Промышленное производство и энергетика, автомобильный транспорт и авиация, химизация сельского хозяйства и многие другие сферы деятельности человека приводят к изменению внешней среды и являются источниками загрязнения атмосферы, почвы, водоемов и морей. К основным веществам, загрязняющим воздушный бассейн, относятся оксид углерода, углеводороды, оксиды серы и азота и твердые частицы (первичные загрязнители). Другие вещества по своему происхождению являются вторичными. Например, так называемые «кислотные дожди», образующиеся в результате взаимодействия оксидов серы и азота с влагой воздуха.
Первичные загрязнители имеют множество естественных источников, обусловленных природными процессами, происходящими на Земле и в Океане; даже если бы не было антропогенной деятельности человека, в атмосфере существовал бы остаточный фоновый уровень содержания вредных соединений. По данным Д. Дэвинса [212], из 4 млрд, т взвешенных частиц, находящихся в атмосфере Земли, лишь 0,7 млрд, т, или »17%, можно считать частицами, появившимися в результате деятельности человека. В большинстве это трансформированные газообразные примеси (молекулы газа, превратившиеся в аэрозольные частицы). Выбросы сернистых соединений в результате антропогенной деятельности составляют »40%, а оксида азота 10—20 % общего их содержания в атмосфере. Остальное количество приходится на природные микробиологические и химические процессы, происходящие в Океане и почве Земли* В свою очередь, содержание оксида уг лерода более чем на 90% является результатом антропогенной деятельности. Фоновое содержание СО в чистом воздухе нижних слоев атмосферы составляет 0,1±0,09 млн-1 и колеблется в зависимости от места взятйя пробы воздуха, времени суток и года и других факторов. Например, на автострадах Лос-Анджелеса в часы пик были зарегистрированы концентрации СО, достигавшие 150 млн-1.
Несмотря на громадные природные выбросы сернистых и азотистых соединений, в результате рассредоточенности по поверхности Земли фоновые концентрации этих соединений в окружающей среде составляют несколько частей на миллиард. В то же время в местах концентрации человеческой деятельности, прежде всего в городских агломерациях, содержание ЭО* и N0* многократно превышает естественное фоновое содержание.
Запыленность атмосферы в городах в 10 раз выше, чем в сельской местности. Содержание вредных газообразных веществ в городском воздухе в 5—35 раз, а для некоторых веществ — в сотни раз выше, чем в сельской местности. Концентрация свинца в воздухе крупных городов достигает 30— 35 мг/м3, а бенз(а) пирена в местах интенсивного движения автотранспорта может превышать 10 мгII00 м3. Основные вредные промышленные выбросы в атмосферу Земли составляют (млн. т в год) [213]: оксид углерода — до 400, оксиды серы —до 190—200, оксиды азота —до 90, продукты неполного сгорания органических топлив — до 120, твердые частицы — до 120—130 (2 = 920—940).
Загрязнение атмосферы, воды и почвы оказывает негативное воздействие на условия обитания всего живого на Земле, ведет к нарушению экологического равновесия в природе и является важнейшей социально-экономической проблемой человечества. Основными потребителями ископаемого топлива, а следовательно, и главными источниками загрязнения воздушного •бассейна являются энергетика, промышленные предприятия и транспорт. Развитие автомобильного транспорта, особенно интенсивное с 1950-х годов (в период появления дешевой нефти), резко изменило общую картину загрязнения окружающей среды. Если в середине 50-х годов преобладающая доля загрязнения воздушного бассейна приходилась на промышленные предприятия и бытовое использование топлива, то в настоящее время основные источники выбросов вредных веществ и их концентрации следующие (%) [212]:
|
со [СН] аб, |
N0^ |
Твердые |
||
|
Двигатели транспортных |
58 52 |
• -г |
51 |
частицы 3 |
|
средств Электростанции |
2 2 |
Ф |
44 |
26 |
|
Промышленное произ |
11 14 |
20 |
1 |
51 |
|
водство Лесные пожары, выжи |
19 — |
1 — |
1 |
9 |
|
гание растительности Испарение |
— 27/ |
— |
— |
— |
|
Складирование твердых |
8 4 |
1 |
2 |
5 |
|
отходов Прочие источники |
4 1 |
1 |
1 |
6 |
ТакиМ образом, роль автомобильного транспорта как главного источника загрязнения атмосферы возрастает. В среднем один грузовой автомобиль выбрасывает в год »3 т вредных веществ, доля автомобильного транспорта в загрязнении окружающей среды в ряде городов составляет 30—40%, а в крупных— до 60% [214]. Еще более высока доля автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха в крупнейших городах мира, составляя по отдельным компонентам (%) [34]:
|
СО [СН] N0^ |
||||
|
Токио |
99 |
95 |
33 |
|
|
Лос-Анджелес |
98 |
66 |
72 |
|
|
Нью-Йорк |
97 |
63 |
31 |
|
|
Москва |
96,3 |
64,4 |
32,6 |
|
|
Ленинград |
88,1 |
79 |
31,7 |
|
Количество выделяемых в окружающую среду вредных веществ зависит от численности и структуры автомобильного парка, технического состояния автомобиля и двигателя, типа двигателя и вида применяемого топлива, а также условий его эксплуатации. Относительные удельные показатели выбросов основных токсичных компонентов отработавших газов для различных двигателей составляют [215]:
|
СО |
[СН] |
Сажа Бенз(а)пиреи |
||
|
Карбюраторный |
15 |
6 |
2 |
1 2 |
|
Дизельный |
1 |
2 |
1 |
20 1 |
|
Г азотурбинный |
1 |
1 |
6 |
1 20 |
В работе [216] приведены иные технико-эксплуатационные и экологические показатели для различных типов двигателей, в том числе и для двигателя внутреннего сгорания:
|
Максимальный к. п. д. |
Двигатель Стирлинга 50 |
Карбюратор ный 30 |
Дизельный 40 |
|
Выбросы вредных веществ, г/км: СО |
0,50—1,00 |
20,0—25,0 |
2,0 |
|
[СН] |
0,05—0,01 |
1,6—2,0 |
0,8—1,0 |
|
N0* Удельная масса, кг/кВт |
0,10—0,40 7 |
1,5—2,0 2 |
1,0—2,5 3 |
|
Стоимость двигателя: |
0,64-0,7 |
0,184-0 25 |
0,254-0,35 |
|
стоимость автомобиля |
Эти данные по выбросу вредных веществ различными двигателями подтверждаются и данными работы [28]. Таким образом, каждый двигатель и соответствующее ему топливо имеют достоинства и недостатки.
Особую опасность среди токсичных веществ в отработавших газах представляют канцерогенные полициклические углево дороды и наиболее активный бенз(а)пирен, а также сажа. Сажевые частицы канцерогенны по своей природе, кроме того, | сажа—¦ хороший адсорбент для бенз(а)пирена. Концентрация з последнего в частицах сажи в 3—4 раза выше, чем в отрабо-, тавших газах. Переход от одного двигателя к другому карди- I нально не решает проблему: дизель, имея удовлетворительные ; характеристики по выбросам почти всех токсичных компонентов, выбрасывает больше оксидов азота и сажи, чем карбюраторный двигатель. Необходимо учитывать и стоимость двигателя. Так, по к. п. д. и выбросам вредных веществ перспективным является двигатель Стирлинга. Кроме того, он может работать на топливах худшего качества по сравнению с бензином и дизельным топливом, но значительно дороже бензинового и дизельного двигателя.
Применение малотоксичного двигателя Стирлинга на автомобиле осложнено увеличением массы двигателя на единицу мощности по сравнению с бензиновым и дизельным в 3,5 и 2,5 раза соответственно, рядом нерешенных конструктивных трудностей в его создании и обеспечении надежной работы, а также высокой стоимостью. В определенной степени этими же недостатками обладает дизельный двигатель по отношению к карбюраторному. Удельная металлоемкость современных отечественных дизелей составляет 4,9—6,3 кг/кВт мощности, а у карбюраторных — 3,7—4,5 кг/кВт. С учетом более высокой сложности и трудоемкости изготовления дизельного двигателя стоимость его на 50—60% выше стоимости карбюраторного ( равной мощности. Литровая мощность дизельных двигателей на 35—40% меньше карбюраторных. Удельные затраты на техническое обслудшвдние и текущий ремонт дизеля выше, чем у карбюраторного двйкателя на 15—20%. По уровню шума рас- | смотренные выше двш^тели можно расположить в следующий { ряд: двигатель Стирлинга < карбюраторный < дизельный < газотурбинный [28].
Экологическая чистота хавтомобиля может быть обеспечена при усовершенствовании конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания, улучшения процесса сгорания и других мероприятий, осуществляемых в процессе изготовления и эксплуатации автомобиля. Снижение отрицательного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду возможно при использовании альтернативных топлив, которые в процессе сгорания двигателя дают меньше вредных выбросов и нейтрализаторов отработавших газов.
В табл. 6.1 представленные данные по эффективности мероприятий, направленных на снижение токсичности двигателей и их влияние на топливную экономичность автомобиля [216].
В мировой практике наиболее распространено использование нейтрализаторов, устанавливаемых в выпускной системе двига-
Таблица 6.1. Эффективность мероприятий по снижению токсичности двигателей и их влииние на топливную экономичность
|
Уровень выбросов, % |
||||
|
Мероприятия Исходный уровень — бензиновый двигатель |
со 100 |
[СЩ 100 |
Ы,ох 100 |
Удельный расход топлива, -% 100 |
Конструктивные изменения двигателя и режимов его работы
|
Двигатель с турбонад |
89—90 |
86—93 |
95—102 |
86—92 |
|
дувом и меньшим объемом цилиндров Отключение части ци |
75—80 |
55—70 |
105—115 |
75—80 |
|
линдров на режимах малых и средних нагрузок Расслоение заряда в ка |
8—15 |
50 |
55 |
80—95 |
|
мере сгорания бензинового двигателя (расчет) Форкамерный двигатель |
10—15 |
50—70 |
85 |
85—95 |
Применение новых видов топлив и добавок
|
Использование нефтяного и природного газов |
25—30 |
70 |
70—80* |
— |
|
Использование бензино-метанольной смеси (до 15% СНзОН) |
80—90 |
65—70 |
103—105*** |
|
|
Добавка водорода к бензину и обеднение смеси |
До 10 |
50 |
25—30*** |
|
|
Использование дизельного топлива |
До 10 |
30 |
45—60** |
65—80 |
* По некоторым данным, увеличение выбросов ЫОх по сравнению с бензином составляет от 20 до 50% (см. табл. 6.3).
** По приведенным выше оценкам, увеличение выбросов по сравнению с бензиновым дьигателем до 1,5—2,0 раз.
*** Экономия по бензину— 14%.
тел я, что позволяет на 85% снизить выбросы СО, на 70% несгоревших углеводородов и на 20% — оксидов азота. Однако каталитические нейтрализаторы дороги, так как в них используются платина, палладий, а катализаторы, применяемые для реакции восстановления N0, содержат родий и рутений. Применение платины для изготовления катализаторов нейтрализации отработавших газов автомобилей в США составляет 40 т/год, или 40% потребления этого металла в капиталистических странах [215]. Необходимо также учитывать, что при каталитической нейтрализации отработавших газов расход топлива увеличивается на 3—5%, а сам метод применим на неэтилированных бензинах. Тем йе менее по имеющимся оценкам в
Таблица 6.2. Динамика норм по токсичности автомобилей в США и Западной Европе (г/км пробега)
|
Компонент |
Начало 70-х годов |
Начало 80-х годов |
||
|
США |
ЕЭК ООН* |
США |
ЕЭК ООН |
|
|
[СН] |
2,6—1,9 |
6—10 |
0,26 |
3,0—6,0 |
|
ссГ |
21,2—17,5 |
78—38 |
4,40—2,10 |
30,0—25,0 |
|
N0* |
1,9 |
Не нормируется |
1,25—1,60 |
2,2—1,5 |
* Европейская экономическая комиссия ООН.
настоящее время в мире ежегодно нейтрализаторами оснаща-ется до 10 млн. автомобилей.
Эффективны системы нейтрализации, обезвреживающие одновременно три токсичных компонента — СО, [СН] и N0*. Трехкомпонентная система нейтрализации позволяет выполнить нормы по токсичности автомобилей, принятые в СССР и странах Европы, с большим запасом, удовлетворяет и очень жестким нормам США (табл. 6.2).
Анализ автомобильного парка СССР по структуре и назначению показал, что наиболее рациональное использование системы нейтрализации отработавших газов бензиновых двигателей на городских автобусах ЛиАЗ-677 и ЛАЗ-695, грузовых автомобилях, осуществляющих внутригородские перевозки, легковых автомобилях — такси семейства ГАЗ и маршрутных микроавтобусах — такси РАФ [216]. Эти автомобили отличаются напряженным режимом эксплуатации, и на их долю приходится наибольшее количество выбросов вредных веществ в воздушный бассейн крупных городов. Это подтверждается данными распределения выбросов вредных веществ в городах с разной численностью по группам автомобилей [217] (%):
|
>250 тыс. чел. |
500 тыс. — 1 млн. чел. |
>1 млн. чел. |
|
|
Грузовые с бензиновыми двигателями |
60,2 |
60,6 |
60,8 |
|
Грузовые дизельные |
15,2 |
12,0 |
10,4 |
|
Автобусы с бензиновыми двигателями |
15,1 |
13,7 |
13,1 |
|
Автобусы дизельные |
0,6 |
2,6 |
3,6 |
|
Государственные легковые автомобили |
3,0 |
5,5 |
6,7 |
|
Легковые автомобили индивидуального пользования |
5,9 |
5,6 |
5,4 |
Систему нейтрализации отработавших газов с каталитическими нейтрализаторами Н-13 можно использовать на автомобилях типа ГАЗ-24, ВАЗ, УАЗ, РАФ, «Москвич» и других с полной массой до 3,5 т. Нейтрализаторы типа НПЗ с гранулированным палладиевым катализатором обеспечивают эффективность очистки по оксиду углерода и углеводородам 85 и 70% соответственно. Применение двух нейтрализаторов Н-13 и двух эжекторов позволяет использовать эту систему на различных модификациях автомобилей ЗИЛ с эффективностью очистки отработавших газов 60—70% [216]. На автобусах ЛиАЗ-677 с бензиновыми двигателями, которые вместе с автобусами ЛАЗ-695Н преобладают в настоящее время в городском автобусном парке, применяют нейтрализатор Н-32 с палладиевым катализатором ШПАК-0,5. Как показала практика, заменять катализатор необходимо через 60—70 тыс. км пробега, т. е. примерно раз в году. Применение систем нейтрализации примерно на 10—15% увеличивает стоимость автомобиля, при этом приведенные затраты на автомобиль в год составляют ориентировочно »130 руб. для ГАЗ-24 и РАФ и »390 руб.— для автобуса ЛиАЗ-677. В пересчете на очистку отработавших газов, образующихся при сжигании 1 т бензина, приведенные затраты на нейтрализацию составляют 15—18 руб.
С ужесточением требований к уровню токсичности автомобилей затраты резко увеличиваются и в дальнейшем могут войти в противоречие с экономической целесообразностью эксплуатации автомобиля. Например, по данным ЕЭК ООН, затраты на антитоксичные мероприятия в зависимости от уровня требований к токсичности автомобилей (содержанию токсичных веществ, г/км) составляют [216]:
|
со |
,[СН1 |
N0, |
Затраты, долл/ав-томобиль |
|
13—28 |
2,1—3,3 |
1,2—1,7 |
69—260 |
|
12—26 |
1,7— 2,7 |
1,2—1,7 |
111—558 |
|
10—22 |
1,4—2,2 |
1,2—1,3 |
180—1286 |
Рассмотрим, какое влияние может оказать применение альтернативных топлив на содержание токсичных компонентов в отработавших газах автомобиля. При использовании синтетических жидких продуктов из угля, сланцев и природных битумов (при соответствии их показателей качества показателям качества нефтепродуктов) содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя будет на уровне нефтяных аналогов [13]. Экологические последствия применения топлив, как правило, оцениваются по удельным выбросам СО, [СН] и N0*. Однако для более объективной оценки этих топлив необходимо принимать во внимание все источники загрязнения окружающей среды, что в ряде случаев может изменить картину. Например, при использовании спиртовых топлив наряду со снижением выбросов СО и ЫОх отмечается повышенный выброс альдегидов и углеводородов. В среднем выбросы альдегидов при работе на спиртах в 2—4 раза выше, чем при работе двигателя на бензи-
Таблица 6.3. Удельные выбросы оксидов углерода и азота при работе автомобилей на различных топливах
|
Удельные выбросы, г/(т*км) |
||||
|
Топливо |
со |
N0, |
СО |
N0, |
|
ЗИЛ-130 |
ГАЗ-24СП |
|||
|
Бензин А-76 |
16,2 |
1,5 |
35,1 |
4,1 |
|
Метанол |
11,5 |
3,7 |
13,3 |
9,0 |
|
Бензино-метанольиая |
9,5 |
3,5 |
10,3 |
9,0 |
|
смесь БМ-15 Этанол |
6,7 |
2,4 |
13,1 |
4,7 |
|
Газохол (90% бензина |
9,6 |
3,3 |
11,7 |
9,8 |
|
и 10% этанола) Сжиженный пропан-бу- |
4,9 |
2,0 |
10,6 |
4,8 |
|
тан Сжатый природный газ |
5,4 |
2,2 |
11,8 |
5,0 |
|
Сжиженный природный газ |
5,1 |
2,! |
11,8 |
5,0 |
не, а выбросы паров смеси бензина с 10% этанола увеличиваются на 5% при движении автомобиля и на 42—48% при его заправке топливом.
, При работе автомобиля на альтернативном топливе с раз-
личным энергосодержанием изменяются его технико-эксплуата- ционные показатели. Оценить экологическую эффективность топлива можно на основе приведения всей гаммы потенциально вредных выбросов к единице транспортной работы. В НИИАТе разработана специальная методика машинного моделирования важнейших критериев эффективности автомобильного транспорта прйиспользовании альтернативных топлив, которая позволяет в сЬпрставимых условиях оценить содержание токсичных компонентой^? отработавших газах для любой схемы альтернативного цикла^эцергопотребления*.
В табл. 6.3 представлены рассчитанные по указанной методике удельные выбросы СО и N0* для двух моделей автомобилей, переоборудованных для работы на различных топливах. Как видно из таблицы, все виды альтернативных топлив характеризуются существенным снижением выбросов СО по сравнению с бензином, но наблюдается увеличение удельных выбросов оксидов азота.
Для более полной оценки эффективности применения альтернативных топлив на транспорте на рис. 6.1 приведены суммарный к. п. д. цикла энергопотребления топлив и комплексный показатель токсичности отработавших газов конвертированных автомобилей по более широкому кругу исследуемых альтерна-
Рнс. 6.1. Показатели эффективности применения альтернативных моторных топлив по энергетическому к. п. д. Т)э и комплексному показателю токсичности отработавших газов RG0: 1 — нефтяной бензин А-76; II — бензин прямого синтеза из природного газа; III — бензин прямого синтеза нз угля; IV — бензин «Mobil» из природного газа; V — бензин «Mobil» из угля; VI — синтетический бензин нз угля; VII — бензин метанольный БМ-5; VIII — бензин метанольный БМ-15; IX — бензин с добавкой 8% ТБМЭ; X — метанол нз природного газа; XI — метанол нз угля; XII — сжиженный пропан-бутано-вын газ; XIII — сжатый природный газ; XIV — сжиженный природный газ; XV— Н2 жидкий электролизный; XVI — Н2 электролизный в гидриде MgHj 92; XVII — Н2 из угля в жидком виде; XVIII — Н2 из угля в составе гидрида MgHt 92
тивных топлив. Самый высокий к и. д. у нефтяного бензина и его смесей со спиртами и трет-бутилметиловым эфиром, а также у газовых топлив, самый низкий — у водородных топлив. Вместе с тем последние характеризуются лучшими показателями по экологической чистоте.
Учитывая сложность использования водорода в чистом виде, в Институте проблем машиностроения АН УССР проведены исследования по его применению в виде добавки к бензину [215] на серийном автомобиле ГАЗ-24 («Волга»), Из бака, заполненного железотитановым гидридом, водород добавлялся к бензину. Испытания показали, что 10%-я добавка водорода позволяет снизить расход бензина на 50% (или на 23% суммарный расход энергии за счет более высокой теплоты сгорания водорода), уменьшить выбросы СО в 4 раза, углеводородов — примерно на 20% и оксидов азота — почти в 6 раз. Проведены также расчетно-экспериментальные исследования по добавке водорода к топливу, используемому в газотурбинном двигателе марки АИ-9. Оказалось, что добавка 3—5% водорода к реактивному топливу снижает эмиссию СО в 3—7 раза и бенз (а) пирена — в 3—6 раз, при этом расход топлива снижается на 15—20%.
По результатам испытаний, проведенных в Мичиганском университете (США), оказалось, что добавка 3,5% водорода к дизельному топливу позволила снизить выбросы сажи дизелем на 40% при 100%-й нагрузке его мощности, а при 80%-й нагрузке и добавке 5% водорода выбросы сажи уменьшились на 62% [215]. ¦
Таким образом, концентрация токсичных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания может меняться в широких пределах. Наряду с такими факторами, как вид топлива, техническое состояние автомобиля, метеорологические условия, выброс вредных веществ зависит и от режима работы двигателя. В связи с этим необходимо оценить токсичность каждого из отдельных компонентов, когда все выбросы приведены к одному компоненту, принимаемому за эталон. Как правило, в качестве такого эталонного компонента принимается оксид углерода. Для наиболее типичных отработавших газов автомобильных двигателей ниже приведены предельно допустимые концентрации компонентов и относительная значимость И1 (отношение ПДК оксида углерода к ПДК компонента) [216]:
СО [СН] N02 Сажа БензОа)пирен
ПДК^мг/м3 3,0 1,5 0,04 0,05 1(Гв
1,0 2,0 75,0 60,0 3-106
В соответствии с рекомендациями [184], значения относительной агрессивности (токсичности) отдельных компонентов, присущих выбросам двигателей внутреннего сгорания, составляют (т у. т.):
СО *[СН] N0 50^ Сажа Соединения
* свинца 1,0 1,26—3,16 41,1 16,5 200—300 22400
По указанной методике, экономическая оценка ущерба, причиняемого годовыми выбросами загрязнений в атмосферный воздух (У, руб/год), для всякого источника определяется по формуле:
У=ча/М, (6.1)
где у— константа, равная 2,4 руб/у. т; о — показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха (о=4 для территории промышленных узлов и предприятий и 0=8 для центральной части городов с населением свыше 300 тыс. чел.); 1 — показатель, учитывающий характер рассеивания примеси в атмосфере, принимаемый в расчетах равным 1; М — приведенная масса годового выброса вредных веществ, зависящая от показателя относительной агрессивности (токсичности), у. т/т.
В свою очередь, М вычисляется по формуле:
М= 2 Апи, (6.2)
1= 1
где А — показатель относительной агрессивности примеси й у. т/т; /л,- — масса годового выброса примеси I в атмосферу, т/год; п — общее число примесей, выбрасываемых источником в атмосферу.
Пользуясь этими формулами и значениями относительной агрессивности примесей, рекомендуемыми указанной выше методикой, можно вычислить приведенную массу вредных выбросов и размер экологического ущерба при употреблении нефтяных и альтернативных топлив в расчете на 1 т топлива, на один автомобиль в год и на 1 км пробега. Расчеты, приведенные
Таблица 6.4. Масса вредных веществ в отработавших газах на 1 т расхода топлива и экономический ущерб от его использования
|
Показатель |
Бензин: |
Дизельное |
Сжатый природный газ при использовании |
|
|
топливо |
в карбюраторном двигателе |
по газоди-зеліьному циклу |
||
|
Масса вредных веществ в отработавших газах |
||||
|
СО, т |
0,270 |
0,035 |
0,110 |
0,095 |
|
1СНД, т |
0,034 |
0,011 |
0,015 |
0,014 |
|
N0*. т |
0,028 |
0,051 |
0,031 |
0,035 |
|
50*, т |
0,010 |
0,045 |
Следы |
0,009 |
|
Сажа, кг/т |
0,800 |
5,000 |
Следы |
1,000 |
|
Соединения свинца, кг/т |
0,330 |
— |
— |
— |
|
Итого в натуральном |
0,343 |
0,147 |
0,156 |
0,154 |
|
выражении, т Приведенные выбросы, у.т./т (по формуле 6.2): |
||||
|
по сумме всех ток- |
9, 10(1,70’) |
3,88 |
1,41 |
1,91 |
|
сичных компонентов |
||||
|
по нормируемым |
1,49 |
2,15 |
1 41 |
1,56 |
|
выбросам (СО+ +СН+Ж)*) |
||||
Экономический ущерб на 1 т топлива (по формуле 6.1)**
При использовании эти- 87,4II74,7 — — —
лированного бензина, руб/т
По сумме токсичных 16,3/32,6* *** 37,2/74,4 13,5/27,0 18,3/36,6
компонентов, руб/т
По нормируемым выбро- 14,3/28,6 20,6/41,2 13,5/27,0 15,0/30,0
сам (СО+СН+Ж)*),
руб/т
* При использовании этилированного бензина — 9,10, иеэтилированного — 1,70 у. т/т.
** В числителе — экономический ущерб для территории промышленных предприятий и промышленных узлов (а=4), в знаменателе — для центральной части городов с населением свыше 300 тыс. чел. (а=8).
*** При использовании неэтилированного бензина.
ниже, носят ориентировочный характер из-за неполноты исходной информации, тем не менее они позволяют судить об относительной экологической эффективности применения различных видов топлив.
Масса вредных веществ на 1 т топлив разного вида и экономический ущерб от их использования приведены в табл. 6.4 по данным [218] и авторов. Наибольшие приведенные выбросы (в у.т./т) и размер экономического ущерба отмечается при использовании этилированного бензина. По сумме приведенных выбросов он более чем в 2,3 раза превосходит дизельное топливо и почти в 6,5 раз сжатый природный газ. Этиловая жидкость и содержащийся в ней свинец являются наиболее токсичными компонентами автомобильного бензина. Применение неэтилированного бензина по сумме приведенных токсичных выбросов, а также экологическому ущербу более чем в два раза эффективнее дизельного топлива и почти соответствует газовому топливу, где наблюдается повышенный выброс оксидов азота. В свою очередь, при использовании сжатого природного газа в газодизельном цикле почти в два раза снижаются приведенные выбросы по сумме всех токсичных компонентов и экологический ущерб по сравнению с дизельным топливом. В расчетах по газодизельному циклу принято, что соотношение расхода газа и дизельного топлива составляет 80 и 20% соответственно.
Если говорить о перспективах снижения токсичности автомобилей, то первоочередным мероприятием, дающим максимальный эффект и требующим минимальных затрат, должен стать отказ от производства этилированных бензинов со свинцовыми антидетонаторами. Производство неэтилированных бензинов потребует дополнительных мощностей по каталитическому риформингу с повышением жесткости процесса, а также по производству высокооктановых компонентов алкилированием, изомеризацией, получению трет-бутилметилового эфира и др. Ориентировочно дополнительные приведенные затраты на 1 т бензина возрастут в этом случае на 15—20 руб., однако экономический ущерб при этом снизится со 174,7 до 32,6 руб/т при использовании его в городах с населением свыше 300 тыс. человек и с 87,4 до 16,3 руб/т при использовании в зоне промышленных узлов и предприятий. Предотвращенный экологический ущерб по экономической эффективности в данном случае в 4—7 раз перекрывает затраты на организацию производства неэтилированных бензинов.
В городах с населением свыше 300 тыс. жителей становится эффективным применение сжатого природного газа. И хотя, как отмечалось в главе 5, приведенные затраты на применение сжатого газа на автомобилях ЗИЛ и ГАЗ по сравнению с бензином больше на 95—125 руб/т в расчете на 1 т замещаемого бензина, экономический ущерб от токсичных выбросов меньше на 148 руб/т (см. табл. 6.4).
По сравнению с неэтилированным бензином использование сжатого газа не дает заметных преимуществ, так как снижение экологического ущерба составляет 3—6 руб/т замещаемого бензина при таких же дополнительных затратах на замещение (95—125 руб/т). Если исходить только из критерия экологической эффективности, более предпочтительной является каталитическая нейтрализация отработавших газов. Она позволяет снизить суммарные нормируемые выбросы бензинового автомобиля с 1,49 до 0,96 у. т/т и уменьшить за счет этого экономический ущерб на 6—12 руб/т при дополнительных затратах на нейтрализацию в размере до 22 руб/т, что в 4—5 раз дешевле по сравнению с переводом автомобиля на сжатый природный газ.
Основные показатели, характеризующие пробег, годовой расход топлива, удельные выбросы токсичных веществ и экономический ущерб при использовании бензиновых (карбюраторных) и дизельных автомобилей семейства ЗИЛ даны ниже:
|
Карбюра |
Дизельный |
|
торный* Грузоподъемность, т 6,0 |
6,0 |
|
Годовой пробег, тыс. км 34,6 |
34,6 |
|
Годовая производительность, тыс. т-км 112,2 |
112,2 |
|
Годовой расход топлива, т 10,9 |
8,3 |
|
Годовые выбросы токсичных веществ, т: СО 2,940 |
0,291 |
|
[СН] 0,370 |
0,091 |
|
N0, 0,305 |
0,423 |
|
80, 0,109 |
0,369 |
|
сажа 0,009 Приведенные выбросы по сумме всех токсичных компонентов: уел. г/км 535 уел. т/год 18,530 |
0,042 931 32,204 |
Экономический ущерб от выброса вредных 177,7/355,4 308,8/617,6
веществ на автомобиль в год, руб.**
Экологическая составляющая ущерба на 0,51II,02 0,89II,78
1 км пробега, коп.**
* При нспользованнн неэтнлнрованного бензина.
** В числителе — экономический ущерб для территории промышленных узлов и предприятий, в знаменателе — для центральной части городов с населением свыше 300 тыс. человек.
Дизельный автомобиль по сумме приведенных затрат в расчете на одинаковые пробег и работу наносит экологический ущерб в 1,7 раз больше, чем бензиновый автомобиль. Этим уточняются результаты расчета, представленные в табл. 6.4, по которому использование 1 т дизельного топлива наносит ущерб в 2,3 раза больше чем 1 т бензина. Но наряду с уменьшением выбросов СО и {СН], что является положительным фактором дизелизации автомобильного транспорта, использование дизельных двигателей ведет к увеличению выброса оксидов азота и сажи.
Снизить их выбросы можно при использовании газодизельного процесса, позволяющего уменьшить выбросы оксида азота примерно в -1,5 раза и сажи — в 5 раз (см. табл. 6.4). Вместе с тем необходимо осуществление работ по нейтрализации отработавших газов дизельных автомобилей и улавливанию твердых частиц сажи.
При комплексном подходе к широкомасштабному производству альтернативных топлив и прежде всего синтетических, получаемых при переработке угля, сланцев и битуминозных песков, необходимо остановиться на следующих основных аспектах. Организация производства альтернативных топлив связана не только с решением сложных технических задач, но и с многообразными проблемами экономического, социального и экологического характера. Экономической и экологической стороне проблемы уделено достаточно внимания. Социальные аспекты проблемы — это прежде всего привлечение дополнительных трудовых ресурсов, что обусловлено строительством горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, создание необходимой инфраструктуры промышленного и социально-бытового характера, выбор площадок для строительства предприятий и населенных пунктов с учетом обеспечения нормальных условий проживания строителей и эксплуатационников по экологическим факторам. Социальные проблемы тесно смыкаются с экологическими — потребление воды и сброс сточных вод, выбросы пыли при горных разработках и переработке сырья. По мере концентрации производственных мощностей по добыче и переработке альтернативных видов сырья они из региональных экологических проблем могут перерасти в глобальные социальноэкологические. Например, загрязнение и повышение температуры открытых водоемов, в частности, рек, до уровня, представляющего опасность для живущих в них обитателей; образование плотных пылевых облаков, распространяющихся на десятки и сотни километров от источников выброса; значительные нарушения природного ландшафта.
В связи с отсутствием реальных инженерных проработок по производству синтетических топлив из угля и ряда других нетрадиционных ресурсов оценить достаточно точно влияние социально-экономических факторов на технологию их производства и применения затруднительно. Вместе с тем имеющиеся разрозненные данные позволяют выявить общие тенденции, характеризующие сравнительную экономическую и социальноэкологическую эффективность производства альтернативных топлив из различных видов сырья. Так, по минимальным оценкам, капитальные вложения на получение синтетической нефти из угля, сланцев и природных битумов с последующей ее переработкой в моторные топлива в 3—4 раза превышают капитальные вложения в переработку обычной нефти. Это вызывает необходимость привлечения дополнительной рабочей силы, создания дополнительных мощностей по производству оборудования в эквивалентном (или близком) соотношении к стоимости строительства. По данным Института газовой технологии США [13], производство 125 млн. т в год синтетических топлив из угля, сланцев и природных битумов потребует свыше 90 млрд. долл, капитальных вложений. Для обеспечения этой программы потребовалось бы использование свыше 25% имеющихся мощностей промышленности США по производству насосно-компрессорного и массотеплообменного оборудования, а также создание двух новых индустриальных центров каждый с населением по 1 млн. человек.
Одним из основных факторов, сдерживающих внедрение промышленной технологии переработки сланцев в США, запасы которых многократно превышают запасы нефти, являются расходы на охрану окружающей среды. Например, расходы на получение сланцевой нефти составляют 25—37 долл/м3, а с учетом затрат на охрану окружающей среды они увеличиваются до 75—94 долл/м3, т. е. в 3 раза. Эти средства используются на восстановление природного ландшафта, обезвреживание отходов, шлама и поиски места для размещения отработанного сланца [219].
Расход свежей воды на получение синтетических жидких продуктов из угля разными процессами составляет от 4 до 30 м3/т, а синтетической нефти из сланцев — 2,2 м3/т, что в несколько раз выше расхода свежей воды при переработке нефти, составляющего около 1 м3/т [220]. Количество сточных вод при переработке угля более чем в два раза превышает количество стоков, образующихся при переработке нефти— 1,57 и 0,75 м3/т соответственно.
В связи с отсутствием данных по выбросам в атмосферу при переработке альтернативных видов сырья в моторные топлива об изменении экологической ситуации можно косвенно судить по выбросам вредных веществ при их сжигании (г/м3):
|
Уголь |
Жидкое нефтяное топливо |
Природный Газ |
|
|
Сажа, пыль |
0,6—3,0 |
0,07—0,35 |
0,07—0,0035 |
|
Диоксид серы |
1,07—7,7 |
0,7-4,0 |
Следы |
|
Оксиды азота |
0,25—2,2 |
0,2—1,1 |
0,8—1,7 |
|
Оксид углерода |
0,004 |
0,056 |
0,015 |
|
Суммарные выбросы (% к углю) |
100,0 |
60,0 |
20,0 |
На основе изложенного выше можно сделать вывод, что йроизводство альтернативных топлив из твердых видов сырья сопряжено с увеличением капитало- и материалоемкости, привлечением дополнительной рабочей силы при строительстве и эксплуатации предприятий по получению синтетических жидких топлив. По приближенной оценке эти показатели возрастают по сравнению с переработкой традиционной нефти в 3—4 раза, расходы воды увеличиваются минимум в 2—4 раза, а выбросы в атмосферу—в 1,4—1,5 раза.
ГЛАВА 7
⇐Экономика и перспективы применения альтернативных топлив | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Перспективы производства и применения нефтяных альтернативных топлив в СССР⇒