CC BY
96
© О.С. Шилкова, 2002
УДК 624:581
О.С. Шилкова
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЕ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
В
настоящее время в горной промышленности используются практически все известные виды транспорта (бестранспортная технология, конвейерный, железнодорожный, автомобильный транспорт). Ведущая роль принадлежит автомобильному транспорту. На перспективу на 2005 г. разнообразие технологий и оборудования сохранится. Причем, с учетом того, что значительная доля предприятий горнодобывающей промышленности сосредоточена в отдельных восточных и северных регионах, при интенсивном вовлечении в отработку небольших по размерам месторождений полезных ископаемых, карьерный автотранспорт на ближайшие 20-30 лет будет оставаться одним из самых перспективных. По данным прогнозных исследований доля автотранспорта к 2005 г. по сравнению с
2000, увеличится с 43,8 % до 47 % на фоне снижения доли использования железнодорожного транспорта [3]. Силовые установки автосамосвалов являются существенными источниками загрязнения атмосферы, так как выбрасывают с отработавшими газами большое количество токсичных веществ.
В составе выбросов ОГ насчитывается около 280 различных компонентов [2], часть которых относится к группе токсичных веществ. Особую группу составляют канцерогенные вещества. Группа насчитывает около 15 полициклических ароматических углеводородов, наиболее активный и изученный из них
— бенз(а)пирен является индикатором наличия в воздухе ПАУ.
По результатам исследований дизельный двигатель 8ДМ-21 АФ (956 кВт/1500 мин-1) самосвала БелАЗ 7519 грузоподъемностью 110 т при транспортировании горной массы в карьере глубиной 210 м на расстояние 2 км за 1 ч работы в среднем выбрасывает следующее количество вредных веществ (г): СО — 3357,15; СхНу — 493,08; №ЭХ — 7631,2; сажа (С) — 1623,15; альдегиды ^СНО) —22,88; бенз(а)пирен (С20Н12) — 66,38*104[2]. Учитывая, что за рабочую смену, эти цифры возрастут на порядок, а в карьере работают одновременно десятки автосамосвалов и практически всегда их техническое состояние отклоняется в худшую сторону, цифра становится весьма внушительной, что показывает актуальность проблемы снижения негативного влияния ОГ.
Один из способов снижения концентрации токсичных веществ при открытой разработке является проветривание, которое может быть естественным и принудительным. Существует большое количество схем проветривания карьеров.
В условиях подземного рудника один из способов снижения негативного влияния отработавших газов (ОГ) является интенсивная вентиляция. К местам, где работают машины, должен подаваться свежий воздух в количестве, обеспечивающем разбавление концентраций вредных компонентов до ПДК. Считается что основным компонентом, по которому должно определяться необходимое количество воздуха — окислы азота, так как их коэффициент разбавления на порядок выше соответствующего коэффициента по окиси углерода [5].
Но снижения количества свежего воздуха для разбавления концентрации вредных веществ можно добиться за счет снижения концентрации токсичных веществ в выхлопных газах.
Выброс токсичных компонентов двигателем в значительной мере зависит от технического состояния дизельного двигателя. Основная часть неисправностей двигателей происходит вследствие нарушения правил эксплуатации. Наиболее часто встречающиеся нарушения — использование некачественного топлива, несвоевременное проведение технических осмотров, текущих технических и капитальных ремонтов, использование старых машин, несвоевременная замена деталей, а также плохое техническое состояние дорожного полотна и загрязнение рудничной атмосферы. Таким образом, устранив причины неисправности двигателя, можно добиться существенного снижения выброса вредных веществ.
Достаточно простым и результативным решением проблемы снижения выбросов токсичных компонентов в ОГ двигателя является использование усовершенствованных дизельных двигателей с малотоксичными рабочими процессами, а также использование двигателей других принципиальных решений и типов (газотурбинных или электродвигателей с автономным питанием от специальных источников) [2].
Одно из основных мероприятий снижения выбросов ОГ до величин, регламентированных существующими стандартами, — совершенствование конструкции современного ДВС с искровым зажиганием. Многочисленные исследования установили, что наибольшее влияние на токсичность ОГ оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания, так как
именно эти системы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси [1].
Совершенствование системы питания ДВС, позволяющее добиться более равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет, в основном на количество продуктов неполного сгорания в ОГ.
Другой способ снижения выбросов токсичных веществ — применение на двигателях устройства и системы по обезвреживанию ОГ, в том числе нейтрализаторов. Нейтрализаторы существуют трех типов: термические, каталитические и жидкостные.
Термические нейтрализаторы — это окислительные устройства, в которых за счет избытка кислорода, имеющегося в ОГ двигателей, осуществляется дожигание продуктов неполного сгорания СО, СхНу до конечных безвредных соединений Н2О и СО2. Термическая нейтрализация газов осуществляется в реакционных камерах при температуре 650-850 °С. Причем объем реактора определяет продолжительность реакции. Термические дожигатели снижают токсичность ОГ на 90 % [4].
Термические реакторы отличаются большим сроком службы, и эффективность их работы по мере увеличения пробега автомобиля не снижается. Еще одно немаловажное достоинство термических нейтрализаторов заключается в том, что они невосприимчивы к ОГ двигателя, работающего на этилированном бензине.
Недостатки — необходимость применения специальных жаропрочных материалов для изготовления реакционной камеры, некоторое уменьшение мощности двигателя и увеличение (до 16 %) удельного расхода топлива вследствие возрастания сопротивления выпуска.
Каталитические нейтрализаторы — устройства, в которых ОГ проходят через слой катализатора (платина), на поверхности которого при температуре 250-300 °С происходит беспламенное каталитическое дожигание. Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии токсичных компонентов ОГ между собой или с избыточным кислородом в присутствии катализатора, ускоряющего реакции окисления СО и СхНу до СО2 и восстановления NOx до N. Особенность каталитических реакций — катализаторы не входят в состав конечных продуктов и теоретически могут служить достаточно долго. Эффективность каталитических нейтрализаторов составляет 70100 % [3].
Наиболее универсальными являются катализаторы на основе благородных металлов (руте-ний, родий, палладий, платина) и некоторых окислов металлов (оксиды меди, хрома, никеля).
Основные недостатки — высокая стоимость, снижение эффективности работы нейтрализатора из-за того, что сажа покрывает поверхность катализатора. А из-за высокого содержания кислорода в ОГ дизеля использование катализатора позволяет лишь сни-
зить содержание продуктов неполного сгорания.
В последнее время получили распространение окисные катализаторы с небольшим добавлением благородных металлов (0,1 %). По активности и долговечности эти катализаторы занимают промежуточное положение между термическими катализаторами и катализаторами на основе благородных металлов [1].
Жидкостные нейтрализаторы — устройства для поглощения сажи и бенз(а)пирена до 50-100 %, нот не улавливающих окись углерода и углеводороды. Принцип работы жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом связывании токсичных компонентов при пропускании ОГ через жидкость соответствующего состава [4].
Комбинировнные схемы нейтрализации. Различия в механизме образования и нейтрализации основных токсических веществ, содержащихся в ОГ двигателей, приводят в большинстве случаев к тому, что воздействие на рабочий процесс и конструкцию двигателей и применение определенных систем нейтрализации вызывают уменьшение одних и увеличение других токсичных компонентов ОГ. Поэтому для существенного уменьшения выбросов по всем основным токсичным компонентам,
применяют комбинации различных систем нейтрализации. При этом могут сочетаться не только различные типы систем нейтрализации, но и устройства для уменьшения токсичности воздействием на рабочий процесс и конструкцию двигателей.
Но нейтрализаторы не всегда являются лучшим способом снижения выбросов токсичных веществ. При определенных условиях возможно применение сажевых фильтров-дожигателей с электронным управлением, способным снижать содержание твердых частиц до 70-90 % [2]. Он представляет собой термический реактор в котором термостойкий сетчатый блок, выполненный из металла или керамики, флотирует отработавшие газы, задерживая твердые частицы. Система такого типа не зависит от температуры ОГ и режима работы двигателя.
Необходимо отметить способ фильтрации ОГ двигателей путем их пропускания через горную породу, загруженную в самосвал. Способ предусматривает ввод ОГ внутрь платформы по всему периметру путем установки направляющих патрубков. ОГ от днища платформы поступают в свободное пространство между кусками породы, оставляя на их поверхности твердые компоненты, аэрозоли. а также адсорбированные газообразные токсичные компонен-
ты. Но такая система работает только при наличии груза в самосвале. Эффективность очистки по СО и NOx составляет 20-40 %, по саже 60-70 %, на БелАЗах большой грузоподъемности эффективность зависит от адсорбционных свойств породы [2].
Значительное снижение выбросов токсичных веществ в ОГ обеспечивается применением газообразного топлива, которое образует более равномерную смесь воздухом и обеспечивает более полное сгорание. Наиболее реальным и перспективным является применение метана в сжиженном или сжатом состоянии. Но практического применения эта система пока не получила, так как имеются существенные недостатки — повышенная пожаро- и взрывоопасность газообразного топлива, в связи с возможными утечками топлива; загрязнение атмосферы примесями природных газов (пентан, бутан, этан, пропан), которые тяжелее воздуха и будут скапливаться в нижних горизонтах карьера. Кроме того использование газообразного топлива потребует использования надежного многократно испытанного оборудования, высокой культуры обслуживания машин квалифицированным персоналом с строжайшим соблюдением требованием безопасности, что существенно усложняют и удорожают их эксплуатацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амбарцумян В.В., Носов В.Б., Тагасов В.И., Сарбаев В.И. Экологическая безопасность автомобильного транспорта. Учебное пособие для вузов. — М.: ООО Издательство "Научлиттехиздат", 1999, — 208 с.
2. Войтов В.Т. Токсичность отработавших газов силовых установок карьерных автосамосвалов и проблемы ее снижения//Горный журнал.
- М.: МГГУ. №7,1999, с. 82-85.
3. Гринько Н.К., Козловчунас Е.Ф., Носенко В.Д. и др. Прогноз технического прогресса в угольной промышленности. // Горный вестник. Люберцы: ИГД им. А.А. Скочинского. №5, 1997., с. 8.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------
4. Козлов Ю.С., Святкин И.А. Словарь-справочник по экологической безопасности автомобильного транспорта. — М.: Издательство "Агар", 1998.
5. Царикаев В.К. Снижение вредных выбросов при эксплуатации ДВС на рудниках/Доклад на симпозиуме "Неделя горняка-20017/Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. №4,
2001, с. 80-85.
Шилкова О.С. — Московский государственный горный университет.
