Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Формирование природного каркаса в генеральных планах городов. Учебно-методическое пособие.pdf
Вокруг каждого промышленного предприятия, имеющего выбросы вредных веществ в
,
0
0
P
P
L
I
1000
II
500
III
300
IV
100
V
50
воздух, устанавливается СЗЗ, внутри которой запрещено размещение жилой застройки, детских, медицинских и культурных учреждений. Размеры СЗЗ регламентируются СанПиН
2.2.1/2.1.1.1200–03 в зависимости от класса предприятия:
класс предприятия СЗЗ, м
Например, к I классу предприятий относятся предприятия: по производству азота, анилиновых
красителей, целлюлозы, использующие способы производства, основанные на сжигании серы
или серосодержащих материалов, искусственного и синтетического волокна; по переработке
нефти и природного газа, горючих сланцев, полимерных материалов, искусственного и синтетического каучука, битума, минеральных удобрений, химико-фармацевтических препаратов,
пестицидов; комбинаты черной металлургии с объемом производства более 1 млн т в год;
комбинаты по переработке цветных металлов и производству глинозема, цемента, асбеста;
санкционированные свалки ТБО; поля фильтрации с объемом стоков более 50 тыс. м3/сут;
мусоросжигательные и мусороперерабатывающие заводы мощностью более 40 тыс. т/год и
некоторые другие.
ТЭЦ, ТЭС и крупные объекты теплоэнергетики эквивалентной электрической мощностью 600 мВт и выше, использующие в качестве топлива уголь и мазут, относятся к предприятиям I класса, работающие на газовом и газомазутном топливе — к предприятиям II
класса. При установлении минимальной величины СЗЗ от всех типов котельных тепловой
мощностью менее 200 кКал, работающих на твердом, жидком и газообразном топливе, необходимо определение расчетной концентрации в приземном слое и по вертикали с учетом высоты жилых зданий в зоне максимального загрязнения атмосферного воздуха от котельной
(10–40 высот трубы котельной), а также акустических расчетов. СЗЗ при расчетных значениях
ожидаемого загрязнения атмосферного воздуха в пределах ПДК в приземном слое и на различных высотах прилегающей жилой застройки не должна быть менее 50 м.
Основным условием определения размеров СЗЗ является то, что максимальная концентрация всех вредных веществ за ее границей не должна превышать ПДК. Следует иметь в
виду, что СЗЗ, определяемая по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200–03, имеет круговую форму (относительно источников выбросов), поэтому ее размеры должны быть откорректированы с учетом
розы ветров по формуле
L (длина СЗЗ по румбу) =
где L0 — размер СЗЗ по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200–03, м;
Р — повторяемость ветров данного румба по действительной розе ветров, %;
Р
— повторяемость ветров при круговой розе ветров, P0 = 12,5 %, потому что расчет ве-
0
дется обычно по восьми румбам (100/8 = 12,5).
В настоящее время природоохранные органы требуют, чтобы карты распределения загрязнений и расчеты СЗЗ для предприятий со значительными выбросами вредных веществ в
воздух выполнялись по компьютерным программам «Интеграл», «Эколог» и др.
Пример расчета предельно допустимых выбросов вредного вещества котельной,
работающей на мазуте
Вредные выбросы котельной: оксид углерода (СО); оксид азота (NO2); двуокись серы
(SO2); пятиокись ванадия (V2O5); зола.
31
Высота дымовой трубы 35 м, диаметр устья трубы D = 1,4 м, скорость выхода газовоз-
2
3
1
СО
(5 2) 35 Δ
ПДВ ;
140 2,5 1 1 1
V Т−⋅
=
⋅ ⋅⋅⋅
/см 10,87
4
1,43,14
4
π
3
2
0
2
1
=
⋅
=
⋅
= w
D
V
100;25125Δ =−=T
3
СО
(5 2) 35 10,8 100
ПДВ 107,1 мг/с.
140 2,5 1 1 1
−⋅
= =
⋅ ⋅⋅⋅
.мг/м 0,00477
10010,835
1112,50,214140
3
3
2
=
⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
=
m
C
,α
4
5HF
X
m
⋅
−
=
;27,1
35
4,17
3,1 800 28,0131 800 28,01 48,2
3
3
3
3
0
=
⋅
+=
+=α
H
DW
,
м. 27,83527,1
4
2,55=⋅−
=
m
X
0,262;0,3750,1250,012
27,8
6,95
6
27,8
6,95
8
27,8
6,95
3
234
6,95
=+−=
+
−
=S
душной смеси w0 = 7 м/с. Температура газовоздушной смеси 125 °С, средняя температура
самого жаркого месяца 25 °С. Местность, на которой расположена котельная, ровная, с перепадом высот менее 25 м (Москва). ПДК: СО — 3 мг/м3; NO2 — 0,085 мг/м3; SO2 — 0,5 мг/м3;
V2O5 — 0,002 мг/м3; зола — 0,5 мг/м3.
Фоновые концентрации Сф указанных веществ по данным санитарно-эпидемиологической службы составляют соответственно 2; 0,03; 0,2; 0,0005; 0,01 мг/м3; степень очистки
пылегазоочистного оборудования 80 %; коэффициент стратификации А = 140; m и n — безразмерные коэффициенты, определяемые условиями выхода газовоздушной смеси из источника. В случае трубы с круглым устьем m и n равны 1.
Пример расчета ПДВ проводится по формуле (1) для выбросов СО, а так как СО — летучий газ, следовательно, F = 2,5:
;
Коэффициент пересчета мг/с в т/год составит 0,000864. ПДВСО = 0,1071 г/с, или 0,0925 т/год.
Далее следует рассчитать максимальную концентрацию (Мх) вредного вещества в приземном слое воздуха и построить кривую распределения концентрации загрязнения по оси
факела. Мх — замеренное количество какого-либо вредного вещества, выбрасываемого из
источника загрязнения в граммах за 1 секунду, Мх = 0,214 г/с.
Максимальная концентрация вредного вещества в приземном слое рассчитывается по
формуле (2):
Расстояние от источника загрязнения, на котором наблюдается Сm, определяется по
формуле
где
Для построения эпюры распределения загрязняющего вещества по факелу следует определить концентрацию вредных веществ на расстояниях 0,25Хm; 0,5Хm; 0,75Хm; 2Хm; 4Хm; 6Хm;
Х1 = 6,95 м;
32
Х2 = 13,9 м;
0,949;3,3753,3750,949
27,8
20,8
6
27,8
20,8
8
27,8
20,8
3
234
20,8
=+−=
+
−
=S
0,743;
120,13
1,13
2
55,6
=
+⋅
=S
0,367;
140,13
1,13
2
111,2
=
+⋅
=S
0,119.
160,13
1,13
2
166,8
=
+⋅
=S
432
13 9
13 9 13 9 13 9
3 8 6 0 187 1 1 5 0 687;
27 8 27 8 27 8
,
,,,
S ,
,,
,,,
= − + = −+ =
Х3 = 20,8 м;
Х4 = 55, 6 м;
Х5 = 111,2;
Х6 = 166,8;
Следовательно, концентрацию загрязняющего вещества на расчетном расстоянии Сх
можно рассчитать:
𝐶
= 0,00477 ⋅ 0,262 = 0,00125 мг/м3; 𝐶
𝑥
1
𝐶
= 0,00477 ⋅ 0,949 = 0,00453 мг/м3; 𝐶
𝑥
3
𝐶
= 0,00477 ⋅ 0,367 = 0,00175 мг/м3; 𝐶
𝑥
5
= 0,00477 ⋅ 0,687 = 0,00328 мг/м3;
𝑥
2
= 0,00477 ⋅ 0,367 = 0,00354 мг/м3;
𝑥
4
= 0,00477 ⋅ 0,199 = 0,00095 мг/м3.
𝑥
6
Рис. 1. График затухания загрязнения с расстоянием от оси факела
Затем следует построить эпюру распределения концентраций (лучше на миллиметровке)
и на графике (рис. 1) выделить зоны загрязнения: I — зона выброса; II — зона максимальной
концентрации; III — зона релаксации. Затем по заданной розе повторяемости ветров необходимо рассчитать длину санитарной зоны защиты L по каждому румбу и построить кривую
розы ветров по восьми румбам. После этого с учетом построенной кривой релаксации загрязняющего вещества от оси факела и рассчитанных L каждого румба следует сделать вы-
вод о размере СЗЗ данного предприятия (с учетом ПДК).
33
4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
ОТ ДВИЖУЩИХСЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ
Автомобильный парк, являющийся одним из основных источников загрязнения окружающей среды, сосредоточен в основном в городах. Если в среднем в мире на 1 км2 территории
приходится 5 автомобилей, то их плотность в крупнейших городах развитых стран более чем
в 300 раз выше.
Во всех странах растет концентрация населения в крупных городских агломерациях, а с
развитием городов все большую актуальность приобретает охрана окружающей городской
среды и населения от негативного воздействия городского, особенно автомобильного, транспорта. В настоящее время в мире насчитывается более 1 млрд легковых автомобилей, более
100 млн грузовых автомобилей, и примерно 1 млн городских автобусов.
Автомобили сжигают значительное количество ценных нефтепродуктов, нанося ощутимый вред окружающей среде, главным образом атмосфере. Поскольку основная масса автомобилей сконцентрирована в крупных (и крупнейших) городах, воздушная среда этих городов не только обедняется кислородом, но и сильно загрязняется вредными компонентами
отработавших газов. Согласно данным статистики в США, все виды транспорта дают 60 %
общего количества загрязнений, поступающих в атмосферу, промышленность — 17 %, энергетика — 14 %, остальные 9 % приходятся на отопление зданий и других объектов и уничтожение отходов.
С одной стороны, автомобиль облегчил человеку жизнь, а с другой — отравляет ее в
прямом смысле слова. Специалисты установили, что один легковой автомобиль ежегодно
поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг угарного газа (СО), около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных
углеводородов. Если умножить эти цифры на 1 млрд единиц мирового парка только легковых автомобилей, можно представить себе степень угрозы, таящейся в чрезмерной автомобилизации.
Увеличение количества взвешенной в воздухе и осевшей на поверхности пыли объясняется повышенным износом асфальтового покрытия автомобильных дорог вследствие применения шипованных шин.
Во многих крупных городах мира остро стоит проблема городского транспорта. Транспортные потоки увеличиваются вместе с ростом городов из-за стихийного, не подчиненного
рациональному градостроительному планированию размещения селитебных и промышленных зон. При этом распространение пригородного образа жизни ведет к увеличению числа
частных автомобилей, что делает передвижение по городу в часы пик слишком медленным.
Для ускорения движения сооружают грандиозные дорогостоящие системы скоростных автомобильных трасс, получившие наиболее широкое развитие в США и Японии. В стремлении
сократить затраты средств на приобретение земельных участков японские инженеры проложили значительную часть таких трасс на мощных железобетонных опорах вдоль русел рек и
каналов. Поэтому там, где эстакады скоростных автотрасс идут по суше, их опоры местами
подняты на высоту 20–25 м, а пролеты переброшены прямо над кровлями домов.
Эти инженерные решения вошли новым элементом в городской ландшафт. Однако, «собирая» движение с окружающих территорий, скоростные дороги лишь временно на какое-то
время решают транспортную проблему города. Вскоре эти коммуникационные каналы оказываются переполненными (так случилось в Москве через несколько месяцев после ввода в
эксплуатацию 3-го транспортного кольца). Общий хаос, причина которого — отсутствие
возможности рационального регулирования и территориального упорядочивания социальных и экономических процессов, оказывается сильнее самых смелых инженерных решений.
34
В Японии из-за небольших размеров территории на единицу площади приходится в 5 раз
больше автомобилей, чем в США, в результате такой концентрации автотранспорта загрязнение воздуха достигло критического уровня. Регулировщики уличного движения в центре
Токио работают в кислородных масках, сменяются каждые 2 часа, проходя «реанимацию» в
специальных боксах, куда поступает очищенный воздух.
Существует много технических и планировочных приемов выравнивания транспортной
нагрузки на магистральной сети города. Прежде всего следует равномерно размещать основные зоны приложения труда и жилые районы, а также места отдыха и центры культурнобытового обслуживания. Одновременно наиболее загруженные участки транспортной сети
можно дублировать новыми линиями.
Магистральные улицы в городах составляют примерно 20–30 % общей протяженности
всех улиц и проездов. На них сосредоточивается до 60–80 % всего автомобильного движения, т.е. магистрали в среднем загружены примерно в 10–15 раз больше, чем остальные улицы и проезды.
Создание в городе сети магистралей скоростного движения позволяет существенно увеличить скорости общественного транспорта и легковых автомобилей, повысить ее пропускную способность, сократить число дорожно-транспортных происшествий, изолировать жилые районы и общественные центры от концентрированных потоков транспортных средств.
Но магистраль скоростного движения — это дорогостоящее сооружение; ее строительство
может быть эффективным только на направлениях, обеспечивающих мощные и устойчивые
транспортные потоки с относительно большой в пределах города дальностью поездок, при
которой ощутим выигрыш от увеличения скорости движения. Поэтому такие магистрали
строят лишь в крупных городах с полицентрической структурой и растянутой территорией.
При строительстве и реконструкции городов проектировщики стремятся ограничить количество автомобилей, въезжающих в городские центры, разрабатывая новые системы регулирования уличного движения, сводящие к минимуму возможность образования транспортных пробок. Это очень важно, потому что останавливаясь и вновь набирая скорость, автомобиль выбрасывает в воздух в несколько раз больше вредных веществ, чем при равномерном
движении. Эффективными профилактическими мероприятиями безусловно являются расширение улиц, создание между проезжей частью и жилыми домами «фильтров» — экранов и
зеленых насаждений.
Для снижения негативного воздействия автомобильного транспорта требуется вынос из
городской черты грузовых транзитных потоков. Данное требование зафиксировано в действующих строительных нормах и правилах, но практически не всегда соблюдается. «Город
без автомобиля» мыслится как сочетание широких транспортных магистралей, где предоставляется простор для автомобильного движения, с микрорайонами, куда въезд транспорта
запрещен или предельно ограничен и где люди двигаются только пешком.
Эффективным мероприятием по снижению отрицательного влияния автомобильного
транспорта на горожан является организация пешеходных зон с полным запретом въезда
транспортных средств на жилые улицы. Менее эффективное, но более реальное мероприятие —
это введение системы пропусков, дающих право на въезд в пешеходную зону только автомобилям, владельцы которых живут в конкретной зоне жилой застройки. При этом должен
быть полностью исключен проезд автотранспорта через жилой квартал.
Развитие общественного транспорта в городах обусловливает необходимость поиска путей оптимального использования городских территорий, так как известно, что для перевозки
одного пассажира в трамвае требуется 0,9 м2, автобусе — 1,1 м2, а в легковом автомобиле —
свыше 20 м2 городской территории.
35
В наших городах (в частности в Москве) подавляющая часть автомобилей часто размещается во дворах жилых домов, на зеленых газонах и площадках отдыха и даже на придомовых тротуарах. Это обстоятельство ухудшает условия проживания населения. Кроме того,
автомобили оставляют также на проезжей части улиц, что затрудняет городское движение и
становится одной из причин дорожно-транспортных происшествий. Подобные «стоянки» занимают огромные площади городской территории, портят внешний облик городов.
Размеры земельных участков, отводимых под площадки для стоянки и хранения автомобилей и других транспортных средств, принимают (на одно место): для легковых автомобилей — 25 м2, мотоциклов с коляской — 8 м2, без коляски — 3 м2, для велосипедов — 0,9 м² (в
указанные размеры не входит площадь земельных участков для устройства подъездов и зеленых насаждений).
Прогрессивной тенденцией в решении проблемы хранения индивидуального автотранспорта является сооружение многоэтажных кооперативных гаражей и гаражей-гостиниц. Если
при одноярусном способе хранения (в одноэтажных гаражах, боксах, на открытых стоянках)
на один автомобиль в среднем требуется 25–30 м2 земельного участка, то при хранении в многоярусных гаражах — не более 15 м2 (вместе с проездами, подъездами, накопительными площадками и защитными зелеными насаждениями). Наиболее приемлемым типом сооружения
для хранения автомобилей является многоярусный гараж-стоянка на 500–1000 машино-мест.
Говоря о подземных гаражах, нельзя не сказать о подземных пешеходных переходах.
Как известно, автомобили «газуют» в основном у светофоров, работая на холостом ходу. Создание подземных переходов позволяет разгрузить многие перекрестки, где задерживается
автотранспорт. Разветвленная сеть подземных тоннелей для пешеходов под улицами и площадями уменьшает негативное воздействие автотранспорта на городскую среду.
Вследствие нехватки гаражей тысячи индивидуальных автомобилей хранятся на открытых площадках и во дворах жилых застроек. Положение усугубляется тем, что сеть ремонтных служб для автомобилей личного пользования недостаточно развита. Это вынуждает владельцев машин производить ремонт своими силами, но без учета экологических последствий. Например, из-за нехватки моечных пунктов мойку автомобиля зачастую выполняют
на берегу водоема. Автолюбители пользуются синтетическими моющими средствами, которые представляют опасность для водного пространства.
Одним из важных факторов защиты водоемов от вредных выбросов автомобилей являются мероприятия, проводимые на автозаправочных станциях (АЗС). Увеличение производительности АЗС достигается благодаря принципиально новой планировке, которая обеспечивает возможность одновременного использования всех топливораздаточных колонок
(ТРК). Это создает условия для визуального контроля процесса заправки оператором станции и значительно расширяет зону, где можно дождаться очереди на заправку, не загромождая проезжую часть дороги.
Во вновь строящихся и перепланируемых заправочных станциях обязательно необходимо
устраивать водопровод, канализацию, а также сооружения для очистки ливневых вод. Дождевые стоки с территории АЗС собираются в водоприемные колодцы с решетками и поступают в колодец-ливнесброс, оборудованный переливной стенкой при станции, а остальная
часть сбрасывается в городскую водосточную сеть. Из колодца-ливнесброса на очистку поступает загрязненная вода дождевого стока с территории, поэтому для задержания наиболее
крупных минеральных загрязнителей устраивается песколовка, после которой стоки поступают в вертикальный отстойник. Эти очистные сооружения обеспечивают остаточное содержание нефтепродукта в воде после фильтрации не выше 4 мг/л, что удовлетворяет санитарным требованиям.
36
Загрязнение 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, выбрасывая их в атмосферу. Даже нейтральный азот (N2) из атмосферного
воздуха, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые оксиды азота. В отработавших
газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов,
из них около 160 — производные углеводородов, 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 техногенного 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 угарный газ (СО), углеводороды,
оксиды азота (NO, NO2) и серы (SO2), а также аэрозоли твердых частиц. Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др.
Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обусловливается главным
образом содержанием СО и оксидов азота, а дизельных двигателей — окислов азота и сажи.
К числу опасных компонентов относятся и твердые выбросы, содержащие свинец и сажу, на
поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из которых обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей городской среде твердых выбросов отличаются от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра
эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном итоге накапливаются в верхнем слое
почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и могут распространяться с воздушными массами даже на большие расстояния.
В таблице основных загрязнителей воздушной среды, составленной ООН, угарный газ (СО),
помеченный силуэтом автомобиля, стоит на втором месте. 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
СО, 40 кг оксидов азота и более 200 кг различных углеводородов; в этом наборе весьма коварна окись углерода — из-за ее высокой концентрации в атмосферном воздухе ПДКСО не
должна превышать 3 мг/м3, особенно в замкнутом объеме. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража.
В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через
2–3 мин после включения стартера. В холодное время года, остановившись для ночлега на
обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Изза проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним. Оксиды азота достаточно токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработавших газов являются канцерогенные углеводороды (прежде всего бензо(α)пирен), обнаруживаемые, в первую очередь, на перекрестках 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 примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автотранспорта, ширины и рельефа улицы, скорости
37
ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация СО 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 загрязненного воздуха. На скорость
распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно
влияют температурные инверсии, которые в основном характерны для Севера европейской
части России, Сибири, Дальнего Востока, и возникают, как правило, при штилевой погоде
(75 % случаев) или при слабых ветрах (от 1 до 4 м/с).
Инверсионный слой обычно выполняет роль защитного экрана, от которого на землю
отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз. Из соединений металлов, входящих в состав твердых 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 опасное действие. До 50 % дневного поступления
свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.
Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходят не только при работе
автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в г. ЛосАнджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 т бензина, а повинен в этом не столько
автомобиль, сколько человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли
плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на АЗС, и в воздух
потянулись различные углеводороды. С каждым годом число автомобилей будет только расти, а значит, будут увеличиваться вредные испарения в атмосферу. Лишь 300 г пролитого
бензина загрязняют 200 тыс. м3 воздуха.
Самый простой путь решения проблемы — создать заправочные автоматы новой конструкции, не позволяющие пролиться на землю даже одной капле бензина.
Альтернативные виды топлива. В настоящее время двигатель внутреннего сгорания
остается основной движущей силой автомобиля, в связи с этим единственный путь решения
энергетической проблемы автомобильного транспорта — создание альтернативных видов
топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы и низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно
меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др.
В значительно бóльших масштабах в качестве топлива для автомобилей будут использоваться заменители нефти: метанол, этанол и синтетические топлива, получаемые из углей.
Их применение поможет существенно снизить токсичность и негативное воздействие автомобиля на окружающую среду.
Среди альтернативных видов автомобильного топлива безусловно в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только
как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства — высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, а недостаток — пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в
1,5–2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднен запуск двигателя.
Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить подверженные
38
коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо
предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы автомобиля.
Сделать двигатель «чистым» нетрудно, но далеко на таком «горючем» не уедешь. Американские специалисты предложили заменить сжатый воздух жидким азотом. Они даже разработали конструкцию автомобиля, в котором азот, расширяясь при испарении, будет толкать 3 поршня двигателя, а чтобы процесс испарения шел активнее, азот предлагалось
впрыскивать в особую подогревательную камеру, где сжигается небольшое количество дизельного топлива. Такая схема при достаточной мощности обеспечит запас хода до 500 км.
Уголь — самый распространенный из невозобновляемых источников энергии. Еще в 30-е гг.
ХХ в. из-за недостатка нефти в Германии было налажено производство синтетического
автомобильного топлива из угля. Был даже период, когда за его счет удовлетворялось около
50 % потребности страны в бензине и дизельном топливе, однако к 1953 г. почти все установки по получению синтетического топлива в Европе были закрыты из-за нерентабельности, что объяснялось низкими ценами на импортируемую нефть. В настоящее время интерес
к синтетическому топливу из угля вновь проявляется во многих странах.
В последнее время широкое распространение получила идея использования чистого
водорода в качестве альтернативного топлива. Интерес к водородному топливу объясняется
тем, что в отличие от других это самый распространенный в природе элемент. Водород —
один из главных претендентов на звание топлива будущего. Для получения водорода могут
быть применены различные термо-, электро- и биохимические способы с использованием
энергии Солнца, атомных и гидравлических электростанций и т.д. Экологические преимущества водорода доказаны в ходе различных испытаний. Например, проведенные фирмой
«Дженерал Моторс» сравнительные испытания 63 экспериментальных автомобилей, работающих на всевозможных видах топлива, выявили, что у водородного «Фольксвагена» отработавшие газы менее вредные, чем всасываемый двигателем воздух.
В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород
невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой массы. Более реальный вариант — использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходимо устанавливать
дорогостоящие криогенные баки со специальной термоизоляцией.
Борьба с загрязнениями от автомобильных выбросов. Основным источником углеводородов, СО, оксидов азота, приводящих к повышению приземного содержания О3 и пероксиацилнитратов, признаны выхлопные газы транспортных средств. Наблюдения показали, что в
домах, расположенных рядом (до 10 м) с большой дорогой, жители болеют раком в 3–4 раза
чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Кроме того, транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.
Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработав-
шие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.
Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов,
зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от двигателя — источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО
увеличиваются в 4–5 раз.
Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха достаточно токсичными соединениями свинца.
Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом
39
выхлопной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5–3,0 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине. Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.
Выхлопные газы газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) содержат такие ток-
сичные компоненты, как оксид углерода, азота, углеводороды, сажа, альдегиды и др. Содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя ГТДУ. Высокие концентрации углерода и углеводородов характерны для работы двигателя внутреннего сгорания (при холостом ходе, рулении, приближении к аэропорту,
заходе на посадку), тогда как содержание азота существенно возрастает при работе на режимах, близких к номинальному (взлет, набор высоты, полетный режим).
Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами с ГТДУ непрерывно
растет, что обусловлено повышением расхода топлива до 20–30 т/ч и неуклонным ростом
числа эксплуатируемых самолетов. Отмечается влияние ГТДУ на озоновый слой и накопление углекислого газа в атмосфере.
Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГТДУ оказывают в аэропортах и зонах,
примыкающих к ним. Сравнительные данные о выбросах вредных веществ в аэропортах показывают, что поступления от ГТДУ в приземный слой атмосферы составляют: СО — 55 %,
оксиды азота — 77, углеводороды — 93 и аэрозоли — 97 %. Остальные выбросы выделяют
наземные транспортные средства с ДВС.
Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками
происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете, при наземных испытаниях в процессе их производства или после ремонта, при хранении и транспортировании
топлива. Состав продуктов сгорания при работе таких двигателей определяется составом
компонентов топлива, температурой сгорания, процессами диссоциации и рекомбинации молекул. Количество продуктов сгорания зависит от мощности (тяги) двигательных установок.
При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются пары воды, углерода,
хлор, пары соляной кислоты, азота, а также твердые частицы Аl2О3 со средним размером
0,1 мкм (иногда до 10 мкм).
При старте ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный
слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов.
В связи с интенсивным использованием авиационных и ракетных двигателей в различных отраслях хозяйственной деятельности существенно возрос общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5 % токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.
Кратко охарактеризуем основные технологические направления решения проблемы
уменьшения загрязнения окружающей среды автотранспортом.
Совершенствование двигателя внутреннего сгорания. Это технически вполне реальное
направление может снизить удельное потребление топлива на 10–15 %, а также уменьшить
объемы выхлопов на 15–20 %. В частности, это каталитический преобразователь, включенный в систему выпуска автомобиля до глушителя. В нем располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем платинированного катализатора. Когда выхлопные газы проходят через преобразователь, катализатор стимулирует
окисление углеводородов и СО до СО2.
Безусловно, этот путь может стать достаточно эффективным в самое ближайшее время,
так как не требует серьезных перестроек ни в автомобилестроении, ни в системе обслужива-
40