автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и средства контроля и диагностики экологической безопасности автотранспорта

" " ; ' ; "' I

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Методы и средства контроля и диагностики экологической безопасности автотранспорта

Специальность 05.02.11. Методы контроля и диагностика в машиностроении

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, академик Международной Академии наук экологии, безопасности человека и природы, д.т.н., проф. Потапов А.И.

Санкт-Петербург 1999 год

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО КОНТРОЛЮ ЗА ВРЕДНЫМИ ВЫБРОСАМИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

1.1. Анализ экологической опасности автотранспорта...............................8

1.2. Анализ современных методов контроля вредных выбросов отработавших газов автомобилей............................................................29

1.3. Анализ современных средств контроля вредных выбросов отработавших газов автотранспорта....................................................................................35.

1.4. Анализ современного состояния нормативной документации по контролю экологического состояния автотранспорта.............................................43

1.5. Постановка задач исследования.........................................................62

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАССЕИВАНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОТРАНСПОРТА В АТМОСФЕРЕ

2.1. Методы диагностики и прогнозирования загрязнения воздуха отработавшими газами автотранспорта...........................................................................63

2.2. Математическое моделирование процессов рассеяния вредных веществ в воздухе.....................................................................................................75

ГЛАВА 3. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОТРАНСПОРТА В АТМОСФЕРЕ

3.1. Теоретическое обоснование лазерных дистанционных методов контроля

загрязнения атмосферы............................................................................81

3.2. Обоснование лазерных методов дистанционного контроля атмосферы..................................................................................97

3.3. Анализ и выбор средств дистанционного контроля атмосферы......99

3.4. Системы детектирования и спектральная аппаратура.................112

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОГНОЗУ И КОНТРОЛЮ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОТРАНСПОРТА В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

4.1. Методология контроля и прогноза уровня загрязнения воздуха автотранспортом.........................................................................116

4.2. Обоснование разработок краткосрочного прогноза загрязнения воздуха автотранспортом....................................................................................120

4.3. Управление природоохранной деятельностью в системе автомобильного транспорта Российской Федерации............................................................127

4.4. Характеристика автотранспорта в Санкт-Петербурге.......................130

4.5. Оценка состояния загрязнения атмосферы и выбросов автотранспорта в Санкт-Петербурге....................................................................................134.

4.6. Характеристика загрязняющих веществ в выбросах автотранспорта... 145

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ЗАГЯЗНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ АВТОТРАНСПРОТА ВАСИЛЬЕВСКОГО ОСТРОВА И ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Методика расчета выбросов вредных веществ от автотранспорта........154

5.2. Районирование территории по уровню загрязнения различными компонентами.............................................................................................159

5.3. Выделение зон с высокими концентрациями загрязнения...........................164

5.4. Загрязнение воздуха выбросами автотранспорта в Василеостровском районе

Санкт-Петербурга......................................................................................166

Рекомендации по обеспечению экологической безопасности

автотранспорта в Санкт-Петербурге.........................................................171

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее острых проблем настоящего времени является проблема экологического состояния окружающей среды крупных городов. В больших городах к числу основных объектов загрязнения окружающей среды относится загрязнение атмосферного воздуха. При этом основным источником загрязнения является автотранспорт. Отработавшие газы двигателей автотранспорта содержат сложную смесь из более двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов. Вредные вещества поступают в воздух практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к наиболее опасным источникам загрязнения атмосферного воздуха.

Поэтому наиболее актуальной проблемой является создание эффективных методов и средств контроля выхлопных газов, диагностика экологического состояния автотранспорта и контроль уровня загрязнения основных автомагистралей города.

Данная работа посвящена проблемам создания методов и средств контроля загрязнения воздуха выбросами автотранспорта и анализу состояния загрязнения воздуха выбросами автотранспорта в Санкт-Петербурге.

В настоящее время мировой автомобильный парк превысил 600 млн. единиц, из которых 83 - 85% приходится на легковые автомобили. По прогнозам, к 2010 году он достигнет 1 млрд. единиц .

Мировой ежегодный выброс вредных веществ от автомобилей составляет 50 млн.т. углеводородов, 200 млн.т. оксида углерода и 20 млн.т. оксидов азота.

Во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами стационарных источников. Так, например, в Москве в 1995 году автотранспортом было выброшено 586 тыс.тонн вредных веществ, что составляет 66% от суммарных выбросов вредных веществ от всех источников. Второе место после Москвы по количеству выбросов вредных веществ автотранспортом занимает Санкт-Петербург, в котором также уровень загрязнения воздуха от автотранспорта

составил более 60% от суммарного загрязнения всех источников. Цель и задачи исследования

Целью работы является создание методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта и оценка уровня загрязнения воздуха выбросами автотранспорта; разработка методов диагностики и прогноза загрязнения воздуха по городу в целом и вблизи отдельных магистралей, а также оценка возможных изменений уровня загрязнения воздуха с учетом мероприятий по снижению выбросов автотранспорта. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: проанализировать современное состояние методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта;

разработать эффективные лазерные методы и средства многопараметрового дистанционного контроля выхлопных газов автотранспорта;

уточнить на основе теоретических и экспериментальных исследований условия, способствующие повышению загрязнения воздуха автотранспортом;

обосновать возможность и выполнить разработки схем статистического прогноза загрязнения воздуха автотранспортом;

провести анализ полей расчетных концентраций примесей на автомагистралях с различной интенсивностью движения транспорта;

провести анализ эффективности мероприятий и разработать рекомендации по снижению выбросов автотранспорта с целью достижения нормативов качества атмосферного воздуха. Научная новизна работы

В диссертации получены следующие научные результаты:

- разработан лазерный метод дифференциального поглощения и индуцированной флуоресценции и устройство многопараметрового контроля выхлопных газов автотранспорта;

- разработан метод диагностики и прогноза загрязнения воздуха автотранспортом для отдельных автомагистралей города;

разработаны статистические схемы прогноза загрязнения

воздуха диоксидом азота методом множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и методом последовательной графической регрессии;

- разработана методика обследования состава, интенсивности и расчета выбросов автотранспортного потока (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей);

- впервые проведена оценка выбросов индивидуального транспорта, которые в настоящее время не учитываются в статистической отчетности, что позволило уточнить общую информацию о состоянии выбросов в Санкт-Петербурге и показать на увеличение реальных автомобильных выбросов оксида углерода, диоксида азота и углеводородов в 1,5 - 2 раза.

- с использованием данных о реальных выбросах автотранспорта проведены расчеты полей концентраций диоксида азота, оксида углерода, углеводородов, сажи и свинца для отдельных районов Санкт-Петербурга;

Практическая ценность и реализация результатов работы

Результаты работы использовались для оперативного проведения различных природоохранных мероприятий, направленных на снижение выбросов вредных веществ автотранспортом в Санкт-Петербурге.

Для Санкт-Петербурга были проведены расчеты выбросов и полей концентраций примесей, создаваемых автотранспортом, которые послужили обоснованием для разработки комплекса мер по борьбе с загрязнением воздуха автотранспортом и оценки их эффективности.

Разработанная совместно с НИИ Атмосферы методология прогноза загрязнения воздуха на период реализации мер по борьбе с загрязнением воздуха автотранспортом использовалась при разработке сводных томов «Охрана атмосферы и нормативы ПДВ» для Санкт-Петербурга.

Данные, полученные в диссертации, использовались Государственной автоинспекцией для регулирования транспортных потоков города.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на международном Симпозиуме "Стратегия экологической безопасности Санкт-Петербурга с использованием опыта Нидерландов" в 1997 году, на международной научно-технической конференции "Неразрушающие методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" в 1997 г. в Череповце, на научном семинаре кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения.

Объем диссертации составляет: 185 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 30 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО КОНТРОЛЮ ЗА ВРЕДНЫМИ ВЫБРОСАМИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

1.1. Анализ экологической опасности автотранспорта

Угроза экологической катастрофы сегодня стала перед человечеством реальной, как никогда. Острейшей экологической проблемой является загрязнение атмосферного воздуха.

Основой нашей жизни является воздух - один из главных составляющих природной среды. Загрязнение воздуха зачастую приводит к негативным последствиям, оценить которые просто невозможно. Резкое увеличение заболеваемости населения, животных, гибель лесных массивов, снижение урожайности сельскохозяйственных культур и т.д. - результат загрязнения воздуха вредными выбросами промышленности и транспорта. В результате обрушевшегося научно-технического прогресса изменился состав атмосферного воздуха, сдвинулось газовое равновесие, появились озоновые дыры. Глобальные выбросы в атмосферу как природные, так и от индустрии распределяются по земному шару неравномерно. Огромному воздействию загрязненного воздуха подвержены районы, склонные к вулканической деятельности, а также являющиеся скоплением промышленных производств, тепловых электростанций и транспорта.

В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается: 200-250 млн. т. золы, до 200 млн. т. сернистого газа (SO2), 700 млн. т. окиси углерода (СО), 150 млн. т. окислов азота (NOx), кроме того, до 1 млн. т. менее распространенных специфических примесей, среди которых примерно 3000 вредных веществ обладают повышенной токсичностью, поступает в атмосферу. Так, например, в 1983 году в мире всеми антропогенными источниками было выброшено 18,8 тыс. т. мышьяка; 7,5 тыс. т. кадмия; 30,5 тыс. т. хрома; 38,3 тыс. т. марганца; 3,3 тыс. т. молибдена; 55,7 тыс. т. никеля, 35,6 тыс. т. меди; 3,5 тыс. т. ртути; 25 тыс.т. индия; 332,4 тыс. т. свинца; 3,5 тыс. т. сурьмы; 3,8 тыс. т. селена; 6,1 тыс. т. олова; 5,1 тыс. т. талия; 86 тыс. т. ванадия; 131,9

8

тыс. т. цинка.

Больше половины от валового выброса вредных веществ в атмосферу связано с промышленной деятельностью человека, однако, особенностью крупных городов является преобладание вредных выбросов от автотранспортных средств. Так, в 1988 году выбросы вредных веществ в атмосферный воздух бывшего СССР составили 97,5 млн. т., в том числе от стационарных источников - 61,7 млн. т.; от автотранспорта - 35,8 млн. т. В 1987 году выброс вредных веществ в атмосферу составил 100,5 млн. т., в том числе от стационарных источников - 64,3 млн. т.; от автотранспорта - 36,2 млн. т.

В городах сконцентрировано до 70 % парка транспортных средств, на 1 тысячу жителей крупнейшего города приходится до 60 автомобилей и более.

Автомобиль, как новый источник загрязнения атмосферного воздуха, появился в XX веке, и стремительное развитие автомобилизации в мире способствовало значительному загрязнению воздуха отработавшими газами, оказывая отрицательное влияние на формирование санитарных условий населенных мест.

Транспортными загрязнениями являются: выхлопные газы, пыль, шум, тепло. В выхлопных газах автотранспорта содержатся: окись углерода, окиси азота, углеводороды, сажа, соединения свинца, альдегиды.

По теоретическим расчетам для сгорания 1 кг бензина необходимо 14,6-14,8 кг воздуха. Это значит, что в двигателе для сгорания 1 кг топлива в течение часа расходуется около 200 л кислорода, т.е. в среднем примерно в 2,5 раза больше, чем в течение суток вдыхает человек. При сгорании 1000 кг топлива в цилиндрах полностью исправного карбюраторного двигателя выделяется (в кг): окиси углерода - 26,7; углеводородов - 33,2 (в первую очередь бенз(а)пирен); окислов азота - 26,6; сернистого газа - 1,34; свинца - 0,266, т.е. всего 329,7 кг вредных веществ. При работе дизельного двигателя выделяется (в кг): окиси углерода - 28,4; углеводородов - 9,1; окислов азота - 40,8;

сернистого газа - 34,0; сажи - 3,4, т.е. всего 115,7 кг. Максимальная концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе наблюдается в часы пик, а также в районах плотной застройки высотных зданий со слабым ветровым потоком.

Выхлопные газы двигателей являются не единственными автотранспортными загрязнителями окружающей среды. Следует учитывать: при нарушении герметичности аккумуляторных батарей утечку кислот и щелочей, из системы охлаждения - антифриза и тосола, ГСМ - из узлов и деталей (чаще при дорожно-транспортных происшествиях); продукты истирания шин; вибрации и шумы.

Автомобильный парк, который в настоящее время превысил 400 млн. единиц, ежегодно потребляя около 700 млн.т. жидкого топлива, оказывает вредное влияние на происходящие в природе процессы. Вредному воздействию подвержены: вода, почва, атмосферный воздух, от состояния которых зависит жизнь на Земле.

Автомобили стали не только мощными потребителями нефтепродуктов, но и других материалов, изъятых из природы. В США для производства автомобилей используется около 20% стали, 7% меди, 13% никеля, 35% цинка, 50% свинца и натурального каучука.

Атмосферный воздух более 60 городов СССР насыщен вредными веществами органических и неорганических соединений,

концентрации которых значительно превышают предельно допустимые, и значительную роль в этом играет транспорт. Уровень вредных выбросов в атмосферный воздух по СССР, Санкт-Петербургу и ряду городов страны представлены в таблицах N 1, N 2, N 3. В Российской Федерации по данным ежегодных обзоров / 33 / в 1995 г. выбросы автотранспорта составили 62% от суммарных выбросов вредных веществ (67% по оксиду углерода, 32% по диоксиду азота, 34% по углеводородам).

Преобладание выбросов автотранспорта является особенностью крупных городов, где проживает большинство населения. В таблице 1.1 показан вклад выбросов автотранспорта оксида углерода, углеводоро-

дов и диоксида азота от суммарных выбросов каждого вещества для некоторых крупных городов мира.

Во многих городах мира концентрации диоксида азота и оксида углерода, основных веществ присутствующих в выбросах автотранспорта, превышают стандарты качества атмосферного воздуха. Для сравнения уровней загрязнения воздуха в городах бывшего СССР и других стран на рис. 1.1 и 1.2 приведены средние концентрации оксида углерода и диоксида азота. В Сантьяго, Париже загрязнение воздуха оксидом углерода было выше, чем в Санкт-Петербурге, Москве, Тбилиси. Наиболее высокие уровни среднегодовых концентраций диоксида азота характерны для Москвы, Одессы, Ташкента. Максимальные разовые концентрации, которые отмечались во многих городах мира на крупных автомагистралях в часы "пик" в 10 - 15 раз превышают среднегодовые концентрации.

Таблица 1.1 Вклад выбросов автотранспорта в суммарные выбросы (%) каждого из веществ в крупных городах мира

Город Оксид углерода Углеводороды Окислы азота

Москва 96 64 33

Санкт-Петербург 88 79 32

Мадрид 95 90 35

Стокгольм 99 93 53

Токио 99 95 33

Торонто 98 69 19

Лос-Анджелес 98 66 72

Нью-Йорк 97 63 31

»а -

§й

т

«О • -

ЗЯ V

II

5 у М-;-.*

ШШШЖЩ

ч .М ■( ».Я, (Вй.^.ЕД..)

■1

■ига

12 5 4 Г « ? 3 9 .10 "Я 12 13 ** 15 16 1* 19 2