К вопросу о составе отработавших газов дизелей

XVII век явился переломным пунктом развития промышленности. Наряду с металлообрабатывающей и горнодобывающей промышленностью в 1765 году Н. Н. Ползуновым создан первый тепловой двигатель, а уже в 1860 году Ленуар создал промышленный двухтактный двигатель внутреннего сгорания. В 1827 году Отто построил четырехтактный газовый двигатель с расходом топлива вдвое меньше, чем в двигателе Ленуара. Началось промышленное производство двигателей. В 1898 году завод Нобеля в Петербурге купил патент у Дизеля и создал совершенно новый тип двигателя с воспламенением от сжатия.

Дальнейшее совершенствование двигателя, за сравнительно короткий промежуток времени, позволило создать их большое разнообразие. Созданы двигатели, работающие на различном топливе, с разными способами смесеобразования и многообразием конструктивных исполнений как цилиндро-поршневой группы, так и всего двигателя. В настоящее время миллионы двигателей внутреннего сгорания работают на передвижных машинах и стационарных установках.

Однако человечество, получив столь мощный и универсальный преобразователь энергии, получило и источник загрязнения среды своего обитания. При сгорании в двигателе одной тонны дизельного топлива в атмосферу выбрасываются с отработавшими газами (ОГ) 60кг NO_x, 8кг CO, 3кг C_xH_y, 2–6кг SO₂ и другие токсичные компоненты. Суммарный выброс токсичных веществ транспортными средствами настолько велик, что он представляет собой угрозу для окружающей среды и здоровья человечества. Здоровье человека находится в прямой зависимости от состояния окружающей среды, поэтому мировое сообщество вынуждено было принять законодательные меры, ограничивающие выброс в атмосферу токсичных компонентов с ОГ двигателей.

Первые юридические документы, ограничивающие содержание вредных компонентов в ОГ, выбрасываемых в атмосферу двигателями, были разработаны в 1959 году в США [1, с. 32]. Такие документы с 1969 года начал принимать и ряд развитых европейских государств, а в настоящее время практически все государства имеют законодательную базу по ограничению токсичности ОГ. Принятые меры позволили значительно снизить выброс двигателями токсичных компонентов в атмосферу. Однако проблема до конца не решена, и двигатели внутреннего сгорания продолжают засорять атмосферу ОГ, которые содержат токсичные компоненты в количестве, во много раз превышающем санитарные нормы.

Проблема загрязнения атмосферного воздуха ОГ особо остра при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в местах с ограниченным воздухообменом: шахтах, тоннелях, пакгаузах, цехах и т. д.

Стремление преодолеть трудности, связанные с загрязнением рудничной атмосферы токсичными компонентами, привело к проведению широких исследований по изысканию способов обезвреживания ОГ двигателей внутреннего сгорания. Многочисленными научно-исследовательскими организациями, производственными предприятиями и санитарно-гигиеническими учреждениями проведены и проводятся целые комплексы исследований в этой области.

ОГ являются неотъемлемой частью процесса превращения химической энергии топлива в механическую работу двигателя внутреннего сгорания. Воздух из атмосферы в такте всасывания поступает в цилиндры двигателя, а в такте выпуска — выбрасывается из него в виде ОГ. При этом в состав ОГ входят не только токсичные продукты неполного сгорания топлива, но и токсичные компоненты, образовавшиеся в результате рабочего цикла двигателя.

Концентрация токсичных компонентов в ОГ в значительной степени зависит от конструктивных особенностей дизеля, его регулировок и технического состояния, а также условий эксплуатации. Меньшее количество токсичных компонентов в ОГ содержится у четырехтактных дизелей с разделенной и полураздельной камерами сгорания. Среднее содержание основных токсичных компонентов в ОГ дизелей и их допустимые концентрации в рабочей атмосфере приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основной состав отработавших газов дизелей и допустимые нормы содержания их в атмосфере

Всего в составе дизельных твердых частиц идентифицировано около 1000 соединений [7, с. 95], многие из которых являются агрессивными или токсичными веществами, что в сочетании с высокой дисперсностью частиц и значительными их выбросами делает эмиссии твердых частиц чрезвычайно опасными для здоровья человека и животных, состояния растений, почвы, атмосферы и различных сооружений.

Наибольшее внимание в настоящее время приковано к органической фракции дизельных твердых частиц, так как в ней содержатся вещества, оказывающие наиболее глубокое воздействие на живые организмы, что выражается в возникновении мутаций и канцерогенезе. К таким веществам относятся полициклические ароматические углеводороды, их окси- и нитропроизводные, а также гетероциклические соединения., содержание которых в ОГ и твердых частицах может достигать значительных величин. Так, например, выбросы бенз(а)пирена могут составлять 0,05–6,2мг/кг сжигаемого топлива или 5,4–8,6мг/м³ ОГ [8, с. 54].

Адсорбированные на поверхности твердых частиц продукты неполного окисления топлива являются оксидантами. Их длительное воздействие на животных и человека также приводит к очень тяжелым последствиям, в частности, к нарушениям деятельности кровеносной, нервной, дыхательной и иммунной систем.

Неорганические соединения, входящие в состав дизельных твердых частиц, являются, в основном, токсичными веществами. Сульфаты, например, гидролизуясь, образуют серную кислоту, даже микроколичества которой способны вызвать патологические изменения в органах и тканях, такие как, например, раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей [9, с. 115].

Общее воздействие дизельных твердых частиц на человека и животных выражается в ухудшении состояния организма, снижении его резистентности, возникновении различных патологий, особенно органов, непосредственно соприкасающихся с материалом твердых частиц, таких как органы дыхания, кожа, зрительный анализатор.

Многообразное неблагоприятное воздействие оказывают твердые частицы дизельных ог и на флору планеты. Именно ей за последние 100 лет нанесен наибольший экономический ущерб в связи с загрязнением окружающей среды [10, с. 41]. Твердые частицы нарушают протекание многих жизненноважных процессов в растениях, что приводит, в конечном итоге, к снижению их биомассы, уменьшению выделения кислорода, а также накоплению токсичных веществ в различных органах растительных механизмов.

Последствия воздействия мутагенных веществ и, в частности, ряда соединений, обнаруживаемых в твердых частицах, на микроорганизмы трудно прогнозировать, хотя несомненно, что они могут представлять серьезную опасность для существования многих биологических видов.

Твердые частицы наносят вред множеству абиогенных объектов. Например, отложения сажи на поверхности архитектурных сооружений, памятников и т. д. ухудшают внешний вид городов, способствуют разрушению строительных материалов, вызывают коррозию металлических конструкций. Снижение выбросов твердых частиц всего лишь на 1мкг/м³ дает экономический эффект за счет уменьшения ущерба от загрязнений строительных конструкций в размере от 37 до 102 млн.дол., а за счет уменьшения расходов, связанных с коррозией и разрушением различных материалов, — 102 млн.дол. [11, с. 64].

Высокое содержание сажевых частиц в атмосфере снижает прозрачность воздуха непосредственно на транспортных магистралях, влияет на состояние нервной системы и зрительного анализатора водителя, что в совокупности с высокой насыщенностью движения является фактором повышения риска возникновения аварийных ситуаций на дорогах.

ОГ от двигателя, попадая в атмосферу, быстро перемешивается с воздухом и за короткое время достигает зоны дыхания человека. Основная часть ОГ (98–99,5 %) безвредна и состоит из азота, кислорода, водяных паров и т. д. Остальная, казалось бы, незначительная часть (2–0,5 %) содержит ряд химических соединений (табл.1), которые и оказывают столь пагубное действие на окружающую среду и здоровье человека. Например, содержание оксида углерода в ОГ дизелей составляет 0,01–0,9 %, а содержание данного компонента в зоне дыхания человека по санитарным нормам не должно превышать 0,0017 % объема. Если же в зоне дыхания человека содержится 0,01 % объема оксида углерода, то происходит хроническое отравление человека, а при содержании в воздухе 0,05 % объема слабое отравление наступает через один час.

Содержание в ОГ других токсичных компонентов также превышает санитарную норму в десятки и сотни раз. Поэтому при работающем дизеле всегда существует опасность загрязнения окружающей среды токсичными компонентами. Особенно это опасно при эксплуатации дизеля в местах с ограниченным воздухообменом.

Для разбавления ОГ до санитарных норм необходимо подавать свежий воздух. Потребное количество свежего воздуха, необходимое для разбавления отработавших газов до безопасных концентраций, можно определить по выражению:

K_P=CO/ [CO]+NO₂/ [NO₂]+SO₂/ [SO₂]+···+n/ [n] (1)

где K_p — необходимая кратность разбавления;

CO, NO₂, SO₂,..., n — содержание данного компонента в ОГ, % об.;

[CO], [NO₂], [SO₂],..., [n] — санитарные нормы этого же компонента для атмосферы, % об.

Физический смысл K_p означает, во сколько раз необходимо разбавить ОГ свежим воздухом, чтобы он стал безвредным. Например, если в отработавших газах объемная доля оксида углерода равна 0,01–0,9 %, то на каждый кубический метр выхлопа необходимо подать от 6 до 500м³ свежего воздуха. Для оксидов азота кратность разбавления будет составлять до 2000 раз, т. к. санитарная норма их равна 0,00026 % об., а содержание их в ОГ до 0,5 % об.. Если учесть, что в ОГ дизелей содержатся несколько десятков токсичных компонентов, то суммарная кратность разбавления их свежим воздухом будет настолько велика, что осуществить ее по техническим и экономическим причинам в подземных условиях практически невозможно [12, c. 14], [13, c. 48]. Поэтому для уменьшения содержания токсичных компонентов в ОГ, после выброса их из двигателей, используется различная газоочистительная аппаратура [14, c. 77]. Разработаны каталитический, жидкостный, пламенный, термический и другие типы нейтрализаторов [15, c. 64], [16, c. 128], [17, c. 204]. Для очистки ОГ в некоторых случаях используют сорбенты, которые устанавливают на машинах в виде отдельных блоков. Наибольшее распространение в мировой практике получили каталитические и жидкостные нейтрализаторы различных модификаций. Нейтрализаторы выпускаются во многих странах мира для различных типов двигателей внутреннего сгорания.

Литература:

1.                  Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. — М.: Транспорт, 1979. — 198с.

2.                  Holtz Jahn C. «Safe use of Diesel Eguipmeht in Underground metal mines». Can.Min.Jorn.Vol.79, N9, September, 1958, p.p.107–110.

3.                  Joural of the African Institute of Mining and Metallurgy, 61, 152–182, 1960.

4.                  Crook A. E. «Safety of Undergraund transport Frans of the Inst of min.End.Vol 112. Part II 1953, August, p.p.865–885.

5.                  Huttion Ray.Part I. Pollition — Industry takes the NO. «Auto car», 1971, 135, N3947, 20–23.

6.                  Ананьин Г. П., Голутвин В. А., Завьялов Л. Н., Арсланов Н. К. Автомобильный транспорт при подземной разработке полезных ископаемых. — М.: Недра, 1973.

7.                  Жуков Г. И., Шевченко П. Л., Бондаренко В. Г., Смайлис В. И., Вышнин А. Сравнительная оценка токсичности отработавших газов дизелей типов ЯМЗ-236/238 и Deutz F8L714. // Автотракторные двигатели: Сб., N5, вып.52, Омск, 1974.

8.                  Смайлис В. И. Малотоксичные дизели. — Л.: Машиностроение, 1972. — 127с.

9.                  Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1973. — 190с.

10.              Доклады участников симпозиума «Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути ее снижения». Под ред. Варшавского И. Л. — М.: Наука, 1966.

11.              Жуков Г. И., Шериев А. А., Иванов В. Н. Снижение загазованности рудничной атмосферы. // Безопасность труда в промышленности. — 1986. — N3.

12.              Жуков Г. И., Теплых Б. А. Экономический эффект использования каталитических нейтрализаторов. // Безопасность труда в промышленности. — 1985. — N11.

13.              Пред.патент Р. К. N2228. Устройство для предотвращения проникновения отработавших газов в салон транспортного средства / Жуков Г. И., Макашев Б. К., Жакенов Г. К. (РК). — N8206; Заявл. 31.05.94; Опубл. в Бюл. «Промышленная собственность», 1995, N3 (10).

14.              Способы нейтрализации отработавших газов дизелей / Тез.докл. I-й научно-технической конференции по вопросам увеличения эксплуатационной работоспособности автомобилей. — Жезказган, 1976.

15.              А.с. СССР N 273955. Нейтрализатор отработавших газов / Жуков Г. И., Башилов Ю. Б. (СССР). — N1240013; Заявл. 13.05.68; Опубл. в Б. И., 1970, N34.

16.              А.с. СССР N 389276. Способ нейтрализации выхлопных газов / Жуков Г. И., Сагитов Ж. С., Башилов Ю. Б., Газизов Д. Х. (СССР). — N1619434; Заявл. 11.02.71; Опубл. в Б. И. 1973, N29.

17.              Попова Н. М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. — Алма-Ата: Наука, 1987. — 224с.