Министерство образования Российской Федерации

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра общей экологии и безопасности жизнедеятельности.

Расчет выбросов загрязняющих веществ автотранспорта в атмосферный воздух.

Методические указания для выполнения практических занятий по курсу «Экология» для студентов всех специальностей и дипломного проектирования

Новокузнецк

2003

УДК 628.511

Рецензент – кафедра теплофизики и промышленной экологии СибГИУ (зав. кафедрой С.Г.Коротков).

Работа включает расчет массы выбросов загрязняющих веществ легковыми автомобилями, грузовыми автомобилями и автобусами в атмосферный воздух.

Предназначены для студентов всех специальностей.

Расчет выбросов загрязняющих веществ автотранспорта в атмосферный воздух: Метод.указания/ Сост. Е.Б.Серебряная, Н.К.Коротких: СибГИУ, Новокузнецк 2003.

Введение.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн. т оксида углерода, 151 млн. т оксида серы (1Ч) (сернистого газа), свыше 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т различных углеводородов, более 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей и т.д. Только за счет сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз, мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в естественный биологический кругооборот на Земле за то же время.

Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевых примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5 – 2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его.

Общее количество автомашин в мире составляет более 500 млн. и количество автомашин непрерывно растет (диаг. 1.1), особенно в крупных городах; а вместе с этим растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Диаг.1.1

Сжигая огромное количество нефтепродуктов, они наносят ощутимый вред окружающей среде и здоровью населения. Один автомобиль в среднем поглощает ежегодно 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газами примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. В США насчитывается около 150 млн. автомобилей, которые дают свыше 40% всего объема загрязнения атмосферы, а в некоторых городах даже до 80% и выше. Только в Лос – Анджелесе 3 млн. автомобилей, которые ежегодно выбрасывают 3 млн. т отработанных газов.

По данным ГВЦ УВД ГАИ в 1995 г. в России насчитывалось 19,6 млн. автомобилей, в том числе – 14,7 млн. легковых, 4,2 млн. грузовых автомобилей и около 0,7 млн. автобусов. Темпы прироста парка автомобилей за последний год составили в среднем по России около 12%. При этом в 1995 г. количество легковых автомобилей возросло на 15%, грузовых – на 1,5% и автобусов – на 5,7%. За последние 5 лет состав парка автомобилей по видам используемого топлива практически не изменился. Количество автомобилей, использующих газ в качестве топлива, не превышает 2%. Доля грузовых автомобилей с дизельным двигателем составляет в среднем для России 28%, а автобусов – примерно 63%. Суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта на территории России в 1995 г. оценивается величиной около 4 тыс. т.

Автомобильные выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды – не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости при старте, т.е. во время заторов и красного сигнала светофора. Именно в это время выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу – до 6,9%.

Оксид углерода и большинство других газовых выделений двигателей тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у земли. Ребенок, сидящий в коляске на тротуаре улицы с большим движением транспорта, вдыхает гораздо больше токсичных веществ, чем мать, которая с ним гуляет. Оксид углерода соединяется с гемоглобином крови и мешает ему нести кислород в ткани организма.

В выхлопных газах содержатся также альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим действием. К ним относятся акролены и формальдегид; последний обладает особенно сильным действием. Оксид азота, содержащийся в автомобильных выбросах, играет большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе.

В выхлопных газах присутствуют неразложившиеся углеводороды топлива. Среди них особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности гексан и пентен. Из–за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты форсирования двигателя. Стремясь получить так называемую «богатую смесь», уменьшают соотношение воздуха и горючего. В этих случаях за машиной тянется хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бензапирен.

Исследования состава отработавших газов ДВС показываю, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из которых приведены в табл.1.1. Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизельное топливо).

Анализ данных приведенных в таблице 1.1, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большого выброса CO, NO_x, C_nH_m и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде не токсична. Однако частицы сажи несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсичных веществ на человека.

Таблица 1.1

Компоненты	Содержание компонента, об. доли, %		Примечание
	Карбюраторные ДВС	Дизельные ДВС
N2	74 - 77	76 – 78
O2	0,3 – 8	2 – 18
H2O (пары)	3,0 – 5,5	0,5 – 4,0	Нетоксичен
CO2	5,0 – 12,0	1,0 – 10,0
H2	0 – 5,0	-
CO	0,5 – 12,0	0,01 – 0,50
NOx	До 0,8	0,0002 – 0,5
CnHm	0,2 – 3,0	0,009 – 0,5	Токсичен
Альдегиды	До 0,2 мг/л	0,001 – 0,09 мг/л
Сажа	0 – 0,04 г/м^3	0,01 – 1,1 г/м^3
Бензапирен	10 – 20 мкг/м^3	До 10 мкг/м^3

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 COувеличиваются в 4 – 5 раз.

Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на землю сразу, а 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5 – 3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине:

Содержание свинца в бензине, г/л…………0,15 0,20 0,25 0,50

Концентрация свинца в воздухе, мкг/м³…..0,40 0,50 0,55 1,00

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина на неэтилированный, что давно практикуется в крупных городах ряда стран Западной Европы.

Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно выбрасывается, млн. т:

оксида углерода – 260

летучих углеводородов – 40

оксидов азота – 20

Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха крупных городов мира составляет, %:

Оксид углерода Оксиды азота Углеводороды

Москва 96,3 32,6 64,4

Санкт-Петербург 88,1 31,7 79

Токио 99 33 95

Нью-Йорк 97 31 63

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫБРОСА ОКСИДА УГЛЕРОДА. УГЛЕВОДОРОДОВ. ОКСИДОВ АЗОТА И СЕРЫ. САЖИ. СВИНЦА

Методика оценки выбросов загрязняющих веществ легковыми, грузовыми автомобилями и автобусами основана на результатах типовых испытаний по показателям токсичности и топливной экономичности, скорректированных с учетом конструкции автотранспортных средств (АТС) и условий их эксплуатации.