброс е; кг/ (кВтч); выброс вредного компонента на 1 кг топлива е; кг/кг [1].
Характеристики вредных выбросов связаны между собой следующими соотношениями:
Е
Еі = є А-; е, =
е, = є іде; Сі = к ^-100.
(1)
(2)
Например, для окислов азота |іт = 29,3; |іНОх = 44,4, тогда к = 0,66, и имеем:
Е
Сжох = 0,66^100.
(3)
Определяя расход газов через двигатель через фа — коэффициент продувки; а — коэффициент избытка воздуха при сгорании; Ь0 — теоретическая масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива, можно получить после преобразований состав газообразных выбросов С,, %:
С, =-
ке,
<хфаЬ, + 1
(4)
где Ст — расход топлива на двигатель, кг/ч;
N — эффективная мощность двигателя;
де — удельный эффективный расход топлива, кг/
(кВтч);
Сг — массовый расход газов, кг/ч; к — коэффициент, равный отношению молекулярной массы газов к молекулярной массе вредного компонента, т.е. к = щ/н^.
Из этой формулы следует, что объемная концентрация вредных компонентов в отработанных газах зависит от степени разбавления воздухом, поэтому для сравнения уровня их эмиссии для различных дизелей величину С.; приводят (пересчитывают) к концентрации избыточного кислорода в сухих отработанных газах (после конденсации паров Н20), равной 15 % [1].
Основная группа экологически опасных веществ образуется в процессе преобразования потенциальной энергии топлива в энергетической установке.
К категории наиболее опасных загрязнителей относятся следующие газообразные вещества и частицы, выбрасываемые с выпускными газами: окислы азота ИОх, образующиеся в цилиндрах дизеля при температуре выше 1500 °С, когда азот становится химически активным газом; окись СО и двуокись углерода СО2, образующиеся в результате сгорания топлива; сернистый и серный ангидриды Б02 и З03, об-
Выбросы вредных веществ с отработавшими газами водного транспорта
Токсичные компоненты Количество выбросов, млрд т/год
Внутренние водные пути США (1970 г.) Морской флот СССР (1976 г.) Речной флот СССР (1976 г.)
СО 1,7 2,094 0,7
СпИт 0,3 0,369 0,1236
N0* 0,2 0,246 0,0824
зох 0,3 0,369 0,1236
Частицы 0,1 0,123 0,0412
Суммарная масса выбросов 2,6 3,198 1,0703
Таблица 2
Оценка относительной эффективности использования альтернативных топлив на транспорте
Моторное топливо (традиционное и альтернативное) Затраты энергии на производство топлива* Стоимость единицы пробега Пробег на 1 заправке
Нефтяной бензин 1 1 1
Синтетический бензин из синтез-газа 1,6 1,2 1
Метанол 1,6 1,5 0,5
Этанол 1,7 1,8 0,6
Сжиженный нефтяной газ (СНГ) 1,05 0,7- 0,9 1,0
Компримированный природный газ (КПГ) 1,3- 1,4 0,9- 1,0 0,4- 0,5
Сжиженный природный газ (СПГ) 1,1-1,25 0,85- 1,1 0,6- 0,8
Диметиловый эфир (ДМЭ) 1,5- 2,0 - -
Водород 3,0- 4,0
* В затратах энергии учтены: добыча, транспорт и переработка первичного энергоносителя и моторное топливо.
Таблица 3
Основные характеристики вредных выбросов ОГ дизелей, работающих на дизельном стандартном топливе (ГОСТ 305 — 82)
Составляющие ОГ Количественное содержание в ОГ Класс опасности ПДК, мг/м3
В рабочей зоне Максимально разовая Средне- суточная
Окись углерода, % 0,01-0,5 4 20 3 1
Окислы азота (в пересчёте на N02), % 0,005-0,5 2 3 0,085 0,085
Углеводороды (в пересчёте на метан), % 0,001-0,07 2-4 5-300 1,4-200 1-2,5
Альдегиды (в пересчёте на С3И4О), мг/м3 1-10 2-3 0,2-5 0,01-3 0,01-5
Формальдегиды, % 0,002 3 0,5 0,01-3 0,01-5
Акролеин, % 0,0001 2 0,2 0,03 0,03
Бенз-а-пирен, мг/м3 0,5- 1 1 0,00015 - 1-10
Сажа, г/м3 0,01 - 1 3 4 0,15 0,05
разующиеся в результате окисления присутствующей в топливе серы (элементарной, меркаптановой и др.); продукты неполного сгорания топлива СНХ, агломерация мелких частиц не полностью сгоревшего топлива, частицы не полностью сгоревшего масла, сажи и др.
Образование окислов азота ИОх сопровождает рабочий процесс любой энергетической установки, если температура этого процесса выше 1500 °С. При таких условиях атомы азота становятся химически активными в результате потери ими одного или нескольких электронов [1—5] .
Общее количество содержания сернистых веществ в выпускных газах регламентируется содержа-
нием в топливе серы, поэтому необходимо ограничить наличие серы в применяемых топливах [1 — 16] В табл. 2 приведена оценка топливной эффективности использования альтернативных топлив на транспорте.
В табл. 3 приведены характеристики вредных выбросов ОГ дизелей, работающих на дизельном стандартном топливе (ГОСТ 305 — 82).
Для снижения токсичности отработавших газов и, одновременно, для повышения мощности и экономичности дизеля нами обобщены следующие способы воздействия на рабочий процесс:
— применение разделенных и полуразделенных камер сгорания;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
238
Таблица 4
Выбросы вредных веществ бензиновыми и дизельными двигателями
Вид транспорта Общая мощность, % Потребление топлива Выбросы ОГ в атмосферу
% % млн т % % млн. т
Автомобильный 50 56,5 65,0 71,3 21,7
Сельскохозяйственные и лесопромышленные машины 20 23,5 27,0 17,8 5,4
Железнодорожный 16 11,0 12,6 6,3 1,9
Речной флот 8 5,6 6,8 2,6 0,8
Строительно-дорожные машины 4 1,9 2,2 1,3 0,4
Авиация 2 1,2 1,4 0,7 0,2
Итого 100 100 115,0 100 30,4
— уменьшение максимальной цикловой подачи топлива;
— уменьшение угла опережения впрыска топлива;
— уменьшение степени сжатия;
— впрыск воды либо легкого альтернативного топлива в цилиндр в жидкой фазе;
— обогащение воздуха на впуске легкими испарёнными АВТ (ДМЭ, спирты, эфиры рапсового масла и др.)
— применение наддува;
— частичная рециркуляции отработавших газов;
— применение антидымных присадок;
— обслуживание и ремонт топливной аппаратуры строго по регламенту;
— использование газообразного топлива в дизелях, конвертированных в чисто газовые двигатели.
Основными критериями для оценки эффективности применения различных видов топлива в двигателях служат: уровень вредных выбросов и ущерб от загрязнения окружающей среды от выбросов работающих ДВС, затраты на топливо, инфраструктура применения топлива и стоимость двигателя. Одним из путей существенного улучшения экологических характеристик двигателей является применение «экологически чистых» альтернативных топлив (ДМЭ, СНГ, СПГ, КГТГ, спирты, водород и др.), так как эти топлива позволяют не только снизить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами, но и уменьшить потребление нефтяных топлив [3, 7, 10- 12].
До настоящего времени не существует единой концепции перехода на производство и использование альтернативных моторных топлив. Поэтому одним из подходов в решении этой проблемы является рассмотрение всех видов возможных альтернативных топлив и анализ перспективности их использования с учётом экологических и экономических факторов[1, 7, 10, 12].
Определение экономического ущерба от работы дизелей, в том числе судовых, является сложной проблемой и в настоящее время ещё окончательно не решённой [2, 4, 6, 13- 16].
Экономическая оценка ущерба, причиняемого годовыми выбросами загрязнений в атмосферный воздух для любого источника, определяется по формуле [6]:
У = уа!М , (5)
где У — ущерб, руб./г.;
у = 2,4 руб./усл. т. — константа (в дальнейшем будет возрастать);
0 — показатель относительной опасности загрязнения над различной территорией;
1 — безразмерый коэффициент, учитывающий характер рассеивания примеси в атмосфере;
М — приведённая масса годового выброса. усл.т/г.,
(6)
здесь А. — относительная агрессивность примеси і, усл.т/т (табл. 4);
т. — масса годового выброса примеси і в атмосферу, т/г;
N — общее число примесей, выбрасываемых в атмосферу.
В основном для стационарных источников загрязнения используются различные варианты общей формулы (5), например:
У =
у<йМ Я '
(7)
у = 0,25 тыс. руб'м2./(усл.т.'с) — константа (в дальнейшем будет возрастать);
<3 — константа (безразмерная), учитывающая географическое расположение местности; для районов южнее 65° с. ш., за исключением юга страны, 3=1; о — показатель относительной опасности загрязнения над различной территорией;
Я — коэффициент разбавления (м2/с) определяется по формуле:
Я =
и. (Ф.Ь + 20) 2,5 ’
(8)
где и — среднегодовое значение модуля скорости ветра на флюгере (10 м), м/с;
— безразмерная константа, учитывающая тепловое состояние выбросов, при ДТ>373К ф. =2; ДТ — среднее значение перегрева газовоздушной смеси у устья источника по отношению к температуре окружающей среды;
И — геометрическая высота устья (например, дымовой трубы) над загрязняемой территорией, м.
В формулах (5) и (7) показатель о = 4 — для территории промышленных предприятий и промышленных узлов; о = 8 — для центральной части городов с населением свыше 300 тыс. ч.; о = 0,1 — для прочих районов, и т.д.
і і
Таблица 5
Потребление моторных топлив и выбросы продуктов сгорания ДВС
Вредные вещества Выбросы вредных веществ (кг) на 1 т топлива, сжигаемого в двигателе
бензиновый двигатель дизельный двигатель
Оксиды азота ]\Ох 20 33
Монооксид углерода СО 395 9
Углеводороды СНх 34 20
Оксиды серы БОх 1,6 6,0
Альдегиды, органические кислоты 1,4 6,1
Твердые частицы 2 16
Таблица 6
Расчетные значения ущерба от загрязнений воздушного бассейна при использовании в дизелях дизельного топлива (ГОСТ 305 - 82) для территории промышленных предприятий (пристаней, причалов, портов и пригородных зон)
Вредные вещества Коэффициент і Относительная агрессивность А., усл.т/т Ущерб от 1 т выброса,У, руб./год
на 1990 г. на 2012 г.
1. Окись углерода 0,5 1 4,8 6850
2. Сернистый газ 0,5 16 7,9 6300
3. Окислы азота (в пересчете по массе на N03) 0,5 41,1 197 157600
4. Летучие низкомолекулярные углеводороды (пары жидких топлив) 0,5 3,1 6 4800
5. 3,4-бенз-а-пирен 0,5 12,5105 60,5-105 4850-106
6. Сажа без примесей (пыль углерода) 2 41,52 797 64000
7. Твердые частицы, выбрасываемые дизелями, работающими на мазуте или газе 2 200 3840 3,07-10б
Результаты проведённых по формуле (7) ориентировочных расчётов приведены в табл. 4 [6].
Величины ущерба У от одной тонны выбросов в год (для судовых дизелей — за одну навигацию следует приближённо оценить с учётом соотношения цен 1990 года и текущего.
В табл. 4 приведены данные по РФ на конец 20-го века, характеризующие общее потребление топлива различными видами транспорта и выбросы ОГ от его сгорания в ДВС [10]. Из данных табл. 4 следует, что наибольший вклад в загрязнение атмосферы ОГ вносят ДВС автомобильного и автотракторного назначения.
Данные о загрязнении атмосферы двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтяных топливах — бензине и дизельном топливе, приведены в табл. 5 [16], откуда следует, что основным типом ДВС становятся дизельные двигатели [10].
Для приближённых расчётов по формуле (5) можно использовать данные (табл. 6), где учитывается относительная агрессивность компонентов отработавших газов дизелей. Исходя из имеющихся данных, при переводе дизеля на газодизельный процесс (с природным газом) можно предполагать уменьшение выбросов [1]:
— оксида углерода — на 20-30 %;
— оксидов азота — в 2-3 раза;
— альдегидов — в 15-20 раз;
— сажи — в 15-20 раз;
— бенз-а-пирена — в 20 раз.
При переводе судовых дизелей для работы на СНГ, СПГ, КПГ, ДМЭ можно предположить такой же порядок снижения вредных выбросов.
Выполненные нами расчёты ущерба (с учётом приведённых формул и данных таблиц) от загрязнения окружающей среды вредными выбросами дизельной силовой установки теплохода проекта Р-51 с двумя дизелями 6ЧСП15/18 за навигацию составили:
— при работе на дизельном топливе (ГОСТ 305-82) 3318000 руб. при расходе 421 т.;
— при работе на смеси дизельного топлива и СНГ (в пропорции 1:1) при том же расходе ущерб составил 2 444 000 руб., т.е. расчётный ущерб уменьшается в 1,36 раза при учёте пяти вредных компонентов отработавших газов (N0*, СО, сажа, 302, альдегиды).
Таким образом, для конкретной марки судового дизеля (либо подобного по типу камеры сгорания и числу оборотов коленчатого вала) следует приближённо расчётом оценить количественно возможный выброс вредных веществ в тоннах и ущерб в рублях по каждому компоненту выбросов по расходу дизельного топлива за навигацию (табл. 5), используя литературные данные по выбросам [1-8, 10-11] по дизельному топливу (ГОСТ 305-82) и оценить ущерб при использовании лёгких АВТ (спирты, сжиженный нефтяной газ, сжиженный природный газ, сжатый природный газ, газовые конденсаты, диметиловый эфир и др., а также водотопливной эмульсии, топлив
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
из лёгких нефтяных фракций (ЛНФ), дизельного топлива ЕВРО (ГОСТ 52368-2005), утяжелённых АВТ из растительных масел и их эфиров и других.
Библиографический список
1. Пахомов, Ю. А. Топлива и топливные системы судовых дизелей / Ю. А. Пахомов [и др.]. - М. : ТрансЛит, 2007. -
496 с.
2. Либефорт, Г. Б. Судовые двигатели и окружающая среда / Г. Б. Либефорт. - Л. : Судостроение, 1979. - 144 с.
3. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов : учебник для вузов / В. Н. Луканин [и др.] ; под ред. В. Н. Луканина. - М. : Высшая школа, 2005. - 479 с.
4. Смайлис, В. И. Малотоксичные дизели / В. И. Смайлис. -М.-Л. : Машиностроение, 1972. - 128 с.
5. Жегалин, О. И. Снижение токсичности автомобильных двигателей / О. И. Жегалин, П. Д. Лупичев. - М. : Транспорт, 1985. - 120 с.
6. Гладков, О. А. Создание малотоксичных дизелей речного флота / О. А. Гладков, Е. Ю. Лерман. - Л. : Судостроение, 1990. - 112 с.
7. Емельянов, В. Е. Альтернативные экологически чистые виды топлива для автомобилей. Свойства, разновидности, применение / В. Е. Емельянов, И. Ф. Крылов. - М. : АСТ-Астрель, 2004. - 128 с.
8. Еремкин, А. И. Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу / А. И. Еремкин, И. М. Квашнин, Ю. И. Юнкеров. - М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2000. -170 с.
9. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: Общесоюзный нормативный документ / М. Я. Берлянд [и др.] ; Госкомитет СССР по Гидрометерологии и контролю природной среды. - Л. : Гидрометеоиздат, 1987. - 210 с.
10. Деревянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Деревянин, В. А. Марков, В. Г. Семёнов. — Х. : Новое слово, 2007. — 445 с.
11. Терентьев, Г. А. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов / Г. А Терентьев, В. М. Тюков, Ф. В. Смаль. — М. : Химия, 1989. — 194 с.
12. Марков, В. А. Работа дизелей на традиционных топливах / В. А. Марков [и др.]. — М. : Легион-Автодата, 2008. —
416 с.
13. Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей среды (с изменениями на 13 нояря 2007 года) // Российская газета. — 2000. — № 63.
14. Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба / Л. В. Вершков [и др]. — М. : Экономика, 1999. — 68 с.
15. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экологического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды / А. С. Быстров [и др.]. — М. : Экономика, 1986. — 96 с.
16. A New Clean Diesel Technology: Demonstration of ULEV Emissions on a Navistar Diesel Engine Fueled with Dimethyl Ether / Т. Fleisch [et al.] // SAE Technical Paper Series. — 1995. — № 950061. - P. 1-10.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».
ЖДАНОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант, инженер кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 04.02.2013 г.
© В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
Книжная полка
Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок и транспортнотехнологического оборудования : практикум / Е. А. Лысенко [и др.] ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 222 с. - ISBN 978-5-8149-1197-1.
Содержит необходимые сведения и методику расчетов современных двигателей внутреннего сгорания. Взаимосвязь теплового расчета с динамическим, а также с расчетами деталей двигателя показана на примере курсового проекта по теме «Тепловой, кинематический и динамический расчет ДВС».
Наноэлектроника: теория и практика : учеб. для вузов по специальностям «Микро- и нано-электронные технологии и системы», «Квантовые информационные системы», «Нанотехнологии и наноматериалы в электронике». - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : БИНОМ. Лаб. знаний, 2013. -366 с. - ISBN 978-5-9963-1015-9.
Подробно рассмотрены фундаментальные физические эффекты и электронные процессы, характерные для наноразмерных структур. Описаны принципы функционирования и типы наноэлектронных приборов для обработки информации. Приведены нанотехнологические подходы, позволяющие формировать приборные структуры наноэлектроники и спинтроники. Наряду с обновленным и расширенным теоретическим материалом предыдущего издания в данное издание включены практические задачи и контрольные вопросы для самопроверки, призванные закрепить изучаемый теоретический материал. Для студентов, магистрантов и аспирантов, профессионально ориентированных на карьеру в области современной электроники и нанотехнологий.
