§ 6. Загрязнение атмосферы выбросами энергетических установок

Основными компонентами, выбрасываемыми в атмосферу при сжигании различных видов топлива в энергоустановках, являются диоксид углерода СО₂ и водяной пар Н₂О. Однако в атмосферу выбрасываются и другие вредные вещества: продукты неполного сгорания топлива - оксид углерода, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен C₂₀H₁₂, несгоревшие частицы твердого топлива, зола и прочие механические примеси; оксиды серы SO₂ и SO₃, азота и свинца РbО.

При сжигании твердого топлива образуется большое количество золы и диоксида серы. Так, например, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5-6,0% серы и до 30-50% золы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании мазута, содержат оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. Перевод установок на жидкое топливо существенно уменьшает золообразование, но практически не уменьшает выбросы SO₂, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат серу в количестве до 3-4,5% и более. При сжигании природного газа (неочищенного) в дымовых газах образуются диоксид серы и оксиды азота. Следует отметить, что наибольшее количество оксидов азота образуется при сжигании жидкого топлива.

Современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т SO2 и SO3 при содержании серы в топливе 1,7%; 200 т оксидов азота; 120-240 т твердых частиц (зола, пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94-98%. Исследования показывают, что вблизи мощной теплоэлектростанции, выбрасывающей в сутки 280-360 т SO₂, максимальные концентрации ее с подветренной стороны составляют 0,3-4,9 мг/м³ на расстоянии 200-500 м; 0,7-5,5мг/м³ на расстоянии 500-1000 м; 0,22-2,8 мг/м³ на расстоянии 1000-2000 м.

Автотранспорту как источнику загрязнения атмосферы присущ ряд отличительных особенностей: во-первых, численность автомашин в крупных городах быстро увеличивается, а вместе с тем растет валовой выброс вредных продуктов в атмосферу; во-вторых, автомобиль относится в отличие от промышленных предприятий к движущимся источникам загрязнения, широко встречающимся в жилых районах и местах отдыха; в-третьих, выбросы ДВС представляют собой недостаточно изученную смесь сложных компонентов. Токсическими выбросами двигателей внутреннего сгорания являются отработавшие газы, картерные газы и пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсических примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает около 45% С_nН_m от их общего выброса.

Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из которых приведены в табл. 7.

Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе.

Анализ данных, приведенных в табл. 7, показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса СО, МО*, СПНШ и других веществ. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксичное вещество. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности молекулы и частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека.

Широкое применение этилированного бензина вызвало загрязнение воздуха городов весьма токсичными соединениями свинца, обладающими способностью к накоплению в организме. 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 выпускной трубы автомобиля, 40% остается в атмосфере.

Выделение бенз(а)пирена с отработавшими газами зависит от режима работы ДВС. Наибольшее количество этого вещества у ДВС, работающих на бензине, выделяется на холостом ходу, при работе на переобогащенных смесях и на режиме больших нагрузок.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от источника наибольшего загрязнения - двигателя. Так. прп нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4-5 раз.

У двигателя, работающего на бензине, на неустановившихся режимах (разгон, торможение) нарушаются процессы смесеобразования и горения, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. На рис. 2, а приведена зависимость состава отработавших газов ДВС от коэффициента избытка воздуха. Переобогащение горючей смеси до коэффициента избытка воздуха α=0,6-0,95 на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания. Сильно переобогащается смесь в режиме принудительного холостого хода.

Рис. 2. Зависимость состава отработавших газов ДВС на бензине (а) и дизельном топливе (б) от коэффициента избытка воздуха

В дизельных двигателях с уменьшением нагрузки состав горючей смеси обедняется, поэтому содержание токсичных компонентов в отработавших газах при малой нагрузке уменьшается (рис. 2,б). Содержание СО и углеводородов возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки.

Доля загрязнения атмосферы отработавшими газами ДВС в общем балансе примесей составляет 15-50% и более. В отдельных районах США, особенно в крупных городах, автомобильные ДВС играют решающую роль в загрязнении атмосферы. В Нью-Йорке двигатели транспортных средств выделяют 49,5% углеводородов, 17,4% оксидов азота и 5,2% SO₂. В крупнейших городах США средняя концентрация СО в атмосфере составляет 30-90 мг/м³, при этом 60% этой концентрации приходятся на двигатели автомобилей.

В последние годы в связи с развитием авиации, а также интенсивным использованием авиационных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос вклад газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) в общий выброс вредных примесей в атмосферу. Выхлопные газы ГТДУ содержат в своем составе токсичные компоненты, такие, как СО, N0_x, углеводороды, сажу, альдегиды и др.

Исследования состава продуктов сгорания двигателей, которые устанавливаются на самолетах «Боинг-747», показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя (табл. 8).

(n_HOM - номинальное число оборотов двигателя).

Как видно из табл. 8, высокие концентрации СО и C_nH_m характерны для ГТДУ на пониженных режимах, тогда как содержание оксидов азота NO_x (NO, NO₂, N₂O₅) существенно возрастает при работе на режимах, близких к номинальному. На выход оксидов азота оказывает влияние ряд факторов, в первую очередь вид и сорт сжигаемого горючего, качество и способ его подачи, состав топлива в камере сгорания, ее конструкция и т. п. Существенное влияние на содержание оксидов азота в выхлопных газах ГТДУ оказывают

тонкость распыления горючего форсуночным устройством и суммарный коэффициент избытка воздуха а на выходе из камеры сгорания (рис. 3). Из рисунка видно, что уменьшение диаметра капель d_k и рост α сопровождается снижением массы оксидов азота в единице массы выхлопных газов. (Данные рис. 3 получены для камеры сгорания ГТДУ с параметрами: температура газов на входе 537 К, давление воздуха на входе 2,9•10⁵ Па.)

Рис. 3. Зависимость содержания оксидов азота в выхлопных газах ГТДУ от коэффициента избытка окислителя α при диаметре капель d_k горючего в камере сгорания: 1 - 100 мкм; 2 - 50 мкм; 3 - 10 мкм

Определенную долю примесей в атмосферу вносят выбросы транспортных средств с ракетными двигательными установками различных типов. Загрязнение воздушной среды происходит главным образом при работе двигательных установок перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях двигательных установок в процессе их производства или после ремонта; при хранении и транспортировке топлив, а также заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается загрязнением окружающей среды продуктами полного и неполного сгорания топлива. В общем случае они состоят из СО, NO_x, ОН и др. Состав продуктов сгорания при работе жидкостного ракетного двигателя определяется коэффициентом соотношения компонентов топлива, температурой сгорания, прoцессами диссоциации и рекомбинации молекул. Количество продуктов сгорания зависит от мощности (тяги) двигательных установок.

Выброс вредных веществ с продуктами сгорания минерального топлива в воздушный бассейн США оценивается в 150 млн. т в год. Содержание в атмосфере пыли, SO₂ и NO_x определяется главным образом уровнем их выброса из топок ТЭС и котельных, а содержание СО на 75-90% зависит от интенсивности движения автотранспорта.