ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭКОЛОГИЯ.

1.3. Альтернативные топлива

1.5. Нейтрализация

Список литературы

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭКОЛОГИЯ

1.1. Вредные выбросы в составе отработавших газов и их воздействие на живую природу

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Однако полного сгорания в поршневых ДВС достичь технически невозможно. Сегодня порядка 60% из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, приходится на автомобильный транспорт.

В состав отработавших газов ДВС входит более 200 различных химических веществ. Среди них:

• продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, водорода, перекисных соединений, сажи;
• продукты термических реакций азота с кислородом – оксиды азота;
• соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива, – свинца и других тяжелых металлов, диоксид серы и др.;
• избыточный кислород.

Количество и состав отработавших газов определяются конструктивными особенностями двигателей, их режимом работы, техническим состоянием, качеством дорожных покрытий, метеоусловиями. На рис. 1.1 показаны зависимости содержания основных веществ в составе отработавших газов.

В табл. 1.1 приведена характеристика городского ритма движения автомобиля и усредненные значения выбросов в процентах к их суммарному значению за полный цикл условного городского движения.

Оксид углерода (СО) образуется в двигателях при сгорании обогащенных топливовоздушных смесей, а также вследствие диссоциации диоксида углерода, при высоких температурах. В обычных условиях СО – бесцветный газ без запаха. Токсическое действие СО заключается в его способности превращать часть гемоглобина крови в карбо-ксигемоглобин, вызывающий нарушение тканевого дыхания. Наряду с этим СО оказывает прямое влияние на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т. д. Токсический эффект СО связан также с его непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, бо-ли в области сердца. Острые отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с концентрацией СО более 2.5 мг/л в течение 1 часа.

Таблица 1.1

Характеристика городского ритма движения автомобиля

Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их кислородом воздуха оксид азота превращается в диоксид. Оксид азота (NO) – бесцветный газ, диоксид азота (NO 2) – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO 2 способствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 часов в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких. Также NО Х участвуют в формировании кислотных дождей.

Оксиды азота и углеводороды тяжелее воздуха и могут накапливаться вблизи дорог и улиц. В них под воздействием солнечного света проходят различные химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О 3). В нормальных условиях озон не стоек и быстро распадается, но в присутствии углеводородов процесс его распада замедляется. Он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями, образуя смог. Кроме того, озон разъедает глаза и легкие.

Отдельные углеводороды СН (бензапирен) являются сильнейшими канцерогенными веществами, переносчиками которых могут быть частички сажи.

При работе двигателя на этилированных бензинах образуются частицы твердого оксида свинца вследствие распада тетраэтилсвинца. В отработавших газах они содержатся в виде мельчайших частиц размером 1–5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

Состав отработавших газов дизельных двигателей отличается от бензиновых (табл. 10.2). В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота.

Кроме того, работа дизельных двигателей на определенных режимах характеризуется дымностью. Черный дым представляет собой продукт неполного сгорания и состоит из частиц углерода (сажи) размером 0.1–0.3 мкм. Белый дым, образующийся в основном при работе двигателя на холостом ходу, состоит, главным образом, из альдегидов, обладающих раздражающим действием, частичек испарившегося топлива и капелек воды. Голубой дым образуется при охлаждении на воздухе отработавших газов. Он состоит из капелек жидких углеводородов.

Особенностью отработавших газов дизельных двигателей является содержание канцерогенных полициклических ароматических углеводородов, среди которых наиболее вреден диоксин (циклический эфир) и бензапирен. Последний, так же как и свинец, относится к первому классу опасности загрязняющих веществ. Диоксины и близкие им соединения во много раз токсичнее таких ядов, как кураре и цианистый калий.

Таблица 1.2

Количество токсичных компонентов (в г),

образующееся при сгорании 1 кг топлива

В отработавших газах обнаружен также акреолин (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров и при содержании более 0.004 мг/л вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.

Вещества, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей, могут вызвать прогрессирующие поражения центральной нервной системы, печени, почек, мозга, половых органов, летаргию, синдром Паркинсона, пневмонию, эндемическую атаксию, подагру, бронхиальный рак, дерматиты, интоксикацию, аллергию, респираторные и другие заболевания. Вероятность возникновения заболеваний возрастает по мере увеличения времени воздействия вредных веществ и их концентрации.

1.2. Законодательные ограничения выбросов вредных веществ

Первые шаги по ограничению количества вредных веществ в отработавших газах были сделаны в Соединенных Штатах, где проблема загазованности в крупных городах стала наиболее актуальной после Второй мировой войны. В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии этих стран. Законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей заставили производителей заняться усовершенствованием двигателей и разработкой систем нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствие с которым уровень токсичных компонентов в отработавших газах автомобилей 1975 модельного года должен был быть меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН – на 87%, СО – на 82% и NОх – на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Разработкой общеевропейских правил, предписаний и стандартов в области экологии автомобильной техники занимается действующий в рамках Европейской экономической комиссии ООН (EЭK ООН) Комитет по внутреннему транспорту. Выпускаемыеим документы получили название Правил ЕЭК ООН и обязательны для стран-участников Женевского соглашения 1958 года, к которому присоединилась и Россия.

Согласно этим правилам допустимые выбросы вредных веществ с 1993 году были ограничены: по оксиду углерода с 15 г/км в 1991 году до 2.2 г/км в 1996 году, а по сумме углеводородов и оксидов азота с 5.1 г/км в 1991 году до 0.5 г/км в 1996 году. В 2000 году введены еще более строгие нормы (рис. 1.2). Резкое ужесточение норм предусмотрено также и для дизелей грузовых автомобилей (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Динамика ограничений вредных выбросов

для автомобилей массой до 3.5 тонн (бензин)

Нормы, введенные для автомобилей в 1993 году, получили название EBPO-I, в 1996 – ЕВРО-II, в 2000 – ЕВРО-III. Введение таких норм вывело европейские правила на уровень стандартов США.

Одновременно с количественным ужесточением норм происходит и их качественное изменение. Вместо ограничений по дымности введено нормирование твердых частиц, на поверхности которых адсорбируются опасные для здоровья человека ароматические углеводороды, в частности бензапирен.

Нормирование выброса твердых частиц ограничивает их количество в значительно больших пределах, чем при ограничении дымности, которая позволяет оценивать только такое количество твердых частиц, которое делает отработавшие газы видимыми.

Рис. 1.3. Динамика ограничений вредных выбросов для дизельных грузовых автомобилей с полной массой более 3.5 т, установленных ЕЭК

Для того чтобы ограничить выброс токсичных углеводородов, вводятся нормы на содержание в отработавших газах безметановой группы углеводородов. Намечается введение ограничений на выброс формальдегида. Предусмотрено ограничение испарений топлива из системы питания автомобилей с бензиновыми двигателями.

Как в США, так и в Правилах ЕЭК ООН регламентируются пробеги автомобилей (80 тыс. и 160 тыс. км), на протяжении которых они должны соответствовать установленным нормам по токсичности.

В России стандарты, ограничивающие выброс вредных веществ автотранспортными средствами, начали вводиться в 70-е годы: ГОСТ 21393-75 “Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности” и ГОСТ 17.2.1.02-76 “Охрана природы. Атмосфера. Выбросы двигателей автомобилей, тракторов, самоходных сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин. Термины и определения”.

В восьмидесятых годах был принят ГОСТ 17.2.2.03-87 “Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности” и ГОСТ 17.2.2.01-84 “Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений”.

Нормы, в соответствии с ростом парка и ориентацией на аналогичные Правила ЕЭК ООН, постепенно ужесточались. Однако уже с начала 90-х годов российские стандарты по жесткости начали существенно уступать нормам, введенным ЕЭК ООН.

Причины отставания – неподготовленность инфраструктуры эксплуатации автотракторной техники. Для профилактики, ремонта и технического обслуживания автомобилей, оснащенных электроникой и системами нейтрализации, требуется развитая сеть станций технического обслуживания с квалифицированным персоналом, современным ремонтным оборудованием и измерительной аппаратурой, в том числе и на местах.

Действует ГОСТ 2084-77, предусматривающий выпуск в России бензинов, содержащих тетраэтилэтилен свинца. Транспортировка и хранение топлива не гарантируют от попадания в неэтилированный бензин остатков этилированного. Нет условий, при которых владельцы автомобилей с системами нейтрализации были бы гарантированы от заправки бензином с присадками свинца.

Тем не менее работа по ужесточению экологических требований ведется. Постановлением Госстандарта РФ от 1 апреля 1998 года № 19 утверждены “Правила по проведению работ в системе сертификации механических транспортных средств и прицепов”, которые определяют временный порядок применения в России Правил ЕЭК ООН № 834 и № 495.

С 1 января 1999 года введен ГОСТ Р 51105.97 “Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия”. В мае 1999 года Госстандарт принял постановление о введении в действие государственных стандартов, ограничивающих выделение загрязняющих веществ автомобилями. Стандарты содержат аутентичный текст с Правилами № 49 и № 83 ЕЭК ООН и вводятся в действие с 1 июля 2000 г. В том же году был принят стандарт ГОСТ Р 51832-2001 “Двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на бензине, и автотранспортные средства полной массой более 3.5 т, оснащенные этими двигателями. Выбросы вредных веществ. Технические требования и методы испытаний”. С первого января 2004 года вступил в силу ГОСТ Р 52033-2003 “Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния”.

Для выполнения все более ужесточающихся норм по выбросу загрязняющих веществ производители автотракторной техники проводят совершенствование систем питания и зажигания, применение альтернативных топлив, нейтрализацию отработавших газов, разработку комбинированных силовых установок.

1.3. Альтернативные топлива

Во всем мире большое внимание уделяется замене жидких нефтяных топлив сжиженным углеводородным газом (пропан-бутановая смесь) и сжатым природным газом (метаном), а также спиртосодержащими смесями. В табл. 1.3 приведены сравнительные показатели выбросов вредных веществ при работе ДВС на различных топливах.

Таблица 1.3

Преимущества газового топлива – высокое октановое число и возможность применения нейтрализаторов. Однако при их использовании уменьшается мощность двигателя, а большая масса и габариты топливной аппаратуры снижают эксплуатационные показатели автомобиля. К недостаткам газообразных топлив относится также высокая чувствительность к регулировкам топливной аппаратуры. При неудовлетворительном качестве изготовления топливной аппаратуры и при низкой культуре эксплуатации токсичность отработавших газов двигателя, работающего на газовом топливе, может превышать значения бензинового варианта.

В странах с жарким климатом распространение получили автомобили с двигателями, работающими на спиртовых топливах (метаноле и этаноле). Применение спиртов снижает выброс вредных веществ на 20–25%. К недостаткам спиртовых топлив относится существенное ухудшение пусковых качеств двигателя и высокая коррозионная агрессивность и токсичность самого метанола. В России спиртовые топлива для автомобилей в настоящее время не применяются.

Все большее внимание как у нас в стране, так и за рубежом уделяется идее применения водорода. Перспективность этого топлива определяется его экологической чистотой (у автомобилей, работающих на данном топливе, выброс оксида углерода уменьшается в 30–50 раз, оксидов азота в 3–5 раз и углеводородов в 2–2.5 раза), неограниченностью и возобновляемостью сырьевых ресурсов. Однако внедрение водородного топлива сдерживается созданием энергоемких систем хранения водорода на борту автомобиля. Применяемые в настоящее время металлогидридные аккумуляторы, реакторы разложения метанола и другие системы очень сложны и дороги. Учитывая также трудности, связанные с требованиями компактного и безопасного образования и хранения водорода на борту автомобиля, автомобили с водородным двигателем какого-либо заметного практического применения пока не имеют.

В качестве альтернативы ДВС большой интерес представляют электрические силовые установки, использующие электрохимические источники энергии, аккумуляторные батареи и электрохимические генераторы. Электромобили отличаются хорошей приспособляемостью к переменным режимам городского движения, простотой технического обслуживания и экологической чистотой. Однако их практическое применение остается пока проблематичным. Во-первых, нет надежных, легких и достаточно энергоемких электрохимических источников тока. Во-вторых, перевод автомобильного парка на питание электрохимическими аккумуляторами приведет к расходованию огромного количества энергии наих подзарядку. Эта энергия в большинстве своем вырабатывается на тепловых электростанциях. При этом за счет многократной конвертации энергии (химическая – тепловая – электрическая – химическая – электрическая – механическая) общий КПД системы очень низкий и экологическое загрязнение районов вокруг электростанций многократно превысит нынешние значения.

1.4. Совершенствование систем питания и зажигания

Одним из недостатков карбюраторных систем питания является неравномерное распределение топлива по цилиндрам двигателя. Это вызывает неравномерную работу ДВС и невозможность обеднения регулировок карбюратора из-за переобеднения смеси и прекращения горения в отдельных цилиндрах (рост СН) при обогащенной смеси в остальных (большое содержание в отработавших газах СО). Для устранения этого недостатка изменили порядок работы цилиндров с 1–2–4–3 на 1–3–4–2 и оптимизации формы впускных трубопроводов, например, применение ресиверов во впускной магистрали. Кроме этого, под карбюраторы устанавливали различные рассекатели, направляющие потока, впускной трубопровод подогревают. В СССР была разработана и внедрена в массовое производство автономная система холостого хода (ХХ). Эти мероприятия позволили уложиться в требования на режимах ХХ.

Как было сказано выше, при городском цикле до 40% времени автомобиль работает в режиме принудительно холостого хода (ПХХ) – торможения двигателем. При этом под дроссельной заслонкой разряжение много выше, чем на режиме ХХ, что вызывает переобогащение топливовоздушной смеси и прекращение ее горения в цилиндрах двигателя, растет количество вредных выбросов. Для уменьшения выбросов на режимах ПХХ были разработаны системы демпфирования дроссельной заслонки (приоткрыватели) и экономайзеры принудительного холостого хода ЭПХХ. Первые системы, приоткрывая дроссельную заслонку, уменьшают разряжения под ней, тем самым предотвращают переобогащение смеси. Вторые перекрывают поступление топлива в цилиндры двигателя на режимах ПХХ. Системы ПЭХХ позволяют до 20% снизить количество вредных выбросов и до 5% повысить топливную экономичность в условиях городской эксплуатации.

С выбросами окислов азота NОх боролись, понижая температуру сгорания горючей смеси. Для этого системы питания как бензиновых, так и дизельных двигателей оснащали устройствами рециркуляции отработавших газов. Система, на определенных режимах работы двигателя, перепускала часть отработавших газов из выпускного во впускной трубопровод.

Инерционность топливодозирующих систем не позволяет создать конструкцию карбюратора, полностью отвечающего всем требованиям точности дозирования для всех режимов работы двигателя, особенно переходных. Для преодоления недостатков карбюратора были разработаны так называемые “инжекторные” системы питания.

Вначале это были механические системы с постоянной подачей топлива в район впускных клапанов. Данные системы позволяли выполнять начальные экологические требования. В настоящее время это электронно-механические системы с фразированным впрыском и обратной связью.

В 70-е годы основным способом снижения количества вредных выбросов было применение все более бедных топливовоздушных смесей. Для их бесперебойного воспламенения потребовалось совершенствование систем зажигания с целью увеличения мощности искры. Сдерживающим факиром в этом служили механический разрыв первичной цепи и механическое распределение высоковольтной энергии. Для преодоления этого недостатка были разработаны контактно-транзисторные и бесконтактные системы.

Сегодня все большее распространение получают бесконтактные системы зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии под управлением электронного блока, одновременно оптимизирующего топливоподачу и углы опережения зажигания.

У дизельных двигателей основным направлением совершенствования системы питания явилось повышение давления впрыска. На сегодняшний день нормой является давления впрыска порядка 120 МПа, у перспективных двигателей до 250 МПа. Это позволяет более полно сжигать топливо, снизив содержание в отработавших газах СН и твердых частиц. Так же как и для бензиновых, для дизельных систем питания разработаны электронные системы управления двигателем, которые не позволяют двигателям выходить на режимы дымления.

Разрабатываются различные системы нейтрализации отработавших газов. Так, например, разработана система с фильтром в выпускном тракте, который удерживает твердые частицы выхлопа. После определенной наработки, электронный блок отдает команду на увеличение подачи топлива. Это приводит к росту температуры отработавших газов, что, в свою очередь, приводит к выжиганию сажи и регенерации фильтра.

1.5. Нейтрализация

В тех же 70-х годах стало ясно, что добиться существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств невозможно, поскольку уменьшение одного параметра влечет увеличение других. Поэтому активно занялись совершенствованием систем нейтрализации отработавших газов.

Системы нейтрализации применялись и ранее для автотракторной техники, работающей в особых условиях, например на прокладке туннелей и разработке шахт.

Существует два основных принципа построения нейтрализаторов – термический и каталитический.

Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива – СН и СО. Он может устанавливаться на месте выпускного трубопровода и выполнять его функции. Реакции окисления СО и СН протекают достаточно быстро при температуре свыше 830 °С и при наличии в зоне реакций несвязанного кислорода. Термические нейтрализаторы применяются на двигателях с принудительным воспламенением, в которых необходимая для эффективного протекания термических реакций окисления температура обеспечивается без подачи дополнительного топлива. И без того высокая температура выпускных газов у этих двигателей повышается в зоне реакции в результате догорания части СН и СО, концентрация которых значительно выше, чем у дизелей.

Термический нейтрализатор (рис. 1.4) состоит из корпуса с подводящими (выпускными) патрубками и одной или двух жаровых труб-вставок из жаропрочной листовой стали. Хорошее перемешивание дополнительного воздуха, необходимого для окисления СН и СО, с выпускными газами достигается интенсивным вихреобразованием и турбулизацией газов при перетекании через отверстия в трубах и в результате изменения направления их движения системой перегородок. Для эффективного догорания СО и СН требуется достаточно большое время, поэтому скорость газов в нейтрализаторе задается невысокой, вследствие чего объем его получается сравнительно большим.

Рис. 1.4. Термический нейтрализатор

Чтобы предотвратить падение температуры выпускных газов в результате теплоотдачи в стенки, выпускной трубопровод и нейтрализатор покрывают тепловой изоляцией, устанавливают тепловые экраны в выпускных каналах, размещают нейтрализатор по возможности ближе к двигателю. Несмотря на это, для прогрева термического нейтрализатора после пуска двигателя требуется значительное время. Для сокращения этого времени повышают температуру выпускных газов, что достигается обогащением горючей смеси и уменьшением угла опережения зажигания, хотя и то, и другое повышает расход топлива. К подобным мерам прибегают для поддержания стабильного пламени на переходных режимах работы двигателя. Уменьшению времени до начала эффективного окисления СН и СО способствует также жаровая вставка.

Каталитические нейтрализаторы – устройства, содержащие в себе вещества, ускоряющие реакции, – катализаторы. Каталитические нейтрализаторымогут быть “однокомпонентными” “двухкомпонентными” и “трехкомпонентными”.

Однокомпонентные и двухкомпонентные нейтрализаторы окислительного типа дожигают (доокисляют) СО (однокомпонентные) и СН (двухкомпонентные).

2СО + О 2 = 2СО 2 (при 250–300°С).

С m Н n + (m + n/4)О 2 = mСО 2 + n/2Н 2 О (свыше 400°С).

Нейтрализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска. В корпусе располагается блок носителя активного элемента. Первые нейтрализаторы заполнялись металлическими шариками, покрытыми тонким слоем катализатора (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Устройство каталитического нейтрализатора

В качестве активного вещества использовались: алюминий, медь, хром, никель. Основными недостатками нейтрализаторов первых поколений были низкая эффективность и малый срок службы. Наиболее стойким к “отравляющему” воздействию серных, кремнийорганических и прочих соединений, образующихся вследствие сгорания содержащихся в цилиндре двигателя топлива и масла, оказались каталитические нейтрализаторы на основе благородных металлов – платины и палладия.

Носителем активного вещества в таких нейтрализаторах служит спецкерамика – монолит с множеством продольных сот-ячеек. На поверхность сот нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет увеличить эффективную площадь контакта покрытия с выхлопными газами до ~20 тыс. м 2 . Количество благородных металлов, нанесенных на подложку на этой площади, составляет 2–3 грамма, что позволяет организовать массовое производство относительно недорогих изделий.

Керамика выдерживает температуру до 800–850 °С. Неисправности системы питания (затрудненный пуск) и длительная работа на переобогащенной рабочей смеси приводят к тому, что избыточное топливо будет сгорать в нейтрализаторе. Это приводит к оплавлению сот и выходу нейтрализатора из строя. Сегодня в качестве носителей каталитического слоя применяют металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев нейтрализатора до рабочей температуры и расширить температурный диапазон до 1000–1050 °С.

Каталитические нейтрализаторы с восстановительной средой, или трехкомпонентные нейтрализаторы, используются в системах выпуска отработавших газов, как для снижения выбросов СО и СН, так и для снижения выбросов окислов азота. Каталитический слой нейтрализатора содержит, кроме платины и палладия, редкоземельный элемент родий. В результате химических реакций на поверхности разогретого до 600–800 °С катализатора СО, СН, Nоx, содержащиеся в отработавших газах, превращаются в H 2 O, СО 2 , N 2:

2NO + 2СО = N 2 + 2СО 2 .

2NO + 2Н 2 = N 2 + 2Н 2 О.

Эффективность трехкомпонентного каталитического нейтрализатора достигает в реальных условиях эксплуатации 90%, но лишь при условии, что состав горючей смеси отличается от стехиометрического не более чем на 1%.

Из-за изменения параметров двигателя вследствие его износа, работы на нестационарных режимах, дрейфа настроек систем питания поддерживать стехиометрический состав горючей смеси только за счет конструкции карбюраторов или инжекторов не представляется возможным. Необходима обратная связь, которая оценивала бы состав топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя.

На сегодняшний день наибольшее распространение получила система обратной связи с использованием так называемого датчика кислорода (лямбда-зонда) на основе циркониевой керамики ZrO 2 (рис. 1.6).

Чувствительным элементом лямбда-зонда является циркониевый колпачок 2 . Внутренняя и внешняя поверхности колпачка покрыты тонкими слоями из платинородиевого сплава, которые выполняют роль внешнего 3 и внутреннего 4 электродов. С помощью резьбовой части 1 датчик устанавливается в выпускной тракт. При этом внешний электрод омывается обработавшими газами, а внутренний – атмосферным воздухом.

Рис. 1.6. Конструкция датчика кислорода

Двуокись циркония при температурах свыше 350°С приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Величина ЭДС на электродах датчика определяется соотношением парциальных давлений кислорода на внутренней и внешней сторонах чувствительного элемента. При наличии свободного кислорода в отработавших газах датчик вырабатывает ЭДС порядка 0.1 В. При отсутствии в отработавших газах свободного кислорода ЭДС практически скачком возрастает до 0.9 В.

Управление составом смеси происходит после прогрева датчика до рабочих температур. Состав смеси поддерживается изменением количества подаваемого в цилиндры двигателя топлива на границе перехода ЭДС зонда с низкого на высокий уровень напряжения. Для уменьшения времени выхода на рабочий режим применяют датчики с электроподогревом.

Основными недостатками систем с обратной связью и трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором являются: невозможность работы двигателя на этилированном топливе, достаточно низкий ресурс нейтрализатора и лямбда-зонда (порядка 80000 км) и увеличение сопротивления выпускной системы.

Список литературы

1. Вырубов Д. Н. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов и др. М.: Машиностроение, 1983.
2. Автомобильные и тракторные двигатели. (Теория, системы питания, конструкции и расчет)/ Под ред. И. М. Ленина. М.: Высш. шк., 1969.
3. Автомобильные и тракторные двигатели: В 2 ч. Конструкция и расчет двигателей / Под ред. И. М. Ленина. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Высш. шк., 1976.
4. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.
5. Архангельский В. М. Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский. М.: Машиностроение, 1973.
6. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей / А. И. Колчин, В. П. Демидов. М.: Высш. шк., 1971.
7. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. д-ра техн. наук проф. В. Н. Луканина. М.: Высш. школа, 1985.
8. Хачиян А. С. Двигатели внутреннего сгорания / А. С. Хачиян и др. М.: Высш. шк., 1985.
9. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт: Практ. пособие / Росс Твег. М.: Издательство “За рулем", 1998.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет им.Ю.А.Гагарина»

Профессионально-педагогический колледж.

Реферат на тему: «Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин»

Работу выполнила

студентка группы ЗЧС-912

Петрова Олеся

Введение

5. Охрана окружающей среды от тепловых выбросов

Заключение

выброс тепловой атмосфера топливо

Введение

Существует неразрывная взаимосвязь и взаимозависимость условий обеспечения теплоэнергопотребления и загрязнения окружающей среды. Взаимодействие этих двух факторов жизнедеятельности человека и развитие производственных сил привлекает постепенное внимание к проблеме взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды.

На ранней стадии развития теплоэнергетики основным проявлением этого внимания был поиск в окружающей среде ресурсов, необходимых для обеспечения теплоэнергопотребления и стабильного теплоэнергоснабжения предприятий и жилых зданий. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путём изыскания и рационализации процессов и технологии, добычи и обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствования теплоэнергетических установок.

С ростом единичных мощностей блоков, теплоэнергетических станций и теплоэнергетических систем, удельных и суммарных уровней теплоэнергопотребления, возникла задача ограничения загрязняющих выбросов в воздушный бассейн, а также более полного использования их естественной рассеивающей способности.

На современном этапе проблема взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды приобрела новые черты, распространяя своё влияние на громадные объемы атмосферы Земли.

Ещё более значительные масштабы развития теплоэнергопотребления в обозримом будущем предопределяют дальнейший интенсивный рост разнообразных воздействий на атмосферу.

Принципиально новые стороны проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды возникли в связи с развитием ядерной теплоэнергетики.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды в новых условиях является всё более возрастающее обратное влияниеопределяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач теплоэнергетики (выбор типа теплоэнергетических установок, дислокация предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и многое другое).

1. Общая характеристика теплоэнергетики и её выбросов

Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс производства тепловой энергии, транспортировки, рассматривает основные условия производства энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных.

Как отмечает Ю.В. Новиков, по суммарным выбросам вредных веществ в атмосферу теплоэнергетика занимает первое место среди отраслей промышленности.

Если паровой котёл - «сердце» электростанции, то вода и водяной пар - её «кровь». Они циркулируют внутри установок, крутят лопатки турбин. Так вот эту «кровь» удалось сделать суперкритической, в несколько раз увеличив её температуру и давление. Благодаря этому КПД электростанций существенно вырос. В таких экстремальных условиях обычные металлы выжить не могли. Потребовалось создать принципиально новые, так называемые конструкционные материалы для сверхкритических температур.

Львиная доля электроэнергии вырабатывается в мире на тепловых и атомных станциях, где рабочим телом служит водяной пар. Переход на его сверхкритические параметры (температуру и давление) позволил повысить КПД с 25 до 40%, что дало огромную экономию первичных энергоресурсов - нефти, угля, газа - и в короткий срок многократно повысило энерговооружённость нашей страны. Это стало реальным во многом благодаря основополагающим исследованиям А.Е. Шейндлина теплофизических свойств водяного пара в сверхкритических состояниях. Параллельно с ним многие учёные мира вели разработки в этом направлении, но решение удалось найти отечественному энергетику. Им разработаны не имевшие аналогов в мире методики и экспериментальные установки. Результаты расчётов А.Е. Шейндлина стали основой для строительства электростанций во многих странах. В 1961 г. Шейндлин создал Институт высоких температур, который стал одним из ведущих научных центров РАН.

Международный комитет по присуждению премии «Глобальная энергия» определил трёх лауреатов. Премиальный фонд 2004 г. в размере 900 тыс. долларов был поделен между ними. Премия «За разработку физико-технических основ и создание энергетических реакторов на быстрых нейтронах» присуждена академику РАН Федору Нитенкову и профессору Леонарду Дж. Коху (США). Премии «За фундаментальные исследования теплофизических свойств веществ при предельно высоких температур для энергетики» удостоен академик РАН Александр Шейндлин.

2. Воздействие на атмосферу при использовании твердого топлива

Предприятия угольной промышленности оказывают существенное отрицательное влияние на водные и земельные ресурсы. Основные источники выброса вредных веществ в атмосферу - промышленные, вентиляционные и аспирационные системы шахт и обогатительных фабрик и др.

Загрязнение воздушного бассейна в процессе открытой и подземной добычи угля, транспортировки и обогащения каменного угля вызвано буровзрывными работами, работой двигателей внутреннего сгорания и котельных, пылением угольных складов и породных отвалов и другими источниками.

В 2002 году объём выбросов вредных веществ в атмосферу от предприятий отрасли возрос относительно 1995 года на 30 процентов, главным образом, из-за вновь учитываемых выбросов метана от вентиляционных и дегазационных установок на шахтах.

По объёму выбросов вредных веществ угольная отрасль занимает шестое место в промышленности Российской Федерации (вклад на уровне 5%). Степень улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ крайне низка (9,1%), при этом не улавливаются углеводороды и ЛОС.

В 2002 году выросли выбросы углеводородов (на 45,5 тыс. т), метана (на 40,6 тыс. т.), сажи (на 1,7 тыс. т), ряда других веществ; отмечено снижение выбросов ЛОС (на 5,2 тыс. т), диоксида серы (на 2,8 тыс. т), твёрдых веществ (на 2,2 тыс. т).

Зональность угля, поступающего от отдельных поставщиков на ТЭС, превышает 79% (в Великобритании она в соответствии с законодательством - 22%, в США - 9%). И увеличение выброса летучей золы в атмосферу продолжается. Между тем электрофильтры для золоулавливания производит лишь один Семибратовский завод, удовлетворяя ежегодные потребности в них не более чем на 5%.

ТЭС, работающие на твёрдом топливе, интенсивно выбрасывают в атмосферу продукты угля и сланцев, содержащих до 50% негорючей массы и вредных примесей. Удельный вес ТЭС в электробалансе страны составляет 79%. Они потребляют до 25% добываемого твёрдого топлива и сбрасывают в среду обитания человека более 15 млн. т золы, шлаков и газообразных веществ.

В США каменный уголь продолжает оставаться основным видом топлива для электростанций. К концу столетия все электростанции там должны стать экологически чистыми, предстоит повысить КПД до 50% и более (сейчас 35%). Чтобы ускорить внедрение технологий очистки угля, ряд угольных, энергетических и машиностроительных компаний при поддержке федерального правительства разработал программу, на реализацию которой потребуется 3,2 млрд. долларов. В течение 20 лет только в США новые технологии будут внедрены на существующих электростанциях общей мощностью 140 тыс. МВт и на новых переоборудуемых электростанциях общей мощностью 170 тыс. кВт.

Экологические технологии сжигания топлива . Традиционный диффузионный способ сжигания даже высококачественных углеводородных топлив приводит к загрязнению окружающей атмосферы главным образом оксидами азота и канцерогенными веществами. В связи с этим необходимы экологически чистые технологии сжигания этих видов топлива: с высоким качеством распыления и смешения с воздухом до зоны горения и интенсивным сжиганием обедненной, предварительно перемешанной, топливно-воздушной смеси, оптимальная с термохимической точки зрения камера сжигания (КС) должна обеспечивать предварительное испарение топлива, полное и равномерное перемешивание его паров с воздухом и устойчивое сжигание обедненной горючей смеси при минимальном времени её пребывания в зоне горения.

В этом плане гораздо эффективнее традиционного диффузного гибридный способ сжигания, представляющий комбинацию диффузной зоны с каналом для предварительного испарения и перемешивания топлива с воздухом.

Разработаны технологии сжигания угля в котлах с циркулирующим кипящим слоем, где достигается эффект связывания экологически опасных примесей серы. Эта технология внедрена при реконструкции Шатурской, Черепетской и Интинской ГРЭС. В Улан-Удэ строится ТЭЦ с современными котлами. Институтом «Теплоэлектропроект» разработана технология газификации угля: сжигается не сам уголь, а выделенный из него газ. Это экологически чистый процесс, но пока он, как и любая новая технология, дорог. В будущем будут внедрены технологии газификации даже нефтяного кокса.

При сжигании угля в псевдосжиженном слое выброс в атмосферу соединений серы уменьшается на 95%, а окислов азота - на 70%.

Очистка дымовых газов. Для очистки дымовых газов применяется известково-каталитический двухступенчатый метод с получением гипса, основанный на поглощении диоксида серы известняковой суспензией в две ступени контакта. Подобная технология, как свидетельствует мировой опыт, наиболее распространена на тепловых электростанциях, сжигающих жидкое и твёрдое топливо с различным содержанием серы в нём, и обеспечивает степень очистки газов от окислов серы не ниже 90-95%. Большое количество отечественных электростанций работают на топливе со средним и высоким содержанием серы в нем, поэтому этот метод должен получить широкое распространение в отечественной энергетике. У нас в стране практически отсутствовал опыт очистки дымовых газов от сернистого ангидрида мокрым известняковым способом.

На долю ТЭС приходится около 70% выбросов оксидов азота в атмосферу. В США и Японии методы очистки дымовых газов от оксидов азота нашли широкое применение, в этих странах работает более 100 установок, в которых используется метод селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком на платино-ванадиевом катализаторе, правда, стоимость этих установок очень высока, а срок службы катализатора - незначителен.

В последние годы в США фирмой «Genesis Research of Arizona» разработана технология получения так называемого самоочищающегося угля. Такой уголь лучше горит, и при его использовании в дымовых газах оказывается на 80% меньше диоксида серы, дополнительны же расходы составляют лишь часть затрат на установку скрубберов. Технология получения самоочищающегося угля включает две стадии. Первоначально от угля посредством флотации отделяются примеси, затем уголь размалывается в порошок и добавляется в шлам, при этом уголь всплывает и примеси тонут. На первой стадии удаляется почти вся неорганическая сера, а органическая остается. На второй стадии порошкообразный уголь соединяется с химическими веществами, название которых является коммерческой тайной, а затем уплотняется в комки величиной с виноградину. При сгорании эти химические вещества вступают в реакцию с органической серой, причем сера надежно изолирована, что исключает ее попадание в атмосферу. Комки такого модифицированного угля можно транспортировать, хранить и применять как обычный уголь.

Парогазовые системы. Эффективная комплексная система, обеспечивающая не только улавливание вредных примесей из дымовых газов ТЭС, но и одновременно снижающих примерно на 20% удельный расход топлива на производство электроэнергии, разработана в Энергетическом институте Г.Н. Кржижановского. Суть ее в том, что перед сжиганием в топке паровых котлов ТЭС уголь газифицируют, очищают от твердых (содержащих вредные вещества) примесей и направляют в газовые турбины, где продукты сгорания с температурой 400-500 градусов Цельсия сбрасываются в обычные паровые котлы. Подобные парогазовые системы широко используют энергетики ряда стран для уменьшения выброса в атмосферу.

Глубокая комплексная переработка угля. За рубежом интенсивно ведутся работы по отработке технологий и оборудования газификации угля для полного обеспечения промышленности в горючих газах, синтез-газе и водороде. В Нидерландах введена в действие демонстрационная установка кислородной газификации угля для энергоблока мощностью 250 МВт. Намечен ввод четырех подобных установок от 175 до 330 МВт в Европе, десяти установок от 100 до 500 МВт в США и одной установки мощностью 400 МВт в Японии. Процессы газификации при высоких температурах и давлениях дают возможность перерабатывать угли широкого ассортимента. Известны исследования по высокоскоростному пиролизу и каталитической газификации, реализация которых сулит огромные выгоды.

Необходимость углубления переработки угля продиктована предшествующим ходом развития тепло- и электроэнергетики: наилучшие результаты достигаются при комбинированной переработке угля в электричество и тепло. Качественный скачок в использовании угля связан с его комплексной переработкой в рамках гибких технологий. Решение этой сложной проблемы потребует новых технологических установок для энергохимических комплексов, которые обеспечат повышение экономичности ТЭС, снижение капитальных удельных затрат и кардинальное решение вопросов экологии.

3. Влияние на атмосферу при использовании жидкого топлива

В своё время нефть потеснила уголь и вышла на первое место в мировом энергетическом балансе. Однако это чревато определёнными экологическими проблемами.

Так, в 2002 году российские предприятия отрасли выбросили в атмосферу 621 тыс. т загрязняющих веществ (твёрдые вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота и др.). Сточные воды в объёме до 1302.6 млн мі сбрасываются в поверхностные водные объекты и на рельеф.

При сжигании жидких топлив (мазута) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, газообразные и твёрдые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо обладает более «гигиеническими» свойствами: отпадает проблема золоотвалов, которые занимает значительные территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы и районе станции из-за уноса золы с ветрами. В продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола. Применение двухтопливных гибридных камер сгорания вместо традиционных однозонных диффузионных КС с использованием частичного замещения части углеводородного топлива водородом (6% от массы углеводородного топлива) снижает расход нефтяного топлива на 17-20%, уровни выброса частиц сажи - на порядок, бензопирена - в 10-15 раз, оксидов азота - в 5 раз).

В большинстве стран запрещено сжигание нефтяного топлива с сернистостью выше 0,5%, в России же половина солярки не укладывается в этот норматив, а сернистость котельного топлива достигает 3%.

Сжигать нефть, говоря словами Д.И. Менделеева, все равно, что топить печь ассигнациями. Поэтому доля использования жидкого топлива в энергетике за последние годы существенно снижается. Зарождающаяся тенденция будет в дальнейшем усиливаться в связи с существенным расширением использования жидкого топлива в других областях народного хозяйства: на транспорте, в химической промышленности, в том числе в производстве пластмасс, смазочных материалов, предметов бытовой химии и т.д. К сожалению, используется нефть не лучшим образом. В 1984 году при мировом производстве нефтепродуктов 2750 млн. т бензина получено 600 млн. т керосина и реактивного топлива - 210, дизельного топлива - 600, мазута - 600 млн. т. Хороший пример ресурсосбережения показала Япония, которая стремится максимально снизить зависимость страны от импорта нефти. Для решения этой важной экономической задачи на протяжении последних 20 лет прилагались просто гигантские усилия. Приоритетное внимание получила энергосберегающая технология. И как итог проделанной работы - для производства того же объёма валового национального продукта Японии сегодня требуется в два раза меньше нефти, чем в 1974 году. Несомненно, нововведения благоприятно сказались на улучшении экологической обстановки.

4. Влияние на атмосферу при использовании природного газа

По экологическим критериям природный газ - наиболее оптимальное топливо. В продуктах сгорания отсутствуют зола, копоть и такие канцерогены, как бензопирен.

При сжигании газа единственным существенным загрязнителем атмосферы остаются окислы азота. Однако выброс окислов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20 процентов ниже, чем при сжигании угля. Это объясняется не свойствам самого топлива, а особенностями процессов их сжигания. Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля ниже, чем при сжигании природного газа. Таким образом, природный газ - наиболее экологически чистый вид энергетического топлива и по выделению оксидов азота в процессе горения.

Изменения в окружающей среде при транспортировке газа. Современный магистральный трубопровод представляет собой сложное инженерное оборудование, которое помимо линейной части (собственно трубопровода) включает в себя установки для подготовки нефти или газа к перекачке, насосные и компрессорные станции, резервуарные парки, линии связи, систему электрохимической защиты, дороги, идущие вдоль трассы, и подъезды к ним, а также временные жилые посёлки эксплуатационников.

Например, общая протяженность газопроводов в России составляет примерно 140 тыс. км. Например, на территории Удмуртской Республики проходят 13 магистральных трубопроводов, доля выбросов которых составляет более 30% от соответствующего объёма по республике. Выбросы, главным образом метана, распределены по длине газопроводов, в основном вне пределов населённых пунктов.

Существенному загрязнению подвергается атмосферный воздух вследствие потерь от больших и малых «дыханий» резервуаров, утечек газа и т.д.

Загрязнение атмосферы в результате аварийного выброса газа или сжигания нефти и нефтепродуктов, различных на поверхности при аварии, характеризуется значительно меньшим периодом воздействия, и его можно отнести к кратковременному.

Атмосферный воздух загрязняется также в результате утечки газа через негерметичные соединения трубопровода, утечки и испарения в процессе хранения и выполнения сливно-наливных операций, потерь на газонефте- и нефтепродуктопроводах и т.д. В результате может подавляться рост растительности и повышаться предельно допустимые концентрации в воздухе.

5. Охрана атмосферы от тепловых выбросов

Решение проблемы охраны окружающей среды от вредного воздействия предприятий тепловой энергетики требует комплексного подхода.

Размещение ТЭС. Ряд ограничений и технических требований при выборе площадке под строительство диктуется экологическими соображениями.

Во-первых, так называемый фон загрязнений, который возникает в связи с работой в этой зоне ряда промышленных предприятий, а иногда и уже существующих электростанций. Если величина загрязнений в месте предполагаемого строительства уже достигла предельных значений или близка к ним, размещение, например, тепловой станции не должно разрешаться.

Во-вторых, при наличии определённого, но недостаточно высокого фона загрязнений должны быть проведены подробные оценки, позволяющие сопоставить значения возможных выбросов от проектируемой тепловой станции с уже существующими в данном районе. При этом нужно учитывать различные по характеру и содержанию факторы: направленность, силу и периодичность ветров в этой местности, вероятность осадков, абсолютные выбросы станции при работе на предполагаемом виде топлива, инструкции топочных устройство, показатели систем очистки и улавливания выбросов и т.д. После сопоставления полученной суммарной (с учётом воздействия от проектируемой тепловой станции) величины выбросов с предельно допустимой и должен быть сделан окончательный вывод о целесообразности строительства ТЭС.

При сооружении электростанций, прежде всего ТЭЦ, в городах или пригородах предусматривается создание лесных полос между станцией и жилыми массивами. Они уменьшают воздействие шума на близлежащие районы, способствуют задержанию пыли при ветрах в направлении жилых массивов.

При проектировании и строительстве ТЭС необходимо планировать их оснащение высокоэффективными средствами очистки и утилизации отходов, сбросов и выбросов загрязняющих веществ, использование экологически безопасных видов топлива.

Защита воздушного бассейна. Защита атмосферы от основного источника загрязнений ТЭС - диоксида серы - происходит прежде всего путём его рассеивания в более высоких слоях воздушного бассейна. Для этого сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и даже 420 м. Более радикальное средство сокращения выбросов диоксида серы - выделение серы из топлива до его сжигания на ТЭС.

Наиболее эффективный способ снижения выбросов сернистого газа - сооружение на ТЭС известняковых сероулавливающих установок и внедрение на обогатительных фабриках установок по извлечению из угля пиритной серы.

Одним из важных документом в охране атмосферы от тепловых выбросов на территории Республики Беларусь является Закон Республики Беларусь «Об охране атмосферного воздуха». В Законе подчёркивается, что атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды, благоприятное состояние которого составляет естественную основу устойчивого социально-экономического развития республики. Закон направлен на сохранение и улучшение качества атмосферного воздуха, его восстановление для обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности человека, а также предотвращение вредного воздействия на окружающую среду. Закон устанавливает правовые и организационные основы норм хозяйственной и иной деятельности в области использования и охраны атмосферного воздуха.

Заключение

Главная опасность теплоэнергетики для атмосферы заключается в том, что сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению двуокиси углерода CO2, которая выбрасывается в атмосферу и способствует созданию парникового эффекта.

Наличие в сжигаемом угле добавок серы приводит к появлению окислов серы, они поступают в атмосферу и после реакции с парами воды в облаках создают серную кислоту, которая с осадками падает на землю. Так возникают кислотные осадки с серной кислотой.

Другим источником кислотных осадков являются окислы азота, которые возникают в топках ТЭС при высоких температурах (при обычных температурах азот не взаимодействует с кислородом атмосферы). Далее эти окислы поступают в атмосферу, вступают в реакцию с парами воды в облаках и создают азотную кислоту, которая вместе с осадками попадает на землю. Так возникают кислотные осадки с азотной кислотой.

ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт = 10" Вт, ежегодно потребляет 3 млн. угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т СО2, 120 тыс. т двуокиси серы, 20 тыс. т оксидов азота NО2, и 750 тыс. т золы.

В каменном угле и летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных примесей. Годовой выброс в атмосферу в районе расположения ТЭС мощностью 1 ГВт приводит к накоплению на почве радиоактивности, в 10-20 раз превышающей радиоактивность годовых выбросов АЭС такой же мощности.

Таким образом, защита атмосферы от тепловых выбросов должна быть направлена на снижение объёмов газовых выбросов и их очистку и включать следующие мероприятия:

Контроль за состоянием окружающей среды;

Применение методов, способов и средств, ограничивающих объёмы выбросов газа и подачи его в промысловую газосборочную сеть;

Использование в аварийных случаях факельных устройств, обеспечивающих полное сгорание сбрасываемого газа;

Обеспечение соблюдения экологических нормативов проектируемыми объектами и сооружениями;

Применение системы автоматических блокировок технологических потоков в нефтепереработке, позволяющей герметизировать опасные участки в аварийных ситуациях и осуществить разрядку этого звена в факельную систему;

Максимально возможное изменение топливных режимов тепловых энергетических установок в пользу экологически чистых видов топлива и режимов его снижения;

Достижение основного объёма снижения газовых выбросов в нефтепереработке путём строительства установок по подготовке попутного и нефтяного газа и систем газопроводов, обеспечивающих утилизацию.

Снижение объёмов вредных выбросов и нефтепереработке достигается в процессе реконструкции и модернизации нефтеперерабатывающего производства, сопровождаемых строительством природоохранных объектов.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общая характеристика теплоэнергетики и её выбросов. Воздействие предприятий на атмосферу при использовании твердого, жидкого топлива. Экологические технологии сжигания топлива. Влияние на атмосферу использования природного газа. Охрана окружающей среды.

контрольная работа , добавлен 06.11.2008


Общая характеристика внешней среды промышленного предприятия. Статистика расходов на охрану окружающей среды. Проблемы воздействия теплоэнергетики на атмосферу. Загрязнители атмосферы, образующиеся при сжигании топлива. Инвентаризация источников выбросов.

курсовая работа , добавлен 19.07.2013


Актуальность очистки выбросов тепловых электростанций в атмосферу. Токсичные вещества в топливе и дымовых газах. Преобразование вредных выбросов ТЭС в атмосферном воздухе. Типы и характеристики золоуловителей. Переработка сернистых топлив перед сжиганием.

курсовая работа , добавлен 05.01.2014


Расчет выбросов твердых частиц летучей золы и несгоревшего топлива, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегатов при сжигании твердого топлива и мазута. Принцип расчёта величины предельно допустимого выброса. Расчет опасной скорости ветра.

контрольная работа , добавлен 07.02.2013


Отрицательное влияние тепловых двигателей, выбросы вредных веществ в атмосферу, производство автомобилей. Авиация и ракетоносители, применение газотурбинных двигательных установок. Загрязнение окружающей среды судами. Способы очистки газовых выбросов.

реферат , добавлен 30.11.2010


Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по результатам измерений на технологических участках и складе топлива. Определение категории опасности предприятия. Разработка плана-графика контроля за выбросами предприятием вредных веществ в атмосферу.

реферат , добавлен 24.12.2014


Вещества, загрязняющие атмосферу, их состав. Платежи за загрязнение окружающей среды. Методы расчетов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Характеристика предприятия как источника загрязнения атмосферы, расчет выбросов на примере ЛОК "Радуга".

курсовая работа , добавлен 19.10.2009


Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в энергоустановках. Расчет суммарного расхода топлива и высоты дымовой трубы. Анализ зависимости концентрации вредных примесей от расстояния до источника выбросов.

контрольная работа , добавлен 10.04.2011


Загрязнение атмосферы при испытании и эксплуатации энергетических установок. Влияние на характер вредных выбросов в атмосферу вида топлива. Атомные электростанции и экологические проблемы при их эксплуатации. Мероприятия по защите окружающей среды.

реферат , добавлен 04.03.2010


Перспективные воздухоохранные технологии в энергетике. Сокращение выбросов твёрдых частиц в атмосферу. Эффектные методы снижения выбросов оксидов азота в атмосферу газомазутными котлами ТЭС. Рассеивание и трансформация некоторых веществ в атмосфере.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки Российской Федерации

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Кафедра экологии

Экологические проблемы ДВС и пути их решения

Студент Р.А. Игнатенко, гр. 233

Преподаватель В.Н. Вякин

Самара 2004

Введение

Устройства обработки топлива

Укрощение ДВС

Это странное слово «гибрид»

Диметиловый эфир

Заключение

Введение

углеводородный дизельный автотранспорт топливо

На сегодняшний день одной из актуальных экологических проблем является проблема автотранспорта, т. к. двигатели внутреннего сгорания, работающие на продуктах нефтепереработки, оказывают наибольшее антропогенное воздействие на окружающую среду. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей. Сейчас в биосфере содержится около 3 млн. химических соединений, никогда ранее не встречавшихся в природе.

Проблема экологической безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания требует разработки экологически чистых моторных топлив.

Экологические проблемы использования углеводородного топлива

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания являются источником таких органических токсикантов, как фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, дибензпирилен и др., обладающие сильной канцерогенной активностью, а так же раздражающие кожу и слизистые оболочки дыхательных путей.

Анализ механизмов химических реакций проходящих внутри двигателя при сгорании топлива показал, что основной причиной образования органических токсикантов является неполное сгорание топлива:

в процессе сгорания топлива металлы, из которых состоит сплав двигателя, являются катализаторами многих химических процессов, приводящих к образованию конденсирующих ароматических соединений и их производных;

образование сажи при неполном сгорании топлива способствует ароматизации углеводородов;

химический состав бензина существенно определяет концентрацию образующихся конденсированных соединений.

Наибольшую опасность представляет бензин каталитического риформинга, по причине высокой непредельности входящих в его состав углеводородов и высокого содержания ароматических углеводородов.

Меньшую опасность представляет бензин каталитического крекинга, хотя и имеющий меньшую теплоту сгорания.

Уменьшить выбросы органических токсикантов, образующихся при сгорании углеводородного топлива, можно несколькими способами:

увеличить поступление кислорода в камеру сгорания топлива, что увеличит процент сгорания органических веществ;

подавить каталитическую активность никеля и железа, входящих в состав сплава конструкции камеры сгорания, введя небольшое количество металлического свинца, являющегося каталитическим ядом для этих металлов;

использовать топливо, в составе которого преобладают предельные углеводороды, природный газ, петролейный эфир, синтетический бензин.

Современные методы улучшения качества дизельных топлив

Получение дизельных топлив, соответствующих современным требованиям, возможно путем повышения качества нефтепереработки и введения пакета присадок различного назначения.

Основными достоинствами дизельных двигателей по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания являются экономичность и сравнительная дешевизна топлива, поэтому их применение постоянно расширяется. Растущая во всем мире, в том числе и в России, дизелизация легкового и грузового автотранспорта требует неотложного решения вопросов повышения качества топлив, поскольку выхлопные газы ДВС стали основным источником загрязнения атмосферного воздуха.

Правительствами индустриально развитых стран и рядом международных организаций были проведены фундаментальные исследования по выяснению влияния наиболее значимых факторов качества дизельных топлив (ДТ) на эксплуатационные характеристики двигателей и загрязнение окружающей среды продуктами сгорания. Эти работы завершились принятием новых стандартов на дизельное топливо. В частности, Всемирной топливной хартией и европейским стандартом EN 590, которые в отличие от действующего российского ГОСТа 305-82 жестко ограничивают содержание в топливе серы, ароматических и полиароматических углеводородов, вводится новый показатель "смазывающая способность топлива" и устанавливается значительно более высокий уровень цетанового числа.

Автомобили - главная причина появления смога в крупных городах. Доля выхлопных газов достигает 4/5 от общего объема вредных выбросов в атмосферу.

ГОСТ 305-82 перестал отвечать современным требованиям по перечисленным выше показателям, что уже сказывается на состоянии воздушного бассейна и здоровье россиян. Назрела необходимость принятия нового, обязательного для исполнения, российского стандарта, может быть, даже более жесткого, чем европейский. Такое развитие событий представляется неизбежным. Хотя производство нового топлива требует значительных усилий от нефтепереработчиков, это позволит в значительной степени решить проблемы экологической безопасности и качественной эксплуатации дизельных двигателей.

Если сегодня основная масса отечественных ДТ, по сути, представляет собой гидроочищенный до содержания серы 0,2% продукт атмосферной перегонки нефти, то получение современных экологически чистых ДТ представляет технологически более сложную задачу, причем достижение таких показателей как цетановое число, смазывающая способность, температура застывания на сегодняшний день невозможно без введения соответствующих присадок.

Одним из основных показателей качества ДТ является цетановое число (ЦЧ), которое служит критерием самовоспламеняемости топлива, определяет долговечность и КПД двигателя, полноту сгорания топлива и, во многом, дымность и состав отработанных газов.

Борьба за снижение выбросов автотранспортом наиболее опасного загрязнителя - сернистых газов привела к появлению на рынке глубоко гидроочищенных малосернистых ДТ. Однако на практике оказалось, что их применение быстро выводит из строя дизельную топливную аппаратуру (топливные насосы, форсунки), т.к. с уменьшением содержания серы ниже 0,1% в результате гидроочистки резко падают смазывающие свойства топлива, обусловленные имеющимися в нем естественными гетероатомными органическими соединениями. На практике смазывающую способность ДТ определяют по диаметру пятна износа на специальной шариковой машине трения или в результате стендовых испытаний на натурных узлах или непосредственно на двигателях. Она, кстати, заметно ухудшается при введении в ДТ некоторых цетаноповышающих и депрессорных присадок из-за особенностей их химического строения.

Улучшение экологических характеристик ДТ возможно также с помощью антидымных присадок, которые снижают количество одного из самых токсичных компонентов отработанных газов дизельных двигателей - сажи с адсорбированными на ней канцерогенными полиароматическими соединениями. Эффективность антидымных присадок зависит от типа двигателя и режима его работы. Отечественный ассортимент антидымных присадок представлен в основном растворимыми в топливе соединениями бария: ИХП-702, ИХП-706, ЭФАП-Б, ЭКО-1. Их применяют в концентрации 0,05-0,2%, возможно в комбинации с цетаноповышающими присадками (ЦПП) или другими присадками. За рубежом в последнее время отказываются от применения барийсодержащих присадок из-за определенной токсичности выносимого оксида бария.

Применение нашли т.н. модификаторы (катализаторы) горения, представляющие собой топливорастворимые комплексы переходных металлов (прежде всего железа), которые снижают не только содержание в отработанных газах сажи, токсичных оксидов углерода и азота, но и расход топлива. В России допущены к применению присадки к дизтопливам ФК-4, Ангарад-2401 и "0010" на основе комплексных соединений железа.

Анализ основных тенденций развития нефтепереработки показывает, что одним из наиболее эффективных способов получения современных экологически чистых дизельных топлив наряду с глубокой гидроочисткой является применение различных взаимно совместимых присадок последнего поколения, как правило, в составе пакета.

Устройства обработки топлива

Можно регулярно проверять и регулировать “выхлоп” на станциях техобслуживания.

Российские ученые на протяжении многих лет работали над проблемой повышения экологической чистоты двигателей внутреннего сгорания, использующих в качестве топлива нефтепродукты (бензин, дизтопливо, мазут, керосин). Во время проведения многочисленных исследований ученые заметили, что топливо изменяет свои характеристики под воздействием электрического поля. Результаты испытаний “измененного” топлива показали, что оно способно значительно уменьшать содержание вредных веществ в выхлопных газах - и не только. Дальнейшие испытания показали, что экспериментальное топливо имеет еще несколько положительных качеств: сокращает расход топлива, повышает мощность двигателя, снижает уровень шума работы двигателя и облегчает его запуск в холодное время, очищает камеры сгорания и увеличивает срок службы силового агрегата.

После того, как технология была запатентована, российская компания “А.М.Б. Сфера” разработала промышленные образцы нового устройства обработки топлива, которые с успехом прошли независимые стендовые и эксплуатационные испытания в ведущих научно-исследовательских институтах России и ближнего зарубежья. После этого устройства, получившие фирменное название “Сфера 2000”, были испытаны в реальных условиях на автомобилях при движении в различных циклах (городском, загородном и смешанном). В испытаниях были задействованы новые и бывшие в эксплуатации грузовые и легковые автомобили производства крупнейших отечественных и зарубежных автопроизводителей: МАЗ, ВАЗ, ГАЗ, КамАЗ, Ikarus, Mercerdes-Benz, Nissan и др.

Конечно же, феноменальных результатов никто и не ожидал, но продемонстрированные качества позволяют говорить о реальной эффективности устройства обработки топлива “Сфера 2000”:

уменьшение расхода топлива на бензиновых двигателях на 2-7%, на дизельных - на 5-15%;

повышение мощности двигателя до 5%;

снижение токсичности выхлопных газов на бензиновых двигателях СО на 20-60%, СН на 40-50%, на дизельных двигателях СО до 48%, СН до 50% и NOx до 17%.

Укрощение ДВС

Однако сделать автомобиль «зеленым» не так-то просто. Возьмем хотя бы двигатель внутреннего сгорания -- основной источник автомобильно-экологических проблем. Похоже, что, несмотря на все попытки, найти ему равнозначную замену в ближайшем будущем так и не удастся. А это означает, что для создания «дружелюбного» автомобиля нужно создать, прежде всего «дружелюбный» ДВС. Судя по тому, что можно было увидеть во Франкфурте, ведущие автопроизводители мира работают -- и не без успеха -- именно в этом направлении. Современная техника позволяет сделать автомобильные моторы более мощными, экономичными и экологичными. Это касается как бензиновых двигателей, так и дизелей. Примером тому могут служить разработанные специалистами Peugeot-Citroen дизели семейства HDi и бензиновые моторы серии GDI от Mitsubishi, значительно снижающие потребление топлива и улучшающие экологические параметры автомобиля.

Некоторые производители пошли еще дальше, заменив жидкое топливо сжиженным или сжатым газом. BMW, например, и ряд других компаний выпускают такие машины уже серийно. Но, во-первых, газ тоже относится к невосполнимым ресурсам, а, во-вторых, полностью избежать загрязнения окружающей среды здесь также не удается, хотя, конечно, газовый двигатель более «чистый», чем бензиновый или дизельный. Как видим, первые шаги к обузданию «хищника» уже сделаны. Однако как волка ни корми, он все равно в лес смотрит, и каждому ясно, что вообще отказаться от использования топлива природного происхождения в ДВС или сделать его выхлопы абсолютно безвредными пока практически невозможно. А раз так, то приходится признать, что создание «дружелюбного» ДВС -- отнюдь не решение проблемы в целом, а только отсрочка, более или менее значительная.

Сегодня модно говорить и писать об альтернативных двигателях. Одним из них по традиции считается электрический. Но и здесь все далеко не так ясно, как может показаться с первого взгляда. Действительно, сам электродвигатель атмосферы не загрязняет, да к тому же его использование позволяет избежать множества чисто инженерных проблем, связанных с эксплуатацией транспортных средств. А вот кардинально решить экологические проблемы такой мотор, к сожалению, не может. Достаточно вспомнить, что выработка электроэнергии сегодня -- дело достаточно «грязное». Производство аккумуляторов также сопряжено с использованием невосполнимых ресурсов и загрязнением -- да еще каким! -- окружающей среды. Если же к этому приплюсовать неудобства, связанные с ограниченной емкостью существующих ныне аккумуляторов, проблемами их перезарядки, а также с переработкой отслуживших свой срок батарей, то становится ясно, что электродвигатель на самом деле никакая не альтернатива, а очередной паллиатив. Разумеется, машины, оснащенные электромоторами, будут в ближайшее время появляться все чаще, но займут они, скорее всего, лишь определенную и достаточно узкую нишу. В частности, электромобили вполне уместны в роли городского транспорта. Во Франкфурте, например, японские автомобилестроители представили публике городской электрический концепт-кар Карро. Основными его потребителями должны стать инвалиды и пожилые люди, которым не по силам пользоваться обычным автомобилем. Мощность установленного на Kappo электродвигателя равна всего 0,6 кВт, что не позволяет машине развивать высокие скорости, обеспечивая тем самым дополнительные меры безопасности.

Это странное слово «гибрид»

Гораздо в большей степени призваны сделать автомобиль «родным и близким» так называемые «гибридные» или «смешанные» силовые установки. Идея эта не нова. Еще в начале века молодой Фердинанд Порше успешно работал над такой машиной на фирме Lohner. Принцип «гибрида» состоит в том, что сама машина приводится в движение при помощи электромотора, а энергию для него вырабатывает генератор, приводимый ДВС. Возможен и второй вариант -- оба мотора работают на то, чтобы приводить автомобиль в движение. Казалось бы, чего уж тут хорошего: недостатки электродвигателя множатся на минусы ДВС. Однако не спешите с выводами. Здесь, как в математике, умножение «минуса» на «минус» дает плюс. Дело в том, что ДВС, приводящий электрогенератор, работает все время в одном и том же режиме, а, как известно, именно изменения режима работы двигателя приводят к увеличению расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того, ДВС, как мы уже убедились, может быть достаточно экономичным и экологически чистым. Так что «гибриды» -- тоже шаг вперед. Целый ряд франкфуртских новинок оснащался именно такими силовыми установками. Достаточно упомянуть гибридный концепт-кар Mitsubishi SUW Advance, который расходует всего 3,6 л топлива на 100 км пробега. (Представьте, насколько уменьшаются выбросы!) Привлекли внимание посетителей и новый Honda Insight, и специально подготовленный для Европы, первый в мире серийный «гибрид» Toyota Prius, который, кстати, уже успел завоевать признание у себя на родине.

Что касается Honda Insight, то этот автомобиль поступил в продажу уже в конце прошлого года. Машина оснащена однолитровым трехцилиндровым двигателем, потребляющим всего 3,4 л топлива на 100 км. По заявлению представителя компании, это наименьший расход топлива у серийных двигателей массового производства. При этом выброс в атмосферу двуокиси углерода составляет 80 г на один километр пробега, что также является рекордом. Да и скорость у Insight вполне приличная -- до 180 км/ч.

Но заманчивее всего было бы одновременно отказаться от потребления топлива, получаемого из ископаемых ресурсов, и полностью уничтожить вредные выбросы. Для этого нужно всего лишь использовать в ДВС кислородно-водородную смесь. Тогда и двигатель работает довольно эффективно, и в атмосферу выбрасывается безобидный водяной пар. Достаточное же количество необходимых газов можно получить электролизом, разлагая воду на составляющие. А вот энергию для электролиза в идеале должны давать солнечные батареи. Кстати, во Франкфурте именно этой проблеме были посвящены несколько стендов в экспозициях компаний Daimler-Benz и BMW. На этих фирмах уже созданы и «кислородно-водородные» автомобили, которые успешно проходят испытания.

Ну а последним «писком» в борьбе за «чистый» автомобиль, безусловно, являются топливные элементы, или, как их еще называют на английский манер, fuel cells. По оценкам экспертов, это фантастически перспективный источник энергии, -- этакая малогабаритная химическая электростанция, где электричество производится в результате разложения метанола на кислород и водород. Процесс весьма сложный, требующий применения самых современных технологий и материалов, а поэтому достаточно дорогой. Но игра, как говорится, стоит свеч, ведь в результате использования топливных элементов выброс в атмосферу углекислоты сокращается в два раза, а окиси азота при реакциях такого рода вообще не выделяются.

Проблема выбросов автотранспортом в городских условиях и аспекты решения данной проблемы

Состояние экологии одна из важнейших проблем современности. В результате своей жизнедеятельности человечество постоянно нарушает экологический баланс, происходит это при добыче полезных ископаемых, при производстве материальных и энергетических средств. Усугубляет ситуацию и то, что значительная доля загрязняющих веществ и СО выбрасывается в атмосферу в процессе эксплуатации двигателями внутреннего сгорания, применяемыми во всех сферах нашей жизни.

В странах ЕЭС на долю автотранспорта приходится до 70% выбросов оксида углерода, до 50 % - оксида азота, до 45% - углеводородов и до 90% - свинца, и это при жестких экологических требованиях к транспорту и применяемым топливам (Евро 1-4).

В России на долю автотранспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые в крупных городах - главный источник загрязнения атмосферы. В отработавших газах двигателей содержится около 280 компонентов. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 тонны топлива и около 20-30 тонн воздуха, в том числе 4,5 тонны кислорода. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/т): угарного газа - 700, диоксида азота - 40, несгоревших углеводородов - 230 и твердых веществ - 2-5. Кроме того, из-за применения этилированного бензина выбрасывается много весьма опасных для здоровья соединений свинца, в странах ЕЭС для решения этой проблемы в бензины с высокооктановым числом добавляют другие антидетонаторы.

Усугубляется положение в нашей стране и тем, что львиная доля транспорта эксплуатируемого предприятиями имеет предельный физический износ. По ряду объективных факторов не происходит морального обновления подвижного состава. Связанно это, прежде всего с экономическим положением предприятий, тем, что отечественный автопаром выпускает устаревшие модели не блещущие экономичностью, экологической и санитарной безопасностью, а иностранные марки не доступны из-за цены.

Электромобиль не роскошь, а средство выживания

Электромобиль - транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора, питаемого аккумуляторными батареями. Впервые появился он в Англии и во Франции в начале 80-х годов девятнадцатого века, то есть раньше автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание от батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего 20 ватт-часов на килограмм. В общем, чтобы питать двигатель мощностью в 20 киловатт в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Поэтому с изобретением двигателя внутреннего сгорания производство автомобилей стало стремительно набирать обороты, а об электромобилях забыли до возникновения серьезных экологических проблем. Во-первых, развитие парникового эффекта с последующим необратимым изменением климата и, во-вторых, снижение иммунитета многих людей вследствие нарушения основ генетической наследственности.

Данные проблемы были спровоцированы токсическими веществами, которые в достаточно больших количествах содержатся в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания. Решение проблем состоит в снижении уровня токсичности отработавших газов, особенно окиси и двуокиси углерода, притом, что объем производства автомобилей нарастает.

Ученые, проведя ряд исследований, наметили несколько направлений решения перечисленных задач, одной из которых является производство электромобилей. Это, по сути, первая технология, официально получившая статус нулевого выброса, и она уже представлена на рынке.

Концерн General Motors одним из первых приступил к продаже серийных электромобилей массового производства. Толчком к этому послужило калифорнийское законодательство, согласно которому автопроизводители, желающие присутствовать на рынке штата Калифорния, должны поставлять 2% автомобилей с нулевыми выбросами в атмосферу.

У нас разработкой электромобилей занимается в основном Волжский автозавод, не считая конструкторских фирм. В его арсенале «ВАЗ-2109Э», «ВАЗ-2131Э», «Эльф», «Рапан», семейство электромобилей «Гольф». Надо сказать, что эксплуатационные расходы в электромобиле существенно меньше, чем в стандартном автомобиле, требующем затраты на поддержание систем охлаждения, питания, выхлопа. Долговечность электродвигателя составляет примерно десять тысяч часов.

Таким образом, количество операций по обслуживанию электродвигателя сведено к минимуму. Например, в двигателе постоянного тока нужно только периодически менять щетки, а вот более современный трехфазный электродвигатель и синхронный электродвигатель переменного тока практически не нуждаются в обслуживании.

Если говорить об электромобилях вазовского производства, то там в качестве силового агрегата применяют два двигателя постоянного тока: мощностью 25кВт с крутящим моментом 110 Н*м и мощностью 40 кВт с крутящим моментом 190 Н*м. Двигатели первого типа, как правило, устанавливаются на легкие электромобили, такие, как «Гольф», «Ока Электро», «Эльф», а более мощные - на машины семейств ВАЗ-2108, ВАЗ-2109, «Ниву».

Почему, несмотря на бесшумность, простоту управления и нулевую эмиссию электромобиль не стал массовым средством передвижения? Главная проблема заключается в несовершенстве аккумуляторных батарей: незначительный пробег от одной зарядки, длительный цикл перезарядки и высокая цена. В настоящее время делают ставку на никель-металлогидридные и литий-ионовые аккумуляторные батареи. В России уже приступили к производству опытных партий никель-металлогидридных батарей, а вот с литий-ионовыми батареями пока только идут опытные работы.

Несмотря на эти недостатки, европейцы верят в электромобили как в средство способное очистить сильно загрязненные улицы. Станет ли электромобиль реальной альтернативой автомобилю - еще вопрос. Но его применение в мегаполисах, курортах, парках, то есть в зонах с повышенными экологическими требованиями вполне оправдано.

Диметиловый эфир

Одна из острейших экологических проблем больших городов - прогрессирующее загрязнение их воздушного бассейна вредными выбросами двигателей внутреннего сгорания (в Москве в 1986 г. - 870 тыс. т, в 1995 г. - 1,7 млн. т). Известные способы снижения токсичности двигателей, такие, как применение каталитической обработки выхлопных газов, использование альтернативных топлив типа метанола, этанола, природного газа не приводят к радикальному решению указанной проблемы.

Одним из выходов может стать приспособление двигателей к работе на новом альтернативном топливе - диметиловом эфире (ДМЭ). Его благоприятные физико-химические показатели способствуют полному устранению дымности выхлопных газов и снижению их токсичности (а также шумности).

Диметиловый эфир (CH3-O-CH3) обладает очень важными свойствами - он является газообразным при нормальных условиях и его молекулы не имеют углерод-углеродных химических связей, способствующих сажеобразованию при горении. В настоящее время ДМЭ применяется, главным образом, в качестве вытеснительного газа в аэрозольных упаковках.

В настоящее время в ряде стран отрабатываются способы приспособления двигателей к работе на ДМЭ. К примеру, в Дании уже проводятся эксплуатационные испытания приспособленных к работе на ДМЭ городских автобусов. В нашей стране работы по переводу дизелей на ДМЭ ведутся в инициативном порядке с 1996 г. в НИИД, который имеет многолетний опыт создания дизелей специального назначения. Ожидается, что в результате этой работы будет обеспечено радикальное снижение токсичности автомобильных двигателей до уровня зарубежных норм на 2000 гг.

Для создания экологически чистого автомобиля был использован «АМО ЗИЛ» 5301 («Бычок») с дизелем Д-245.12 производства Минского моторного завода. Двигатель, снабженный турбокомпрессором, имеет номинальную мощность 80 кВт при частоте вращения 2400 об/мин.

Нормы токсичности отработанных газов по правилам 49 ЕЭК ООН:

Наименование	СО, г/кВт-ч	СН, г/кВт-ч	NOx, г/кВт-ч	PT (частицы), г/кВт-ч	Дата введения

Показатели выбросов при работе по внешней характеристике:

Мощность и экономичность (в энергетическом эквиваленте) двигателя при питании его ДМЭ и ДТ оказались практически одинаковыми. На всех режимах, включая режим запуска и холостого хода, двигатель устойчиво работал на ДМЭ при полностью бездымном выхлопе (коэффициент оптической плотности К=0), в то время как при работе на ДТ наблюдался типичный для дизелей уровень дымности отработавших газов, соответствующий К=17...28 %.

Уровень абсолютных и удельных вредных выбросов при работе на ДМЭ, оцениваемый по методике Правил № 49-02 ЕЭК ООН, имел следующие особенности:

Уровень выбросов окислов азота (NOx) на всех режимах был существенно меньше, чем на ДТ. Особенно значительная разница - снижение в 2...3 раза - наблюдалась на наиболее нагруженных режимах Ne=50...100 %.

При нагрузке Ne=50...100 % на режиме максимального крутящего момента (n=1600 об/мин) уровень выбросов несгоревших углеводородов (СН) понижался на 20...70 % по сравнению с ДТ, а на режимах малых нагрузок (Ne=10...20 %) значительно превышал уровень на дизельном топливе, достигая 2000...3000 чнм.

Уровень выбросов окиси углерода (СО) при работе на ДМЭ на всех режимах превышал соответствующие величины на ДТ, достигая 1000 чнм.

По сравнению с природным газом работа двигателя на режимах внешней характеристики на ДМЭ обеспечивала уменьшение выбросов NOx - в 2,5...3,0 раза, СО - в 5...6 раз, а СН - в 3,0...3,5 раза.

Природный газ в качестве топлива для транспортного двигателя (без использования нейтрализатора) имеет преимущества лишь по сравнению с бензином. Поэтому в программах конвертирования двигателей и перехода на газовое топливо предусматривается применение 3-ступенчатых каталитических нейтрализаторов, например, фирмы J. Matthey со степенью очистки газов: от NOх - 35...80 %, от СО - 85...95 %, от СН - 50...80 %. И только в этом случае уровень вредных выбросов приближается к достигнутому при работе на ДМЭ без дополнительной очистки отработавших газов.

Снижения уровня выбросов СО и СН, зарегистрированного в опытах с ДМЭ на малых нагрузках, можно добиться путем оптимизации топливоподачи и воздухоснабжения. Применение каталитического нейтрализатора при работе двигателя на ДМЭ приведет к практически полному устранению вредных выбросов.

В плане первых мероприятий по совершенствованию рабочего процесса на режимах малых нагрузок, где наблюдается повышенный уровень выбросов СО и СН, подготовлена к проверке опытная конструкция выхлопной трассы двигателя, перепускающая часть отработанных газов мимо турбокомпрессора. Кроме того, ведется дальнейшее совершенствование топливной системы грузового автомобиля.

Проведенные исследования показали, что наиболее трудно решаемая экологическая задача значительного уменьшения выбросов окиси азота и дымности с переводом дизеля на работу на ДМЭ полностью решается. Специалисты считают, что новые жесткие нормы отработанных газов (ULEV, EURO-3) не могут быть достигнуты без применения ДМЭ.

Заключение

Сегодня крупные российские города, особенно такие мегаполисы, как Москва, С-Петербург, Екатеринбург и другие задыхаются в смраде выхлопных газов, извергаемого легковым и грузовым автотранспортом. Как решить эту проблему? Радикальные меры - полное запрещение движения машин - приведут к нарушению производственных и культурных связей городов и потому не приемлемы. Один из выходов - создание экологически чистого городского транспорта.

Возможность выхода из тупиковой ситуации путем перевода городского автопарка на электротягу не является решением вопроса, так как общий коэффициент полезного действия (КПД) электромобиля (если считать его с момента получения электрической энергии до факта движения электротранспорта) примерно вдвое ниже, чем КПД современного автомобиля, оборудованного двигателем внутреннего сгорания. Таким образом, для обеспечения возможности движения городского транспорта, базирующегося на электромобилях, придется сжигать вдвое больше органического топлива, чем это требуется для обеспечения возможности движения современного парка автомобилей. На сегодняшний день единственно рациональным путем решения сложившейся проблемы является создание машин с двигателем внутреннего сгорания, работающим в режиме минимально возможных расходов топлива с минимальной токсичностью выхлопных газов. При этом понятное дело, должны сохраняться все необходимые показатели производительности транспортной единицы, будь то легковое такси или тяжелый грузовик.

Для решения экологической проблемы транспорта необходимо создать энергоустановку (ЭУ), включающую двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и обеспечивающую возможность работы ДВС в постоянном режиме минимального удельного расхода топлива с минимальной токсичностью выхлопа. Традиционные автомобили со ступенчатой передачей энергии от ЭУ к ведущим колесам проблемы решить принципиально не могут, поскольку регулирование скорости таких транспортных средств осуществляется за счет перевода двигателя внутреннего сгорания на частичные режимы с обязательным уходом из зоны работы с минимальными расходами топлива и минимальной токсичностью выхлопа. Большинство применяемых бесступенчатых передач также радикально проблемы не решают. Наиболее известная в инженерной практике гидромеханическая передача, также как и механическая, обеспечивает регулирование скорости транспортного средства за счет перевода двигателя внутреннего сгорания на частичные режимы с отходом от зоны минимальных расходов топлива и минимальной токсичности. К тому же несколько меньший КПД таких передач ведет к некоторому увеличению расхода топлива в сравнении со ступенчатой механической передачей.

Список используемых источников

1. Спектрофотометрическое определение микроколичеств свинца (II) в аэрозольных вы-бросах автотранспорта и придорожных отложениях // Г.И. Савенко, Н.М. Малахова, А.Н. Чеботарев, М.Г. Торосян, Н.Х. Копыт, А.И. Стручаев / Вестник Инженерной академии Украины, 1998. Специальный выпуск «Инжстратегия-97». - с.76-78.

2. Саблина З.А., Гуреев А.А. Присадки к моторным топливам. - М.: Химия, 1988.- 472 с.

3. Малахова Н.М., Никипелова Е.М., Савенко Г.И. Фотометрическое определение свинца (II) в природных объектах с его предварительным сорбционным концентрированием // Химия и технология воды. - 1990. -Т. 12, №7. - С. 627 - 629.

4. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. - Л.: Химия, 1985.-456с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Пути решения экологических проблем города: экологические проблемы и загрязнения воздушной среды, почвы, радиации, воды территории. Решение экологических проблем: приведение к санитарным нормам, уменьшение выбросов, переработка отходов.

реферат , добавлен 30.10.2012


Что такое экология. Почему ухудшается экологическое состояние окружающей среды. Главные экологические проблемы современности. Основные экологические проблемы области. Как решать экологические проблемы и предотвратить загрязнение окружающей среды.

курсовая работа , добавлен 28.09.2014


Эффективность использования водных ресурсов в бассейне Волги. Современные экологические проблемы загрязнения водных ресурсов Волжского бассейна и пути их решения. Геоэкологические проблемы использования ресурсов малых рек и Волго-Ахтубинской поймы.

реферат , добавлен 30.08.2009


Характеристика экологических проблем современности. Основные экологические проблемы исследуемой области. Анализ периодических изданий по проблеме исследования. Пути предотвращения загрязнения окружающей среды: воздуха, воды, грунта. Проблема отходов.

курсовая работа , добавлен 06.10.2014


Рассмотрение устройства и принципа работы тепловых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, отличительные особенности карбюраторных и дизельных моторов. Описание химического состава отработанных газов и воздействия выбросов на окружающую среду.

презентация , добавлен 13.05.2011


Необходимость нормирования экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. Женевское соглашение, экологические стандарты различных стран мира. Требования к автомобильному топливу, сертификация ДВС в России. Пути снижения выбросов и токсичности.

курсовая работа , добавлен 09.04.2012


Основные экологические проблемы: разрушение природной среды, загрязнение атмосферы, почвы и воды. Проблема озонового слоя, кислотных осадков, парникового эффекта и перенаселения планеты. Пути решения недостатка энергетических и сырьевых ресурсов.

презентация , добавлен 06.03.2015


Основные экологические проблемы современности. Влияние хозяйственной деятельности людей на природную среду. Пути решения экологических проблем в рамках регионов государств. Pазрушение озонового слоя, парниковый эффект, загрязнение окружающей среды.

реферат , добавлен 26.08.2014


Атомные электростанции и экологические проблемы, возникающие при эксплуатации. Оценка риска от АЭС. Население и здоровье в зоне АЭС. Обеспечения радиационной безопасности. Судьба отработанного ядерного топлива. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС.

реферат , добавлен 18.01.2009


Экологические проблемы Каспийского моря и их причины, пути решения экологических проблем. Каспийское море - уникальный водоём, его углеводородные ресурсы и биологические богатства не имеют аналогов в мире. Разработка нефтегазовых ресурсов региона.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии.

ЭКОЛОГЧЕСКИЙ КРИЗИС, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

КПД тепловых двигателей < 40%, в следствии чего больше 60% теплоты двигатель отдаёт холодильнику.

При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, азотных, серных и других соединений.

Меры предотвращения загрязнений:

1.Снижение вредных выбросов.

2.Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

3.Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода, углеводороды, окислы азота, бензапирен, альдегиды и сажу.В среднем при пробеге автомобилем в год 15 тыс.км им сжигается более 2 т топлива и потребляется около 30 т воздуха. При этом в атмосферу выбрасывается около 700 кг угарного газа (СО), 400 кг диоксида азота, 230 кг углеводородов и других загрязняющих веществ, общее количество которых составляет более чем 200 наименований. Ежегодно в атмосферный воздух с отработавшими газами мобильными источниками выбрасывается около 1 млн.т загрязняющих веществ.

Некоторые из этих веществ, например, тяжелые металлы и отдельные хлорорганические соединения, стойкие органические загрязнители накапливаются в природной среде и представляют серьезную угрозу, как для окружающей среды, так и здоровья людей. При сохранении существующих темпов роста парка автомобилей прогнозируется, что к 2015 году объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух возрастет до 10% и более.

Кардинально решить проблему загрязнения атмосферы транспортом мог бы электромобиль. Сегодня наиболее широкое применение электровозы нашли на железнодорожном транспорте.

2. С экологической точки зрения в качестве топлива для автомобилей лучше всего подходит водород, который, к тому же, является самым теплотворным

3. Предпринимаются попытки создания двигателей использующих в виде топлива воздух, спирт, биотопливо и др. Но, к сожалению, пока все эти двигатели можно скорее назвать экспериментальными образцами. Но наука не стоит на месте, будем надеяться, что процесс создания экологически чистого автомобиля не «за горами»
Причины загрязнения воздуха отработавшими газами
автомобилей.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85 % «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.
В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 – производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе. Наличие в отработавших газах вредных веществ обусловлено в конечном итоге видом и условиями сгорания топлива.
Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляют около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные компоненты, как окись. Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в среднем, автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода,40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2-3 минуты после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним.
Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках у светофоров (до 6,4 мкг/100 м3, что в 3 раза больше, чем в середине квартала).
При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться, как во внешней среде, так и в организме человека.
Уровень загазованности магистралей и при магистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнённого воздуха.
Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное действие. До 50 % дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.
Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в Лос-Анджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной станции, и в воздух потянулись различные углеводороды.
Каждый автомобилист знает: вылить из шланга весь бензин в бак практически невозможно, какая-то часть его из ствола «пистолета» обязательно выплёскивается на землю. Немного. Но сколько сегодня у нас автомобилей? И с каждым годом их число будет расти, а, значит, будут увеличиваться и вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г. бензина, пролитого при заправке автомобиля, загрязняют 200 тысяч кубических метров воздуха. Самый простой путь решения проблемы – создать заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю даже одной капле бензина.

Вывод

Можно без преувеличения говорить о том, что тепловые двигатели в настоящее время являются основными преобразователями топлива в другие виды энергии, и без них был бы невозможен прогресс в развитии современной цивилизации. Тем не менее, все виды тепловых двигателей являются источниками загрязнения окружающей среды. (Кострюков Денис)

Вопрос 3. Экономическая эффективность пп и мето­ды ее определения.

Вопрос 4. Экономический ущерб от загрязнения и методы его определения

Вопрос 5. Основные направления экологизации экономики России.

Вопрос 6. Лесное хозяйство и характеристика экологических последствий лесохозяйственной деятельности. Пути экологической оптимизации отрасли.

Вопрос 7. Возникновение внешних эффектов и их учет в эколого-экономическом развитии

Вопрос 9. Направления формирования экономического механизма природопользования

Вопрос 10. Виды и формы платы за природные ресурсы.

Вопрос 11. Техногенный тип экономики и его ограничения

Вопрос 12. Эколого-экономическое развитие в концепции устойчивости хозяйственных систем

Вопрос 13. Экосфера как сложная динамическая саморегулирующаяся система. Гомеостазис экосферы. Роль живого вещества.

Вопрос 14. Экосистема и биогеоценоз: определения сходство и различия.

Вопрос 15. Биологическая продуктивность (бп) экосистем (биогеоценозов).

Вопрос 16. Взаимосвязь биологической продуктивности и экологической стабильности.

Вопрос 17. Экологические сукцессии, естественные и искусственные. Использование в практических целях.

Вопрос 18. Методы управления популяциями и экосистемами (биогеоценозами).

Вопрос 19. Региональные и локальные системы природопользования.

Вопрос 20. Традиционное природопользование и его основные виды

1. Традиционное природопользование и его основные виды.

21. Экологические проблемы энергетики и пути их решения.

21. Экологические проблемы энергетики и пути их решения.

22. Экологические проблемы промышленности и пути их решения.

23. Экологические проблемы сельского хозяйства и пути их решения.

24. Экологические проблемы транспорта и пути их решения.

25. Антропогенное воздействие на атмосферу и пути снижения негативного эффекта.

26. Антропогенное воздействие на гидросферу и пути снижения негативного эффекта.

27. Проблема рационального использования земельных ре­сурсов.

31. Роль институционного фактора в концепции устойчивого развития.

32. Антропогенные изменения климата.

33. Основные механизмы взаимодействия гидросферы и атмосферы.

34. Охрана видового и экосистемного разнообразия биосферы.

35. Современные ландшафты. Классификация и распростра­нение.

36. Вертикальная и горизонтальная структура ландшафтов.

37. Проблемы обезлесения и опустынивания.

38. Проблемы сохранения генетического разнообразия.

39. Геоэкологические аспекты глобальных кризисных ситуа­ций: деградация систем жизнеобеспечения экосферы. Ресурс­ные проблемы.

41. Экологическая экспертиза. Основные принципы. Закон рф «Об экологической экспертизе».

42. Устойчивое развитие как основа рационального природо­пользования. Решения конференции в Рио-де-Жанейро (1992) и Всемирного саммита в Йоханнесбурге (2002).

44. Роль автотранспорта в загрязнении окружающей среды.

45. Земледелие как отраслевая система природопользования.

46. Государственные природные заповедники России: статус, режим, функции, задачи и перспективы развития.

Вопрос 49. Государственные природные заповедники России: статус, режим, функции, задачи и перспективы развития.

Вопрос 51. Экологическая культура как фактор формирования и эво­люции систем природопользования.

Вопрос 52. Различия в потреблении природных ресурсов в странах разного типа.

21. Экологические проблемы энергетики и пути их решения.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

Экологические проблемы теплоэнергетики

Воздействие тепловых электростанций на окружающую среду во многом зависит от вида сжигаемого топлива.

Твердое топливо . При сжигании твердого топлива в атмосферу поступают летучая зола с частицами не­догоревшего топлива, сернистый и серный ангидри­ды, оксиды азота, некоторое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты непол­ного сгорания топлива. Летучая зола в некоторых слу­чаях содержит помимо нетоксичных составляющих и более вредные примеси. Так, в золе донецких антра­цитов в незначительных количествах содержится мы­шьяк, а в золе Экибастузского и некоторых других месторождений - свободный диоксид кремния, в золе сланцев и углей Канско-Ачинского бассейна - сво­бодный оксид кальция. К твердому топливу относятся уголь и торф.

Жидкое топливо . При сжигании жидкого топлива (мазутов) с дымовыми газами в атмосферный воздух по­ступают: сернистый и серный ангидриды, оксиды азо­та, соединения ванадия, солей натрия, а также веще­ства, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо более «гигие­ничное». При этом полностью отпадает проблема золоотвалов, которые занимают значительные территории, исключают их полезное использование и являются ис­точником постоянных загрязнений атмосферы в райо­не станции из-за уноса части золы с ветрами. В продук­тах сгорания жидких видов топлива отсутствует лету­чая зола. К жидкому топливу относится природный газ(???).

в качестве топлива на тепловых электростанциях используют уголь, нефть и нефтепро­дукты, природный газ и, реже, древесину и торф. Ос­новными компонентами горючих материалов являют­ся углерод, водород и кислород, в меньших количе­ствах содержится сера и азот, присутствуют также сле­ды металлов и их соединений (чаще всего оксиды и суль­фиды).

В теплоэнергетике источником массированных атмос­ферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются теплоэлектростанции, предприятия и установки паросилового хозяйства, т. е. любые предприятия, работа которых связана со сжиганием топлива.

Наряду с газообразными выбросами теплоэнергети­ка производит огромные массы твердых отходов; к ним относятся зола и шлаки.

Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60% SiO2, 22-26% Аl2О3, 5-12% Fe2O3, 0,5-1% CaO, 4-4,5% К2О и Nа2О и до 5% С. Они поступают в отвалы, которые пылят, дымят и резко ухудшают состояние атмосферы и прилегающих территорий.

Для электростанции, работающей на угле, требует­ся 3,6 млн т угля, 150 м3 воды и около 30 млрд м3 воздуха ежегодно. В приведенных цифрах не учтены нарушения окружающей среды, связанные с добычей и транспортировкой угля.

Если учесть, что подобная электростанция активно работает несколько десятилетий, то ее воздействие вполне можно сравнить с действием вулкана. Но если последний обычно выбрасывает продукты вулканизма в больших количества разово, то электростанция дела­ет это постоянно.

Загрязнение и отходы энергетических объектов в виде газовой, жидкой и твердой фазы распределяются на два потока: один вызывает глобальные изменения, а другой - региональные и локальные. Так же обстоит дело и в других отраслях хозяйства, но все же энерге­тика и сжигание ископаемого топлива остаются источ­ником основных глобальных загрязнителей. Они посту­пают в атмосферу, и за счет их накопления изменяется концентрация малых газовых составляющих атмосфе­ры, в том числе парниковых газов. В атмосфере появились газы, которые ранее в ней практически отсут­ствовали - хлорфторуглероды. Это глобальные заг­рязнители, имеющие высокий парниковый эффект и в то же время участвующие в разрушении озонового экрана стратосферы.

Таким образом, следует отметить, что на современ­ном этапе тепловые электростанции выбрасывают в ат­мосферу около 20% от общего количества всех вредных отходов промышленности. Они существенно влияют на окружающую среду района их расположения и на со­стояние биосферы в целом. Наиболее вредны конденса­ционные электрические станции, работающие на низ­косортных видах топлива.

Сточные воды ТЭС и ливневые стоки с их территорий, загрязненные отходами технологических циклов энер­гоустановок и содержащие ванадий, никель, фтор, фе­нолы и нефтепродукты, при сбросе в водоемы могут оказать влияние на качество воды, водные организмы. Изменение химического состава тех или иных веществ приводит к нарушению установившихся в водоеме ус­ловий обитания и сказывается на видовом составе и чис­ленности водных организмов и бактерий и в конечном счете может привести к нарушениям процессов само­очищения водоемов от загрязнений и к ухудшению их санитарного состояния.

Представляет опасность и так называемое тепловое загрязнение водоемов с многообразными нарушения­ми их состояния. ТЭС производят энергию при помощи турбин, приводимых в движение нагретым паром. При работе турбин необходимо охлаждать водой от­работанный пар, поэтому от энергетической станции непрерывно отходит поток воды, подогретой обычно на 8-12 °С и сбрасываемой в водоем. Крупные ТЭС нуждаются в больших объемах воды. Они сбрасыва­ют в подогретом состоянии 80-90 м3/с воды. Это оз­начает, что в водоем непрерывно поступает мощный поток теплой воды примерно такого масштаба, как река Москва.

Зона подогрева, образующаяся в месте впадения теплой «реки», представляет собой своеобразный уча­сток водоема, в котором температура максимальна в точке водосброса и уменьшается по мере удаления от нее. Зоны подогрева крупных ТЭС занимают пло­щадь в несколько десятков квадратных километров. Зимой в зоне подогрева образуются полыньи (в се­верных и средних широтах). В летние месяцы тем­пературы в зонах подогрева зависят от естественной температуры забираемой воды. Если в водоеме тем­пература воды 20 °С, то в зоне подогрева она может достигнуть 28-32°С.

В результате повышения температур в водоеме и нарушения их естественного гидротермического ре­жима интенсифицируются процессы «цветения» воды, уменьшается способность газов растворяться в воде, меняются физические свойства воды, ускоряются все химические и биологические процессы, протекающие в ней, и т. д. В зоне подогрева снижается прозрач­ность воды, увеличивается рН, увеличивается скорость разложения легко окисляющихся веществ. Скорость фотосинтеза в такой воде заметно понижается.

Экологические проблемы гидроэнергетики

Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энерге­тическом балансе постепенно уменьшается. Это свя­зано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнин­ных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии ГЭС не будет превы­шать 5% от общей.

Одной из важнейших причин уменьшения доли энер­гии, получаемой на ГЭС, является мощное воздействие всех этапов строительства и эксплуатации гидросоору­жений на окружающую среду.

По данным разных исследований, одним из важнейших воздействий гидроэнер­гетики на окружающую среду является отчуждение значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет ис­пользования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоп­лено не менее 6 млн га земель. На их месте уничтоже­ны естественные экосистемы.

Значительные площади земель вблизи водохрани­лищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, пере­ходят в категорию заболоченных. В равнинных усло­виях подтопленные земли могут составлять 10% и бо­лее от затопленных. Уничтожение земель и свойствен­ных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании бере­говой линии. Абразионные процессы обычно продолжа­ются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строительством во­дохранилищ связано резкое нарушение гидрологичес­кого режима рек, свойственных им экосистем и видо­вого состава гидробионтов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и дру­гие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнени­ем. Последнее, совместно с накоплением биогенных ве­ществ, создает условия для зарастания водоемов и ин­тенсивного развития водорослей, в том числе и ядови­тых сине-зеленых. По этим причинам, а также вслед­ствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению.

Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражаемость гельминтами. Снижаются вку­совые качества обитателей водной среды.

Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС.

В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитно-аккумулятивные. Кроме биогенных веществ здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактив­ные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают про­блематичной возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации.

Водохранилища оказывают заметное влияние на ат­мосферные процессы. Например, в засушливых (арид­ных) районах испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в десятки раз.

С повышенным испарением связано понижение тем­пературы воздуха, увеличение туманных явлений. Раз­личие тепловых балансов водохранилищ и прилегаю­щей суши обусловливает формирование местных вет­ров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положитель­ную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохра­нилищ приходится менять направление сельского хо­зяйства. Например в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не ус­певают вызревать, повышается заболеваемость расте­ний, ухудшается качество продукции.

Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмоопасных горных районах водохранилища могут провоцировать земле­трясения. Увеличивается вероятность оползневых яв­лений и вероятность катастроф в результате возможно­го разрушения плотин.

В силу специфики технологии использования водной энергии гидроэнергетические объекты преобразуют природные процессы на весьма длительные сроки. На­пример водохранилище ГЭС (или система водохрани­лищ в случае каскада ГЭС) может существовать десятки и сотни лет, при этом на месте естественного водо­тока возникает техногенный объект с искусственным регулированием природных процессов - природно-техническая система (ПТС).

Рассматривая воздействие ГЭС на окружающую сре­ду, следует все же отметить жизнесберегающую фун­кцию ГЭС. Так, выработка каждого млрд кВтч элект­роэнергии на ГЭС вместо ТЭС приводит к уменьшению смертности населения на 100-226 чел./год.

Проблемы ядерной энергетики

Ядерная энергетика в настоящее время может рассматриваться как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. До­статочно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива по­зволяет получать столько же энергии, сколько сжи­гание 1000 т каменного угля.

Многолетний опыт эксплуатации АЭС во всех стра­нах показывает, что они не оказывают заметного вли­яния на окружающую среду. К 1998 г. среднее время эксплуатации АЭС составило 20 лет. Надежность, бе­зопасность и экономическая эффективность атомных электростанций опирается не только на жесткую регламентацию процесса функционирования АЭС, но и на сведение до абсолютного минимума влияния АЭС на ок­ружающую среду.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в окружающую среду крайне незначительны. В среднем, они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

До Чернобыльской катастрофы в нашей стране ника­кая отрасль производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то не по радиационным при­чинам, погибло 17 человек. После 1986 г. главную эко­логическую опасность АЭС стали связывать с возмож­ностью аварии. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но она не исключается.

До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС. В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:1 - разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, во-доносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе); 2 - изъятие земель под строительство самих АЭС; 3 - изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод; 4 - не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

Несомненно, что в ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. Некоторые пути и способы их использования позволяют существенно уменьшать отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе:

1. Использование и совершенствование очистных устройств.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами.

3. Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. + Использование альтернативной энергетики

6. Использование по возможности альтернативных источников энергии.