< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Способи підвищення екологічної безпеки на транспорті

Заходи зі зниження негативного екологічного впливу при проектуванні та експлуатації транспортного комплексу

Вирішення проблем підвищення екологічної безпеки на транспорті можливе застосуванням багатьох технічних заходів. Серед них можна виділити заходи на етапі експлуатації транспортних комплексів та заходи на етапі проектування і будівництва об'єктів транспорту. У свою чергу, серед важливих заходів на етапі експлуатації можна назвати використання альтернативних палив, заходу із захисту поверхневих та грунтових вод, специфічні заходи при застосуванні антиожеледних солей та гербіцидів тощо.

Використання альтернативних видів палива та енергії

Паливо використовується як у двигунах рухомого складу, так і для забезпечення потреб стаціонарних об'єктів транспортного комплексу.

Традиційні моторні види палива – це продукти переробки нафти з різного роду добавками для надання цьому паливу певних характеристик.

Альтернативне паливо – це всі види палива, які або зовсім не містять похідних нафти, або лише частково містять продукти її переробки. На сьогодні усі альтернативні палива умовно ділять на чотири групи:

  • – видобувне та супутнє газоподібне паливо;
  • – синтезоване та гідролізне паливо;
  • – паливо з відновлюваних ресурсів;
  • – нафтове паливо з домішками.

Видобувне та супутнє газоподібне паливо. До цих видів палива відносять: стиснений природний газ (СПГ) і зріджений нафтовий газ (ЗНГ).

Стиснений природний газ. Залежно від родовища походження природний газ на 82 ÷ 99 % складається з метану CH4. За нормальних температур СПГ при стисненні навіть до досить великих тисків у зріджений стан не переходить. Він зріджується при температурах нижче – 161,6 °С, тому для зрідження необхідно використання спеціальних технологій. СПГ переважно використовують на автотранспорті стисненим до 20 МПа у балонах.

Переваги СПГ:

  • – завдяки молекулярному складу метану (молекула містить один атом вуглецю та чотири молекули водню) при його згоранні утворюється мало вуглекислого газу та більше водяної пари (утворення CO2 на 1 кг спаленого СПГ на 25% менше ніж на 1 кг спаленого бензину);
  • – через хорошу змішуваність газу з повітрям перед спалюванням у відпрацьованих газах дуже низький рівень вмісту CO;
  • – низький рівень вмісту твердих частинок у відпрацьованих газах;
  • – можливість спалювати газ у двигуні при високому коефіцієнті надлишку повітря (до 2), що знижує температуру в камері згорання і тому суттєво знижує викиди ΝΟХ.

Недоліки СПГ:

  • – на стиснення газу витрачається велика кількість енергії;
  • – теплотворна здатність метану по масі нижча за теплотворну здатність бензину на 10 ÷ 15 %;
  • – за різних причин при переобладнанні бензинового двигуна під спалювання СПГ його потужність знижується на 15 ÷ 20 %;
  • – викиди метану в атмосферу сприяють парниковому ефекту, оскільки метан є парниковим газом.

Зріджений нафтовий газ. Це суміш легких вуглеводнів, переважно пропану та бутану. Цей газ видобувають на газоконденсатних родовищах та отримують під час видобутку та перегонки нафти як супутній продукт. Він відносно легко зріджується за нормальної температури та тиску 1,6 МПа. На борту автомобіля його зберігають у балонах під тиском 1,7 МПа. За теплотворною здатністю по масі ЗНГ поступається бензину лише на 3 ч- 4 % і при переведенні бензинового двигуна на спалювання ЗНГ його потужність суттєво не знижується. Переваги та недоліки ЗНГ практично такі ж як і СНІ.

В цілому застосування СПГ та ЗНГ як автомобільного моторного палива дозволяє істотно знизити токсичність викидів: по оксиду вуглецю (СО) у 3...4 рази; по оксидам азоту (ΝΟХ) у 1,2...2,0 рази; по вуглеводням (СХНУ) у 1,2... 1,4 рази. При роботі дизельного двигуна на СПГ та ЗНГ димність в режимі прискорення зменшується у 2... 4 рази, шум знижується на 8... 10 дБА.

Разом з тим, у газобалонних вантажівок у порівнянні з бензиновими споряджена маса підвищується на 400...600 кг, відповідно знижується їх вантажоємність, а запас ходу скорочується майже удвічі.

Синтезоване та гідролізне паливо. До цих видів палива відносять: водень, ацетилен, азотовмісні палива.

Водень. Отримують водень кількома шляхами: при переробці природного газу і нафти, шляхом електролізу води, а також шляхом газифікації вугілля під тиском. На сьогодні є три способи зберігання водню: у балонах під високим тиском, у криогенних баках (за низьких температур) та у хімічно зв'язаному стані. Усі відомі методи як отримання так і зберігання водню є проблемними і дорогими.

Переваги водневого палива:

  • – не є токсичним, тому при витоках не забруднює навколишнє середовище;
  • – продуктом згорання є нетоксична водяна пара, єдиним токсичним продуктом можуть бути оксиди азоту (в незначних кількостях можуть бути присутні СО та СХНУ, проте вони є продуктами згорання олив, що потрапляють у камеру згорання;
  • – робота двигуна можлива при дуже високих коефіцієнтах надлишку повітря, аж до 10, що дозволяє знижувати температуру в камері згорання і суттєво знижувати викиди ΝΟХ.

Недоліки водневого палива:

  • – отримання водню є дуже енергоємним і дорогим;
  • – зберігання є складним та небезпечним;
  • – потужність двигуна, що працює на водні, на 20...30 % нижча у порівнянні з двигуном, що працює на бензині (причиною є мале наповнення циліндра паливом через малу густину водню);
  • – через велику швидкість горіння водню робота двигуна є жорсткою і схильною до виникнення детонаційних явищ. Водень має дуже малу густину. Тому при зберіганні у стисненому стані у балонах його вміст у балонах є невеликим. Навіть при стисканні водню до 40 МПа маса самого водню складає до 1,3% маси балону. Наприклад для того, щоб розмістити на борту середнього легкового автомобіля 10 кг водню, якого вистачить на пробіг 400 -ь 500 км, необхідно балонів загальною масою 1200 кг. Крім того, зберігання на борту автомобіля балонів під великим тиском є вибухонебезпечним.

Зберігання водню в кріогенних баках (в рідкому стані за низьких температур) викликає багато складнощів. Температура його зрідження за нормального тиску складає близько мінус 250 °С. Досягнення таких низьких температур вимагає значних енергетичних затрат. Підтримка таких температур протягом експлуатації є неможливою, тому водень в баках починає випаровуватися і тиск починає зростати. В періоди, коли водень з криогенних баків не використовується, щоб запобігти значному підвищенню тиску всередині баків, його просто скидають в атмосферу. Це призводить до значних непродуктивних втрат. На сьогоднішній день навіть найкращі зразки криогенних баків з хорошою герметизацією та теплоізоляцією (баки з подвійними стінками і ізоляцією між ними) втрачають біля 1% водню за добу.

Зберігання водню у зв'язаному стані також проблематичне. Для зберігання використовують властивості деяких металогідритів поглинати водень за низьких температур та виділяти його за високих температур. Наприклад, магнієві гідрити можуть поглинути до 8% водню за масою, проте для виділення водню вони потребують нагрівання до 300 °С. Залізотитанові гідрити виділяють водень при температурі біля 7 °С, проте вони здатні поглинати лише до 2% водню за масою і, тому, повинні мати велику масу.

Ацетилен. Питання використання ацетилену як моторного палива, знаходиться на стадії вивчення. С2Н2 – це газ, який виробляють з нафтової сировини і який має досить високі енергетичні показники.

Перевагою ацетилену є низькі викиди СО та СхНу. Проведені досліди показали, що в режимі максимальної потужності викиди СО традиційного двигуна внутрішнього згорання, що працює на ацетилені у 2...2,5 рази менші, а викиди СхНу у 3,5...4,5 рази менші, ніж при роботі на бензині. Проте, викиди ΝΟχ знаходяться на тому ж рівні, що і при роботі на бензині. Головним недоліком ацетилену є його вибухонебезпечність.

Паливо з відновлюваних ресурсів. До них відносять спиртові палива (метанол та етанол), а також рослинні олії.

Метанол має хімічну формулу СН3ОН. Його отримують шляхом переробки вугілля, природного газу, вапняку, побутових відходів, відходів лісового господарства. Метанол має високе октанове число, що дозволяє досягати більших ступенів стиснення в циліндрах двигунів. Тому потужність двигунів, що живляться метанолом, на 10... 15 % вища, ніж двигунів, що живляться бензином.

Метанол має високу теплоту випаровування (приблизно у 3,6 разів вищу ніж бензин) – вона складає 1160 кДж/кг (для порівняння теплота випаровування бензину – 318 кДж/кг). Це спричиняє труднощі при запуску двигуна за низьких температур навколишнього середовища. При температурах 0 °С і нижче двигун запустити практично неможливо. Тому в двигунах необхідно встановлювати спеціальні підігрівані палива перед його подачею у циліндри двигуна, або додавати до палива спеціальні рідини, які легко випаровуються, такі як диметиловий ефір, зріджений газ, ізопірен, бутан тощо.

Переваги використання метанолу замість традиційного палива:

  • – знижується вміст ΝΟχ у відпрацьованих газах через більш низьку температуру в камері згорання;
  • – вміст СхНу у відпрацьованих газах складає лише 25... 30 % від аналогічного вмісту при спалюванні бензину;
  • – вміст канцерогенних поліциклічних вуглеводнів у відпрацьованих газах на порядок менше ніж при спалюванні бензинів;
  • – у відпрацьованих газах відсутні сполуки сірки та сажі.

Недоліки використання метанолу як автомобільного палива:

  • – пари метанолу більш шкідливі ніж пари бензинів;
  • – метанол є агресивним по відношенню до гуми і деяких синтетичних матеріалів, що використовуються в автомобілебудуванні;
  • – метанол сприяє більш швидкому зношуванню деяких деталей двигуна;
  • – у відпрацьованих газах вміст альдегідів приблизно у два рази вищий ніж при спалюванні бензинів.

Викиди СО знаходяться приблизно на тому ж рівні, що і при роботі автомобільних двигунів на традиційних видах палива.

Етанол має хімічну формулу С2Н5ОН. Його отримують з рослинної сировини, такої як цукрова тростина, кукурудза, пшениця тощо. Властивості цього палива близькі до метанолу. Проте теплота випаровування його нижча – 1000 кДж/кг. Тому пускові характеристики двигунів, що працюють на етанолі, кращі. Для автомобільних двигунів використовують або чистий етанол, або його суміш з бензином.

Переваги та недоліки роботи автомобільних двигунів на етанолі практично такі ж як і при роботі на метанолі. Використання етанолу дозволяє знизити викиди сполук сірки, сажі, високомолекулярних вуглеводнів тощо. Одним з головних недоліків (як і для метанолу) є підвищений вміст альдегідів у відпрацьованих газах.

При використанні спиртів у якості моторних палив окрім традиційних речовин, які піддаються нормуванню у відпрацьованих газах (CO, ΝΟχ, СХНУ), необхідно нормувати також вміст альдегідів. Основні альдегіди, що присутні у відпрацьованих газах: сильний подразник ацетальдегід СН3СНО та алерген, а також мутаген і канцероген формальдегід НСНО.

Використання етанолу в дизельних двигунах пов'язано з певними технічними проблемами і не дає відчутних екологічних переваг. Етанол має вищу ніж дизельне пальне температуру самозапалювання, приблизно на 100 °С, та у 6 разів нижче цетанове число. Це робить неможливим використання етанолу в чистому вигляді у традиційних дизельних двигунах, оскільки в їх циліндрах етанол від стискання не самозапалюється. Для вирішення цієї проблеми у двигунах створюють подвійну паливну систему: для етанолу та для дизпалива. При цьому дизпаливо вприскують в циліндри поряд з етанолом і використовують для запалення суміші. Токсичність відпрацьованих газів при використанні етанолу практично така сама як і при використанні дизельного палива.

Рослинні олії, що використовують як моторне паливо, це: ріпакова, соняшникова, кукурудзяна, соєва тощо.

Ріпакову олію отримують з ріпака шляхом пресування. Таким чином на олію перетворюється 40% від маси сировини. Застосовуючи спеціальні методи більш глибокої екстракції, можна отримати до 70% виходу олії з сировини. Олію використовують як мастило, а також як добавку до дизельного палива, або переробляють її на метилефір, який використовується як паливо в чистому вигляді для дизельних двигунів. При використанні як мастила ріпакова олія своїми змащувальними властивостями не поступається нафтовим мастилам, а за антикорозійними та антизношувальними властивостями перевищує їх.

Енергетичні характеристики дизельних двигунів, що працюють на суміші ріпакової олії з дизпаливом та на чистому дизпаливі, майже однакові. Мало відрізняються також їх екологічні показники. При роботі двигуна на середніх режимах токсичність викидів практично однакова. При роботі двигуна з підвищеними навантаженнями трохи зростає концентрація ΝΟХ у відпрацьованих газах та їх димність.

При роботі дизельного двигуна на ріпаковому метилефірі, у порівнянні з роботою на дизельному паливі, збільшується витрата палива та концентрація ΝΟХ у відпрацьованих газах, при цьому суттєво зменшуються викиди сполук сірки (до 70 разів). Концентрація решти токсичних речовин майже не відрізняється.

Нафтове паливо з домішками. Додавання до традиційних видів палива різних домішок дозволяє знизити токсичні викиди автомобілем без внесення конструктивних чи організаційних змін у роботу двигуна. В якості таких добавок сьогодні розглядають водень, спирти, воду тощо.

Водень. Його можна додавати як до бензинів так і до дизельного палива. При цьому експерименти показують, що додавання 20% водню за масою до бензину знижує викиди СО приблизно у 4 рази, ΝΟХ у 8 разів, СХНУ у 2 рази. Додавання 10% водню до дизельного палива дозволяє на 30% скоротити його витрату, що у свою чергу зменшує токсичні викиди.

Спирти. До традиційних видів моторного палива в якості домішок додають етанол та метанол, які були розглянуті раніше. Для існуючих бензинових двигунів оптимальним вважається додавання 10...15% спиртів до бензину.

Одним з головних недоліків такого палива є висока розчинність спиртів у воді. Тому потрапляння у паливні ємності води призводить до розчинення у ній спиртів і подальшого розшарування спиртововодяної суміші та бензину, оскільки вода та бензин мають різну густину. Розшарування залежить від вмісту спирту у бензині і кількості води, що потрапила у ємність, та температури бензину. Чим вища температура, тим інтенсивніше проходять процеси розшарування. Для зменшення процесів розшарування до бензину додають різні стабілізуючі добавки, які підвищують температуру початку процесу розшарування. Це такі добавки, як ізопропанол, бутанол, гексанол тощо.

Етанол є більш придатним, як паливна домішка, ніж метанол. При цьому суміш етанолу і бензину часто називають газохол. Він покращує розчинність води у бензині і тим самим знижує розшарування. Крім того, етанол є менш агресивним до матеріалів, які застосовують у автомобілебудуванні.

Вода. Її подають у циліндри двигуна, попередньо розпилюючи повітряним потоком у впускному трубопроводі. Подавання води у циліндри також можливе у вигляді водопаливної емульсії. Дослідження показують, що додавання води має як позитивні, так і негативні результати для роботи двигуна.

Переваги додавання води до палива:

  • – вода забирає частину теплової енергії на випаровування, знижує температуру в камері згорання і, як результат, знижує викиди ΝΟХ;
  • – висока температура в камері згорання заставляє крапельки води миттєво випаровуватися у вигляді маленького вибуху, що сприяє кращому розпиленню палива в циліндрі, підвищенню повноти згорання і, як результат, зменшенню викидів СО;
  • – вода підвищує стійкість суміші до детонації, в результаті чого можливим стає більший ступінь стискання у циліндрі і підвищення потужності двигуна, або ж використання бензинів з нижчим октановим числом при збереженні потужності;

Недоліки додавання води до палива:

  • – вприскування води призводить до пришвидшення зношування гільз у двигуні в середньому у 1,5 рази;
  • – збільшуються викиди СХНУ, що пояснюється тим, що вода знижує температуру пристінкового шару в циліндрі, де погіршується горіння вуглеводнів.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >