8.2.1 Охрана окружающей среды. Расчет выбросов в атмосферу от маневровых тепловозов. Оценка платы за воздействие на окружающую среду
Эволюция развития человечества и создание индустриальных методов хозяйствования привели к образованию глобальных техносфер, одним из элементов которой является железнодорожный транспорт.
К подвижному составу по обеспечению экологической безопасности в районах или на трассах их эксплуатации предъявляются требования, формируемые на основании природоохранных норм и правил, обязательных к реализации при изготовлении и эксплуатации подвижного состава.
На станции выполняются технологические операции, приносящие вред окружающей среде. Это прием, отправление, пропуск поездов, маневровая работа, работа по погрузке и выгрузке вагонов.
Поездная работа на станции осуществляется на электровозной и тепловозной тяге. Однако самое негативное воздействие на окружающую среду оказывают выбросы тепловозных дизелей. В состав выхлопных газов тепловозных дизелей входят следующие основные компоненты: пары воды, кислород, двуокись углерода, окись и двуокись азота, водород, углеводороды, сернистый ангидрид, альдегиды и сажа. По характеру воздействия на человека их можно разделить на две группы. В первую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, пары воды, двуокись углеводорода и водород. Действия второй токсической группы на человеческий организм разнообразно от неприятных ощущений до раковых заболеваний.
Попадая в организм человека, канцерогенные углеводороды накапливаются до критических концентраций, при которых стимулируется развитие злокачественных опухолей. Кроме того группы углеводородов (особенно олефины) играют наиболее активную роль в образовании смога. Они вступают в реакцию с окисями азота под воздействием солнечного облучения и образуют озон и другие, биологически активные вещества, которые вызывают заболевание глаз и носогорловой полости человека, а также вредно воздействуют на растительный и животный мир.
Окись углерода образуется во всех двигателях при всех режимах как промежуточный продукт, который подлежит дальнейшему окислению с образованием двуокиси углерода, при полном сгорании за счет плохого смесеобразования и наличия зон с малым содержанием кислорода. Содержание окиси углерода в выхлопных газах дизелей относительно невелико по сравнению с карбюраторными двигателями, так как основные продукты неполного сгорания в выхлопных газах выделяются в виде сажи. Поступая в организм человека окись углерода, соединяется с гемоглобином крови, дает устойчивое соединение – карбоксигемоглобин, который ухудшает процесс газообмена и приводит к кислородному голоданию.
По воздействию на человека и всю природу окислы азота являются самыми вредными выбросами дизеля. Азот, соединяясь с кислородом, может образовывать 5 соединений: NO, NO2, NO3, NO4, NO5.
Непосредственно на человека NOx воздействует с инкубационным периодом. Если человек работает на воздухе с большим содержанием NOx, он вначале ничего не ощущает, но затем тяжело заболевает. При этом основное воздействие NOx происходит путем образования в дыхательных путях азотной и азотистой кислоты за счет реакции с водой. Степень воздействия NOx на человека почти в 10 раз сильнее окиси углерода.
Сернистые соединения, выделяющиеся при работе тепловозных дизелей, разрушительно воздействуют не только на человека, но и на двигатель в виде коррозийного воздействия. При высоких температурах возникает газовая коррозия. При понижении температуры ниже точки росы происходит кислотная коррозия.
При цепной реакции самовоспламенения альдегиды являются промежуточным продуктом процесса горения. Они фиксируются в голубом пламени, которое является промежуточным между холодным и горячим пламенем. Затем они окисляются до конечных продуктов сгорания, но при некоторых условиях, связанных с процессом смесеобразования и местным дефицитом кислорода, концентрация их резко увеличивается с выбросом в выхлопных газах.
По воздействию на организм человека нет точных данных, но по аналогии с радикалами они усиливают окислительные процессы и таким образом способствуют развитию патологических процессов и ускорению старения организма.
Сажа, которая в виде дыма выделяется с выхлопными газами, характеризует полноту сгорания. Как указывалось ранее, сажа образуется во всех дизелях, но затем выгорает в зависимости от эффективности процесса смесеобразования. При этом если сажи образуется много, то она не успевает выгорать в двигателе даже при хорошем смесеобразовании.
Сажевые частицы образуются при температуре выше 1073 К и при дефиците кислорода разогреваются во фронте пламени до 2073 - 3073 К. При такой температуре они не пускают мощные потоки электронов и световой энергии. Образованный при этом углерод не сгорает из-за высокой энергии активации и выбрасывается вместе с другими продуктами сгорания в выхлопных газах. Эти явления объясняют то, что в одинаковых условиях горения ароматические углеводороды выделяют сажи в 6.2 - 15.7 раз больше, чем олеиновые, и в 16.2 - 31.8 раз больше, чем парафиновые.
Сажа в выхлопных газах состоит не только из углерода, но и включает кислород, водород и ряд сложных циклических ароматических углеводородов, включая такие токсические вещества, как бензопирен. Поэтому дым дизельных двигателей, бесспорно, вредно действует на организм человека, но медициной не установлены точные вредные концентрации.
Закон РФ «Об охране окружающей среды» от 12.01.2002 г. обязывает при выполнении проектов делать экологическое обоснование. В данном проекте выполняется часть экологического обоснования работы переустроенной сортировочной станции Лихая: рассчитываются вредные выбросы в атмосферу от маневровых тепловозов.
Маневровые тепловозы работают в переменных режимах с частыми троганиями, ускорениями и торможениями. В этом случае выброс отработанных газов значительно возрастает. Уровень загрязнения воздушной среды станции и прилегающих к ним районам зависит от числа одновременно занятых локомотивов.
Для предупреждения выхода экологических характеристик за пределы установленных норм, необходимо проводить техническую диагностику подвижного состава, которая является либо частью технического обслуживания и ремонта, либо самостоятельной операцией по определению его экологической безопасности.
За негативное воздействие на окружающую среду взимается плата со всех предприятий (организаций), юридических и физических лиц, осуществляющих хозяйственную деятельность, наносящую ущерб природной среде и здоровью людей.
В данном дипломном проекте рассчитываем годовой выброс вредных веществ, загрязняющих окружающую среду, при работе девяти маневровых тепловозов серии ЧМЭ-3.
Суммарное
время работы одного маневрового
локомотива ЧМЭ-3 за сутки составляет
часа, в году маневровый локомотив
работает 252 дня.
Расчет валового выброса загрязняющих веществ от тепловозов рассчитывается по следующей методике:
рассчитываем время работы локомотива в различных режимах
,
ч/год (8.7)
где
– доля времени работы двигателя на k-ом
режиме (%);
определяем массу выбросов каждого вещества (СО, NO2, SO2, сажа) в год
,
т/год (8.8)
где
– удельный выброс i-того вещества при
работе j-того двигателя на k-ом режиме
(кг/час).
В
таблице 8.1 показан процент распределения
времени работы маневровых тепловозов
на различных режимах (
).
Таблица 1.1 – Процент распределения времени работы маневровых тепловозов
|
Тип тепловоза |
Номинальная мощность одного двигателя, кВт |
Режим работы двигателя | ||||
|
холостой ход |
25% |
50% |
75% |
max | ||
|
ЧМЭ-3 |
995 |
45.6 |
39.8 |
12.9 |
1.2 |
0.5 |
В таблице 8.1 показаны значения удельных выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами двигателей маневровых тепловозов.
Таблица 8.2 – Значения удельных выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами, кг/ч
|
Тип тепловоза |
Наименование загрязняющего вещества |
Режим работы двигателя | ||||
|
Холостой ход |
25% |
50% |
75% |
max | ||
|
ЧМЭ-3 |
СО |
0.60 |
0.53 |
2.06 |
4.30 |
6.37 |
|
NO2 |
3.90 |
9.80 |
10.60 |
12.40 |
11.70 | |
|
SO2 |
0.27 |
1.18 |
2.76 |
3.11 |
3.17 | |
|
Cажа |
0.004 |
0.095 |
0.31 |
0.31 |
0.36 | |
1) 
ч/год
ч/год
ч/год
ч/год
ч/год
2) Определяем годовые выбросы оксида углерода девятью тепловозами
т/год
Определяем годовые выбросы диоксида азота девятью тепловозами
т/год
Определяем годовые выбросы сернистого ангидрита девятью тепловозами
т/год
Определяем годовые выбросы сажи девятью тепловозами
т/год
Все вычисления сводим в таблицу 8.3
Таблица 8.3 – Расчётные выбросы тепловозов
|
Загрязняющее вещество |
Годовые выбросы одним тепловозом, т/год |
Годовые выбросы девятью тепловозами, т/год |
|
Оксид углерода |
4.73 |
42.57 |
|
Диоксид азота |
42.30 |
380.68 |
|
Сернистый ангидрит |
5.68 |
51.12 |
|
Сажа |
0.48 |
4.32 |
|
Всего |
53.19 |
478.69 |
Большое влияние на массовый состав выбросов оказывают режим эксплуатации тепловозов, исправность систем дизельных двигателей, своевременность проведения регулировки.
Высокое содержание вредных примесей в отработавших газах дизелей при работе в режиме холостого хода обусловлено не только плохим смешиванием топлива с воздухом, но и сгорания топлива при более низких температурах.
Одним из мероприятий по снижению выбросов в окружающую среду является уменьшение работы тепловоза в режиме холостого хода, повышения стабильного режима работы.
В дизельных двигателях тепловозов на увеличение расходов топлива и состава выхлопных газов влияют неисправности:
уменьшение давления впрыска;
покрытие иглы форсунки смолистыми отложениями;
закоксование сопел распылителей;
износ плунжерных пар топливных насосов;
засорение воздухоочистителя;
изменение угла впрыска;
понижение температуры охлаждающей жидкости;
износ деталей топливного насоса;
износ деталей газораспределения и шатунно-кривошипного механизма.
В соответствии с постановлением №344 (2003 г.) плата за выбросы загрязняющих веществ определяется по расходу топлива G, руб/год и рассчитывается по формуле
руб/год (8.9)
где Цт – норматив платы за загрязнение атмосферы выбросами передвижных источников при сжигании 1 тонны топлива, руб/т, Цт=2.5 руб/т;
–расход
топлива, т/год;
–коэффициент,
учитывающий экологическую ситуацию в
данном регионе, 
;
–коэффициент
индексации, 
.
Таблица 8.4 – Удельные расходы дизельного топлива ДВС
|
Режим работы двигателя |
max |
75% |
50% |
25% |
Холостой ход |
|
Удельные расходы дизельного топлива, g,г/кВт-ч |
230 |
245 |
260 |
280 |
46 max,г/ч |
Зная удельные расходы топлива при работе двигателя на соответствующем режиме и время работы его на этом режиме, определяем расход топлива, т/год, на каждом режиме работы ДВС:
(8.10)
(8.11)
(8.12)
(8.13)
(8.14)
где Р – номинальная мощность двигателя локомотива (таблица 11.4);
tх.х,t25%,t50%,t75%,tр – соответственно общая продолжительность работы двигателя на данном режиме, ч;
gх.х, g25%, g50%, g75%, gр – соответственно удельные расходы дизельного топлива на заданном режиме (таблица 11.7).
Суммарный годовой расход дизельного топлива на один тепловоз серии ЧМЭ-3 равен
(11.17)
Расход топлива на девять локомотивов составит
Плата за выбросы загрязняющих веществ девятью тепловозами ЧМЭ-3 составит
Плата за воздействие на окружающую среду девяти тепловозов ЧМЭ-3 по сортировочной станции Лихая составляет 27162.35 руб/год.