автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Пути повышения экологической безопасности использования транспортных энергоустановок

Московский государственный автомобильно-дорожный

институт (технический университет)

Клим Марк Петрович

На правах рукописи

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

специальность 05.04.02 "Тепловые двигатели"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

Член-корреспондент Российской Академии наук

В.Н. Луканин,

Д.т.н. Ю.В. Трофименко

Москва- 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...........................................................3

1 Глава. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ОПУБЛИКОВАННЫМ ИСТОЧНИКАМ........5

1.1 Формирование парка АТС. Выбросы вредных веществ..................................5

1.2 Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду .6

1.3 Динамическая модель системы "Автотранспортный комплекс окружающая среда ("АТКОСУ как основа для формирования парка энергетических установок (ЭУ) 13

1.4 Материалы по технической реализации программы создания экологически безопасного АТК..................................................................................19

2 Глава. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ..............................................................25

3.1 Идеи комплексно-целевого подхода......................................................33

3.2 Структура парка АТС региона............................................................33

3.3 Экологических показателей энергетических установок.................................36

3.4 Структуры технико-экономических показателей........................................40

3.5 Алгоритм формирования и оптимизации структуры парка АТК региона (общий подход).........................................................................................42

4 Глава. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ КРИТЕРИЕВ ОПТИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ АТК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ РЕГИОНА.............................45

4.1 Социально- экологический критерий безопасности.......................................45

4.2 Финансовый критерий экологического ущерба...........................................54

5 Глава. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ АТК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ РЕГИОНА..........................................................60

5.1 Программный комплекс для проведения расчетов по оптимизации структуры парка АТК региона на основе социально- экологического критерия безопасности и критерия финансового ущерба.......................................................60

5.2 Алгоритм имитационного моделирования прогноза экологического воздействия АТК на окружающую среду (вычислительные процедуры)...........................62

5.3 Варианты модельных расчетов и результаты расчетов................................72

5.4 Анализ перспективности использования различных типов двигателей на экологическую безопасность (по выбросу вредных веществ)........................88

ВЫВОДЫ...................................................................................................93

Список использованных источников информации...............................................95

ПРИЛОЖЕНИЕ ..........................................................................................99

ВВЕДЕНИЕ

В Московском автомобильно-дорожном институте(техническом университете) на кафедре автотракторных двигателей под руководством члена-корр. РАН В.Н Луканина на протяжении многих лет проводится интенсивная работа по проблеме создания экологически чистого автотранспортного комплекса[1,2,3,4,5,6,7,9] . Для расширения исследований в этой области создана кафедра " Промышлен-но-транспортная экология которую возглавил ученик В.Н. Лука-нина- Ю.В. Трофименко.

Автор диссертации на протяжении многих лет работал в представленном коллективе и в данной работе, опираясь на коллективные результаты научных исследований , а также на свои поисковые разработки ( работы автора приведены в Списке использованных источников информации ) предлагает законченную концепцию и методику прогнозирования в одной из направлений- взаимодействии человека с автотранспортным средством как с социальным объектом , удовлетворяющем его жизненные функции и одновременно как с объектом, ухудшающим его качество жизни за счет вредного влияния его на окружающую среду.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На основе существующих математических методов оптимизации [29] разработана модель, позволяющая производить регулирование уровня загрязнения городского воздуха, вызванного отработавшими газами энергетических установок автотранспортных средств. Разработан алгоритм и программа для реализации поставленной цели с учетом выполнения социальных функций автомобильного транспорта и ресурсных ограничений.

Актуальность темы определяется необходимостью исследования загрязнения атмосферы города в связи с ростом выброса вредных веществ от автотранспорта, обусловленного увеличением парка автомобилей и объема перевозок, а также необходимостью проведения экономически эффективных мероприятий, направленных на сни

жение уровня загрязнения городского воздуха. Несмотря на наличие разработок в этой области, задача снижения загазованности городских улиц до настоящего времени не решена в полной мере, особенно при совместном использовании такой разнородной информации как структура автотранспортного комплекса по типам автотранспортных средств и энергетических установок на них и эффект биологического воздействия отработавших газов на организм человека.

В диссертации поставлена и при сделанных допущениях решена задача оптимизации структуры АТС региона на прогнозный период с учетом программ внедрения экологически чистых энергетических установок. Выявлена комплексная природа поставленной задачи и показано, что только комплексный подход применим для получения адекватных результатов. Разработанный автором критерий экологической безопасности имеет самостоятельное значение и может быть использован в смежных областях, где решаются задачи взаимодействия человека с техногенными и природными системами.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на научных конференция как региональных так и международных. В их числе 2-ая Международная научно-техническая конференция «РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В АВТОТРАНСПОРТНОМ КОМПЛЕКСЕ» , проходившая в Москве с 4 по 6 февраля 1998 года.

Результаты работы имеют широкое практическое внедрение. В 1991 году автором была создана на Учебной Научной Базе (полигоне МАДИ(ТУ) ) научно-исследовательская лаборатория экологических проблем двигателей - НЛЭПД , действующая по настоящее время. Работа лаборатории велась в тесном сотрудничестве с предприятиями и научно-исследовательскими центрами автомобильной промышленности. В их числе: НАМИ (г. Москва), Ленинградский НИИ автомобильного транспорта, ЗИЛ (г. Москва), ЛиАЗ (г. Ликино) , с которым проводилась работа по программе "Экологически чистый автобус".

1 Глава. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ОПУБЛИКОВАННЫМ ИСТОЧНИКАМ

1.1 Формирование парка АТС. Выбросы вредных веществ

Автотранспортный комплекс (АТК) страны является одним из основных источников загрязнения атмосферы городов и воздушных бассейнов, расположенных вдоль автомобильных дорог и магистралей.

За последние 15 лет автомобильный парк в Москве увеличился в три раза и составляет на 1.01.1997 г. - 1,95 млн. авторанспортных средств (АТС). Потребляя 2,66 млн т. бензина, 0,99 млн. т. дизельного топлива , 40 тыс. т. сжиженного нефтяного газа, 3,5 млн. т природного газа (1995) автомобильный транспорт выбросил в атмосферу почти 1100 тыс. т Ж)х, около 100 тыс. т СхНу и 4,7 тыс. т сажи. На долю дизельных АТС, составляющих по численности 5% парка, приходится более 99% выбросов сажи и почти 37% выбросов 1Чох[5].

Выполненные оценки [9] показали, что вклад мототехники и легковых автомобилей в общее загрязнение воздуха нормируемыми компонентами выбросов автотранспорта составляет соответственно 0,5 и 4%. Доля вредных выбросов грузовых АТС и автобусов составляют соответственно 79,5 и 16%. Причем выбросы грузовых АТС ЗИЛ и ГАЗ составляют около 61% вредных выбросов всего автомобильного парка, хотя удельный вес их в общей численности только 9,5%. Значительный объем (до 27%) вредных выбросов автобусов приходится на дизельные автобусы Икарус, используемые преимущественно для городских перевозок. Доля их в автобусном парке — чуть более 10% [5].

Указанные объемы выбросов вредных веществ неравномерно распределяются в атмосфере и по территории страны, концентрируясь в основном вдоль крупных автомагистралей, на улично-дорожной сети городов и населенных пунктов.

Как следует из приведенных данных, несмотря на относительно небольшой (по сравнению с США) уровень автомобилизации, выбросы вредных веществ автотранспортом в нашей стране достигают значительных величин.

1.2 Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду

Всего в составе отработавших газов (ОГ) автомобильных ДВС содержится около 280 компонентов, которые по химическим свойствам, характеру воздействия на биосферу разделяются на нетоксичные (N2, 02, С02, Н 20, Н 2 ) и токсичные СО, Шх, СхНу,802, Н28, альдегиды, сажа и др.

В качестве примера в табл. 1.1 приведено среднее содержание токсических веществ в ОГ автомобильных двигателей [10].

Усредненный состав основных вредных компонентов в ОГ транспортных дизелей при работе на режиме полной нагрузки приведен в табл. 1.2 [11]

Токсичные компоненты ОГ могут непосредственно воздействовать на людей, находящихся в автомобиле, а также на население, животных, растительность, находящихся в непосредственной близости от проезжей части автомобильных дорог.

Воздействие каждого из вредных компонентов может привести к определенным негативным последствиям.

Моноксид углерода (СО) (время жизни в атмосфере от 2 до 42 месяцев) воздействует на нервную систему, вызывает обмороки, так как вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород. В зависимости от концентрации СО в воздухе и времени воздействия степень поражения организма может существенно различаться (рис. 1.1). Когда вдыхание окиси углерода прекращается, СО, связанное гемоглобином, постепенно выделяется, и кровь здорового человека очищается от нее на 50% каждые 3-4 ч [5].

Среднее содержание основных вредных веществ в отработавших газах автомобильных двигателей.

Таблица 1.1

Дизели Бензиновые

Вредные % по % % по %

компоненты массе по токсичности массе по токсич-

(*) ности

со2, 98,6 10,2 96,6 5,8

СО 0,4 9,6 2,6 38,7

СН 0,2 од 0,4 од

N0, 0,4 21,1 12,1

802 0,3 42,2 0,02 1,7

Твёрдые 0,1 16,0 0,008 0,2

частицы

Альдегиды 0,005 0,8 0,002 0,2

(ЯСНО)

Свинец - - 0,003 41,2

(*) в пересчете на СО

Состав вредных компонентов отработавших газов дизелей

Таблица 1.2

Вредные компоненты Концентрация, Удельное выделение,

г/м3 г/(кВт-ч)

СО 0,25-2,5 1,5-12,0

БОг 0,1-0,7 0,4-2,5

Акролеин 0.01-0,04 0,06-0,2

Углеводороды 0,25-2,0 1,5-8,0

Бснз(а)-пирен От 0,2 • 10 ~6 От 1* 10 6

До 0,5 • 10 "6 До 2* 10 "6

Сумма Ж)х, 2-8 10-30

в том числе

N02 0,1-0,8 0,5-2,0

ЫОх 1,2-4,5 6-18

Сажа С 0,05-0,5 0,25-2,0

СО

0,002

0,001

0,01

0,02

0,1

1 2

10 20 100 тг.ч

Рис. 1.1 . Действие СО на организм человека [12] 1 — смертельная опасность; 2 — головная боль, тошнота, 3 — начало токсичного действия; 4 — заметное действие

Воздействие СО на центральную нервную систему проявляется в изменении цветовой и световой чувствительности глаз — возрастает вероятность аварий. Предельная допустимая концентрация (ПДК) этого вещества у нас в стране составляет 3 мг/м (Максимальная разовая), в США — 10 мг/м3 за 8 ч воздействия.

В воздухе над автомагистралями и прилегающих застройках из окислов азота встречаются в основном МОх. При этом N0 является неустойчивым компонентом, который в течение от 0,5—3 до 100 часов окисляется в N02 Да организм человека N02 воздействует как

о

острый раздражитель при концентрации порядка 15 мг/м и может вызвать отек легких при концентрации 200 — 300 мг/м3 .Реагируя с атмосферной влагой, окислы азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т. д.

Наибольшую опасность окислы азота представляют как активный компонент при образовании фотохимического смога. Поэтому максимальная разовая ПДК окислов азота в атмосфере городов 0,085

7

мг/м .

Токсичность газообразных низкомолекулярных углеводородов проявляется в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность дорожно-транспортных происшествий. Токсичность возрастает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в совокупности под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога. Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах автомобильных двигателей, являются канцерогенными, из которых большой активностью обладает 3,4-бензпирен, содержащийся в ОГ дизелей.

Сажа, характерная для выхлопа дизелей, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. На поверхности сажевых частиц адсорбируются канцерогенные вещества, содержащиеся в отработавших газах. Видимым автомобильный выхлоп становится при концентрации сажи 130 мг/м .

Размеры частиц сажи составляют 0,19 — 0,54 мкм в диаметре и могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Причем отложения происходят преимущественно вдоль бронхо-легочного дерева в зависимости от размеров частиц: более 5 мкм-носоглотка; 3,5—5 мкм — трахеи; 2—3,5 мкм — первичные бронхи; 1 — 2 мкм — вторичные бронхи; менее 1 мкм — бронхиальные окончания, альвеолы [13].

В отработавших газах дизелей содержатся и окислы серы, превращающиеся в атмосфере в кислоту. При малых концентрациях окислы серы вызывают раздражение дыхательных путей, при большой концентрации происходит отравление людей за несколько минут.

Наличие в атмосфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, неблагоприятно воздействует на дыхательные пути чело-

л

века. При концентрации 802 в воздухе более 0,9 мг/м происходит изменение процессов фотосинтеза растений; через 5 — 10 дней хвоя сосны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает (8). Установлено, что смесь 802 и СО при длительном воздействии вызывает нарушения генетической функции организма [14].

Контакт с соединениями свинца приводит к головной боли, утомляемости, нарушению сна, нарушению ферментативной активности белков живых организмов. Свинец накаливается в организме (обладает кумулятивным действием) и может вызывать тяжелые расстройства нервной и нарушения работы кровеносной системы.

Отмеченные вредные компоненты по степени токсичности различны и характеризуются следующими соотношениями [15]:

СО:СхНу : Н28 : Шх : С : ЯСНО : РЬ : С20Н12 = 1 : 1,26 (3,16) : 16,5 : 41,1 : 41,1 : 41,5 : 22400 : 1260000 .

Действие некоторых токсичных веществ на человека приведено в табл. 1.3 [5]. Городские жители в течение длительного времени находятся вблизи источников выброса вредных веществ и подвергаются их воздействию, что может вызвать отмеченные выше негативные последствия.

В аналогичных условиях находится и растительность, почва в зонах непосредственно примыкающих к полотну автомобильных дорог. Концентрация вредных веществ по мере удаления от кромки дороги снижается, что можно видеть из графиков, приведенных на рис. 1.2 [5].

Таблица 1.3

Влияние концентрации вредных веществ на здоровье человека

Последствия и продолжительность воздействия Л Содержание в воздухе мг/м

СО 80 2 Ж)х

Несколько часов без заметного действия 115 68 18

Признаки легкого отравления через 2-3 часа 115-575 130 20

Опасно для жизни при кратковременном воздействии 5700 1600 150

Возможно серьезное отравление через 30 мин 23003500 210-400 100

Крй,мг/т почбы

90 60

Чй

го

10 20 30 40 30 60

1,м

Рис. 1.2. Содержание СВИНЦА в почвенном слое на определенном удалении от бровки земляного полотна: 1,2,3 — дороги соответствующих категорий

Однако, если на пути от дороги к застройке находятся экраны, зеленые насаждения, другие преграды, то изменение концентраций вредных веществ подчиняется другим более сложным закономерностям.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах автомобильных двигателей, могут сохраняться в атмосфере в течении длительного времени и переносится на значительные расстояния. Кроме того, первичные загрязнители в атмосфере при соответствующих условиях могут взаимодействовать друг с другом, образуя новые токсичные вещества: сульфаты, нитраты, озон, кислоты, фотоксиданты и т. д. [16]). Атмосферный воздух следует рассматривать как вторичный реактор дообразования вредных веществ, токсичность которых в некоторых случаях значительно превышает токсичность первичных компонентов. Так, при переходе N0 в N02 в атмосферном воздухе масса вредного вещества возрастает в 1,5 раза, а токсическое действие — в 7 раз [17].

Оксиды серы и азота, находясь в атмосферном воздухе до 2— 8 суток и перемещаясь с потоками воздуха на расстояние до 1000 км могут превращаться в кислоты.

Замеряемые концентрации тех или иных компонентов в атмосферном воздухе городов особенно в районах магистралей характеризуют суммарное действие фона и автомобильных выбросов. При этом определить достоверно загрязнение воздуха от автомобиля конкретным токсичным компонентом, а также экологические последствия воздействия только автомобильных выбросов в большинстве случаев невозможно. По результатам замеров установлено, что средний