Характеристика источников выбросов загрязняющих веществ автотранспорта в атмосферный воздух
План занятия
Вид занятия: лекция № 2
Классы______________ Дата и время_________2ч_______
Место проведения_____________
Тема: Основные направления деятельности по уменьшению загрязнения воздушного бассейна выбросами транспортных средств
Цели: ознакомить студентов со средствами и методами защиты воздушного бассейна от выбросов загрязняющих веществ транспортными средствами.
| № п./п. | Основные вопросы темы | Ориентировочно отводимое время | Организационно-методические рекомендации |
| Вводная часть | 5 мин. | проверка наличия студентов, объявление темы и цели занятия | |
| Основная часть: ВВЕДЕНИЕ 1. Характеристика источников выбросов загрязняющих веществ автотранспорта в атмосферный воздух; 2. Основные направления деятельности по уменьшению загрязнения воздушного бассейна выбросами транспортных средств | 25 мин. 25 мин. 20 мин. | последовательное раскрытие вопросов, контроль за работой студентов и ведением ими конспектов, связь с обучаемой аудиторией, формулировка выводов по лекции | |
| Заключительная часть | 5 мин. | Ответы на вопросы студентов, анализ занятия, выдача задания на самостоятельную работу |
Перечень учебных и наглядных пособий, используемых ТСО:
Плакаты:
- Типовые зависимости удельных выбросов двуокиси азота от разных типов двигателей легковых автомобилей (бензиновых (Б), дизельных (Д), газовых (СПГ));
- Типовые зависимости удельных выбросов оксида углерода от разных типов двигателей легковых автомобилей (бензиновых (Б), дизельных (Д), газовых (СПГ))
- Типовая зависимость удельных выбросов сажи от коэффициента уклона для дизельного автотранспорта
- Типовая зависимость выбросов оксида углерода от типа дорожного покрытия: АЦБ – асфальтобетон или цементобетон, ЧЩ - черная щебенка, БЩ - белая щебенка, БМ - булыжная мостовая
- Скорость движения транспортных средств без задержки на зеленый сигнал светофора
- Средняя скорость движения транспортных средств на красный сигнал светофора.
_________________________________
Перечень литературы:
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. «Экология», Москва, «ЮНИТИ», 1998.
2. Ансеров Ю.М., Дурнев В.Л. Машиностроение и охрана окружающей среды. Д.: Машиностроение, 1979. 224с. Охрана окружающей среды: Учебник для техн. спец. Вузов.
3. Бертокс П., Радд Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений. М., Мир. 1980.
4. Джигирей В.С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища. К. Знання 2002.
5. Боков В. А., Лущик А. В. Основы экологической безопасности. -Симферополь: Сонат, 1998.
6. Тищенко Н. Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. М.: Химия, 1991. 368 с.
Преподаватель кафедры РЭ и ЭБ Г.В.Кучерик
« »____________ 20__ г.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из примечательных черт нашего времени - охватившая планету автомобилизация. Только за последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 630 миллионов машин. Особенно бурно этот процесс протекал в Европе, где за полвека произошел 30-кратный скачок - с 7 до 230 миллионов автомобилей.
В развитых странах, таких, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания, на 1000 жителей приходится 500-700 автомобилей, в США - около 800. Эти впечатляющие по нашим меркам цифры (в России менее 150 автомобилей на 1000 жителей) продолжают расти, так что, скорее всего, до полного удовлетворения автомобильных потребностей жителей планеты еще далеко.
Своим беспрецедентным распространением по всему миру автомобиль обязан главным образом двигателю внутреннего сгорания (ДВС), созданному больше 100 лет назад, но до сих пор не имеющему конкурентов. При сравнительно небольшой массе он развивает значительную мощность, достаточно надежен, экономичен, работает на сравнительно недорогом топливе. ДВС гарантирует высокие скорости и хорошие тяговые свойства автомобиля в любых условиях движения.
Однако с годами, по мере роста автомобильного парка, все больше стал проявляться существенный недостаток ДВС - он оказался причиной значительного загрязнения атмосферного воздуха, особенно в крупных городах. При большом скоплении автомобилей количество выбрасываемых с выхлопными газами вредных веществ становится недопустимо большим. В Лондоне, например, уже в шестидесятые годы из-за смога, образованного выхлопными газами автомобилей, отмечались случаи резкого роста смертности людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. В семидесятых годах загазованность улиц Токио была так велика, что регулировщики движения часто стояли на посту в противогазах.
И в Украине автомобильный транспорт стал одним из главных загрязнителей атмосферы. Его вредные выбросы во многих городах в 4-5 раз превышают загрязнение воздуха промышленными предприятиями. Вот типичные цифры, иллюстрирующие масштабы бедствия: в 1993 году с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца.
Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы ДВС.
Рисунок 1 Схема и масштабы воздействия автомобилей на окружающую среду
Характеристика источников выбросов загрязняющих веществ автотранспорта в атмосферный воздух
К негативным влияниям автодорог относятся: загрязнение среды отработанными газами, твердыми выбросами, шумом, вибрацией, пылью от износа покрытий и тому подобное, а также изменения ландшафта и ряд других.
В состав выбросов от автомобилей входит около 200 химических соединений, которые в зависимости от особенностей воздействия на организм человека подразделяют на 7 групп.
В 1-ю группувходят химические соединения, содержащиеся в естественном составе атмосферного воздуха: вода (в виде пара), водород, азот, кислород и диоксид углерода. Автотранспорт выбрасывает в атмосферу такое огромное количество пара, что в Европе и Европейской части России оно превышает по массе испарения всех водоемов и рек. Из-за этого растет облачность, а число солнечных дней заметно снижается. Серые, без солнца, дни, непрогретая почва, постоянно повышенная влажность воздуха - все это способствует росту числа вирусных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Во 2-ю группувключен оксид углерода (ПДК 20 мг/м3; 4 кл.). Это бесцветный газ без вкуса и запаха, очень слабо растворимый в воде. Вдыхаемый человеком, он соединяется с гемоглобином крови и подавляет его способность снабжать ткани организма кислородом. В результате наступает кислородное голодание организма, и возникают нарушения в деятельности центральной нервной системы. Последствия воздействия зависят от концентрации оксида углерода в воздухе; так, при концентрации 0,05% через 1 ч появляются признаки слабого отравления, а при 1% наступает потеря сознания после нескольких вдохов.
В 3-ю группувходят оксид азота (ПДК 5 мг/м3, 3 кл.) - бесцветный газ и диоксид азота (ПДК 2 мг/м3, 3 кл.) - газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Указанные газы являются примесями, способствующими образованию смога. Попадая в организм человека, они, взаимодействуя с влагой, образуют азотистую и азотную кислоты (ПДК 2 мг/м3, 3 кл.). Последствия воздействия зависят от их концентрации в воздухе, так, при концентрации 0,0013% происходит слабое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, при 0,002% - образование метагемоглобина, при 0,008% - отек легких.
В 4-ю группувходят углеводороды. К наиболее опасным из них относится 3,4-бенз(а)пирен (ПДК 0,00015 мг/м3, 1 кл.) - мощный канцероген. При нормальных условиях это соединение представляет собой иглообразные кристаллы желтого цвета, плохо растворимые в воде и хорошо - в органических растворителях. В сыворотке человека растворимость бенз(а)пирена достигает 50 мкг/мл.
В 5-ю группувходят альдегиды. Наиболее опасны для человека акролеин и формальдегид. Акролеин - альдегид акриловой кислоты (ПДК 0,2 мг/м3, 2 кл.), бесцветная, с запахом пригорелого жира и весьма летучая жидкость, хорошо растворяющаяся в воде. Концентрация 0,00016% является порогом восприятия запаха, при 0,002% запах трудно переносим, при 0,005% непереносим, а при 0,014 через 10 мин наступает смерть. Формальдегид (ПДК 0,5 мг/м3, 2 кл.) - бесцветный с резким запахом газ, легко растворяющийся в воде.
При концентрации 0,007% вызывает легкое раздражение слизистых оболочек глаз и носа, а также верхних органов дыхания, при концентрации 0,018% осложняется процесс дыхания.
В 6-ю группувходит сажа (ПДК 4 мг/м3, 3 кл.), которая оказывает раздражающее воздействие на органы дыхания. Исследования, проведенные в США, выявили, что 50...60 тыс. человек умирают ежегодно от загрязнения воздуха сажей. Было выяснено, что частички сажи активно адсорбирует на своей поверхности бенз(а)пирен, вследствие этого резко ухудшается здоровье детей, страдающих респираторными заболеваниями, лиц, больных астмой, бронхитом, воспалением легких, а также людей престарелого возраста.
В 7-ю группувходят свинец и его соединения. В бензин в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец (ПДК 0,005 мг/м3, 1 кл.). Поэтому около 80% свинца и его соединений, загрязняющих воздух, попадают в него при использовании этилированного бензина. Свинец и его соединения снижают активность ферментов и нарушают обмен веществ в организме человека, а также обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме.
В Украине учитывают 3 основных ингредиента химического влияния (NО2, СО, СхНу).
Во время движения автомобиля скоростные и нагрузочные режимы непрерывно меняются, но двигатель должен работать устойчиво, даже без кратковременных перебоев при резких изменениях нагрузки и частоты вращения, переключении передач, работе на холостом ходу. На всех режимах оптимальный (насколько это возможно) состав горючей смеси обеспечивают приборы системы питания.
Что же происходит в камере сгорания автомобильного двигателя? Как образуются доставляющие всем столько хлопот вредные вещества в отработавших газах? Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. По химическому составу топлива можно подсчитать, какое количество воздуха нужно для его полного сгорания. Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,85 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена. В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше - бедной.
При средних нагрузках основное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь. При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания. Это оксид углерода и несгоревшие углеводороды, среди которых особую опасность представляют ароматические, в частности бензапирен, способствующий возникновению онкологических заболеваний. Кроме того, входящий в состав воздуха азот при высоких температуре и давлении в цилиндрах двигателя реагирует с остаточным кислородом. В результате образуются оксиды азота - еще одна вредная составляющая выхлопных газов.
Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы: сажу, аэрозоли масла и несгоревшего топлива, продукты износа двигателя. Если сажи много, выхлопные газы делаются видимыми - двигатель дымит. Токсичные вещества образуются и при применении топлива с некоторыми присадками и примесями: это свинец, присутствующий в этилированном бензине, и сернистый ангидрид - продукт сгорания дизельного топлива, содержащего серу.
Основные факторы, которые влияют на массу выбросов при той или иной скорости движения автомобиля – это тип двигателей, уклон дороги, тип дорожного покрытия, режим движения.
Типовые зависимости выбросов двуокиси азота и оксида углерода от разных типов двигателей легковых автомобилей приведены на рисунках 2 и 3.
Рис. 2. Типовые зависимости удельных выбросов двуокиси азота от разных типов двигателей легковых автомобилей
(бензиновых (Б), дизельных (Д), газовых (СПГ))
Рис. 3. Типовые зависимости удельных выбросов оксида углерода от разных типов двигателей легковых автомобилей
(бензиновых (Б), дизельных (Д), газовых (СПГ))
Из рисунка 3 видно, что понижение средней скорости движения до 60 км/ч обусловливает уменьшение выбросов СО, СхНу, сажи в 2 раза.
Типовая зависимость выбросов сажи от коэффициента уклона дороги для дизельного автотранспорта приведены на рисунке 4.
Рис. 4. Типовая зависимость удельных выбросов сажи от коэффициента уклона для дизельного автотранспорта
Из рисунка видно, что увеличение уклона с 0 до 3 % обусловливает увеличение концентрации сажи в 5...7 раз.
На рисунке 5 представлена зависимость выбросов СО от различных типов двигателей легковых автомобилей (бензиновых, дизельных и на природном газе) в зависимости от типа дорожного покрытия (асфальтобетон или цементобетон; черного щебеночного покрытия, белого щебеночного покрытия или булыжной мостовой).
Рис. 5. Типовая зависимость выбросов оксида углерода от типа дорожного покрытия: АЦБ – асфальтобетон или цементобетон, ЧЩ - черная щебенка,