Особенности образования загрязняющих веществ в дизелях тепловозов и разработка мероприятий по их снижению

Транспортная система Российской Федерации является одной из ключевых отраслей промышленности и включает в себя следующие основные виды транспорта: железнодорожный, морской, речной, автомобильный, воздушный и трубопроводный. В настоящее время суммарная установленная мощность находящихся в эксплуатации транспортных двигателей составляет приблизительно 1400 млн. кВт (из них около 500 млн. кВт составляют дизели), что в 5,5 раз превышает установленные мощности всех ТЭЦ, ГЭС и АЭС страны [1]. До 80% нефтеперерабатывающих мощностей топливно-энергетического комплекса работают исключительно на нужды транспортного комплекса страны. Двигатели потребляют более 90% вырабатываемого жидкого топлива.

Транспорт Российской Федерации сжигает ежегодно до 115 млн. т топлива, до 15 млн. т смазочного масла и выбрасывает с отработавшими газами в атмосферный воздух около 30 млн. т вредных веществ, в том числе 15 млн. т оксида углерода (СО), 12 млн. т оксидов азота (NOx), 2 млн. т углеводородов.

СХНУ), 1,2 млн. т сажи и 2−10 МДж тепловой энергии [2].

Железнодорожный транспорт России является ведущим транспортом страны, выполняющим свыше 80,8% грузооборота и более 43,2% пассажирооборота транспорта общего пользования. Железные дороги играют решающую роль в выполнении перевозок важнейших грузов, обеспечивающих бесперебойное функционирование ведущих отраслей промышленности и агропромышленного комплекса страны.

Перевозочный процесс на Российских железных дорогах осуществляется с применением прогрессивных видов тяги — электрической и тепловозной. Удельный вес электрической тяги составляет 53%, тепловозной — 47%). Тепловозной тягой выполняются перевозки пассажиров и грузов, а также маневровые работы на станциях и путях промышленного железнодорожного транспорта.

На промышленном железнодорожном транспорте, расположенном в населенных пунктах и крупных городах, начинают и заканчивают свой путь около 80% всех грузов, перевозимых железными дорогами.

Стабилизация социально-экономической обстановки страны, сдерживание и снижение железнодорожных тарифов на перевозки грузов, оказали позитивное воздействие на динамику промышленного производства, что вызвало рост грузопотоков, а доступность цен на железнодорожные билеты создала необходимую базу для увеличения перевозок пассажиров. Это привело к увеличению поездной и маневровой работы локомотивного парка. При этом следует учесть, что в последние годы большая часть тепловозов выработала свой ресурс и не отвечает требованиям по надежности, экономичности и экологичности [3]. В то же время, согласно закону Российской Федерации «О федеральном железнодорожном транспорте» поставляемый заводами промышленности и находящийся в эксплуатации подвижной состав, технические средства и механизмы должны соответствовать установленным требованиям безопасности движения, охраны труда, экологической и пожарной безопасности, а также подлежат обязательной сертификации. В перечень объектов для сертификации включены, в частности, дизели и дизель-генераторы, тепловозы, авто-мотористы и путевые машины [2,4].

На железнодорожном транспорте дизельный тяговый подвижной состав ежегодно потребляет 12,6 млн. т дизельного топлива и выбрасывает в атмосферу 1,9 млн. т вредных веществ.

Технологические процессы контроля выбросов вредных веществ с отработавшими газами тепловозов в атмосферный воздух и регулировка тепловозных дизелей проводится на пунктах экологического контроля. Это способствует обеспечению экологической безопасности предприятий, позволяет удовлетворить принципам приоритета охраны жизни и здоровья настоящего и будущих поколений. Данные требования жестко регламентирует Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха», объявленный указанием МПС России № 220 пр-у от 20 мая 1999 г. для руководства на федеральном железнодорожном транспорте [4].

Важность решения задач защиты атмосферы от вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания определяется тем, что загрязнения от транспортных средств составляют наиболее существенную долю, в основном за счет оксида углерода, оксидов азота, несгоревших углеводородов и выбросов сажи. Меньшее, но достаточно заметное влияние на окружающую среду оказывают содержащиеся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания оксиды серы [5].

Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха, особенно в крупных промышленных центрах, ведет к росту заболеваний дыхательных путей и заболеваний онкологического типа. Это обстоятельство, а также перспектива глобальных осложнений в окружающей природе («кислотные дожди», изменение климата) приводят к необходимости ограничения выбросов еще ряда веществ, содержащихся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Это относится, в частности, к выбросам углеводородных соединений канцерогенной группы, диоксида углерода, паров воды, а также к соединениям серы. Увеличение диоксида углерода в атмосферном воздухе способствует усилению так называемого «парникового эффекта» Также опасны полициклические ароматические углеводороды. Они отличаются высокой канцерогенностью. Самый опасный из них бенз-(а)-пирен. [6−8].

Особую опасность для атмосферы представляют оксиды азота, главным образом монооксиды и диоксиды, содержащиеся в атмосферных газах в л количестве 0,02−0,5% по объему или 0,04−1,02 г/м по массе[9−11]. По действию на организм человека они более опасны, чем оксид углерода.

Одной из наиболее серьезных проблем для дизелей является выброс в атмосферу частиц сажи, отличающихся высокой стабильностью, и, следовательно, способностью к длительному сохранению в условиях окружающей среды. Эта особенность, а также возможность адсорбции на поверхности частиц сажи канцерогенных веществ требуют разработки и внедрения мер по снижению выброса частиц сажи [11,12].

Стандарты на выбросы загрязняющих веществ дизелями тепловозов введены во многих странах мира. В Российской Федерации также приняты стандарты по ограничению выбросов и продолжаются работы по совершенствованию процессов в цилиндрах дизелей и по разработке мероприятий, снижающих вредные выбросы тепловозных дизелей.

Экспериментальные и теоретические исследования по изучению закономерностей образования вредных веществ в дизелях тепловозов проводятся в научно — исследовательских институтах и вузах как у нас в стране, так и за рубежом.

Однако недостаточно изучены особенности образования загрязняющих веществ в дизелях тепловозов и требуют дальнейшей разработки методы и средства снижения выбросов вредных веществ дизелями в условиях эксплуатации.

Решению этих вопросов посвящена диссертационная работа. Тема работы актуальна, так как посвящена изучению структуры и механизмов образования загрязняющих веществ в дизелях маневровых и магистральных тепловозов в условиях эксплуатации, а также разработке методов и средств снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Работа выполнена в соответствии с «Экологической программой железнодорожного транспорта на 2001;2005 годы» (указание МПС РФ № Г-131 у от 3 0 января 2001 г).

Цель и задачи исследований.

Целью исследований является изучение особенностей образования оксидов азота, оксида углерода, несгоревших углеводородов и сажи (дымность), а также кокса в дизелях тепловозов и разработка мероприятий по их снижению.

Задачи исследований:

1. Выявить основные факторы и установить особенности влияния этих факторов на образование вредных веществ в дизелях тепловозов в условиях эксплуатации.

2. Разработать физико-химическую модель образования сажи в тепловозных дизелях.

3. Разработать математическую модель образования кокса в элементах топливной системы тепловозных дизелей.

4. Экспериментально исследовать уровни вредных выбросов дизелями тепловозов в условиях эксплуатации.

5. Разработать мероприятия по снижению выбросов вредных веществ дизелями тепловозов.

6. Усовершенствовать методику учета экономического ущерба от вредных выбросов дизелей тепловозов с учетом типа, режима и технического состояния тепловозов.

Методики исследований.

При выполнении работы использованы методы математического моделирования термохимических и теплофизических процессов, методы математической статистики, методы планирования и обработки натурного эксперимента.

Математические модели уточнялись и корректировались по результатам экспериментальных исследований. Обобщенный в диссертации экспериментальный материал по выбросам вредных веществ получен по результатам обследования тепловозов в локомотивных депо Куйбышевской железной дороги и в локомотивном депо Сургут Свердловской железной дороги.

Исследования закономерностей образования кокса проводились на электротермической установке на тонкостенных обогреваемых трубках. Интенсивность коксоотложения оценивалась по изменению наружной температуры обогреваемой трубки.

Научная новизна.

1. Обобщены экспериментальные данные по дымности и выбросам оксидов азота, оксида углерода, несгоревших углеводородов тепловозными дизелями в условиях эксплуатации. Установлено, что основными факторами, влияющими на уровни выбросов, являются конструкция, техническое состояние, режимы работы дизелей и параметры окружающей среды, которые определяют неравномерность состава топливовоздушной смеси и локальные значения коэффициента избытка воздуха в цилиндрах дизелей.

2. Разработана физико-химическая модель образования сажи в дизелях тепловозов, основанная на протекании двух конкурирующих процессов: образования и выгорания сажи, включающая реакции окисления и термического пиролиза топлива. Расчетами установлено определяющее влияние давления и коэффициента избытка воздуха на скорость выгорания сажи.

3. Разработана математическая модель образования кокса в элементах топливной системы, основанная на окислении топлива растворенным в нем кислородом, учитывающая неравномерность температурных полей по сечению и длине топливных каналов.

4. На основании проведенных расчетов по разработанной модели установлено определяющее влияние температуры и расхода топлива, а также содержания кислорода в топливе на скорость образования кокса.

Практическая ценность.

1. Экспериментально показана особенность влияния конструкции, технического состояния и режимов работы дизелей тепловозов, а также параметров окружающей среды на дымность и выбросы оксидов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов.

2. Экспериментально установлено взаимное влияние оксида углерода и несгоревших углеводородов на дымность отработавших газов.

3. Предложен и опробован способ подачи дополнительного воздуха на запуске дизеля и переходных режимах его работы, разработана система подачи дополнительного воздуха в цилиндры дизеля.

4. Разработана бортовая система подготовки и подачи водотопливной эмульсии, включающая контур циркуляции и гидродинамический диспергатор.

5. Даны практические рекомендации по учету режимов работы и параметров окружающей среды при испытании тепловозов на пунктах экологического контроля.

Реализация результатов работы.

Результаты работы реализованы в технологии экологического контроля в локомотивном депо Самара. Разработанная математическая модель образования кокса реализована в алгоритме и программе расчета. Материалы диссертации явились основой учебного пособия. Методика оценки экономического ущерба внедрена в практику работы лаборатории экологического контроля Самарского отделения Куйбышевской железной дороги.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях первой, второй и третьей международных конференциях «Безопасность транспортных систем» (г. Самара, 1998, 2000, 2002) — на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития транспортных систем» (г. Гомель, 1998) — на III научно-практической конференции «Молодые ученыетранспорту» (г. Екатеринбург, 2001) — на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы охраны и безопасности труда» (г. Самара, 2002) — на Всероссийском симпозиуме с международным участием «ХИФПИ-02» «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2002) — на Всероссийской конференции молодых ученых Волжского региона «Перспективы развития Волжского региона» (г. Тверь, 2002) — на 7.

Всероссийской конференции «Техносферная безопасность. Наука, практика, образование» (г.Туапсе, 2002) — на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания» (г. Хабаровск, 2002). Публикации.

По теме диссертации опубликовано: статей — 20, тезисов докладов на конференциях — 1, получено 1 свидетельство на интеллектуальный продукт. Всего 22 работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации изучены особенности образования загрязняющих веществ в дизелях тепловозов с использованием разработанных моделей и по результатам экспериментальных исследований. По вредным выбросам и дымности обследовано 378 тепловозов в локомотивных депо Куйбышевской железной дороги и 78 тепловозов в локомотивном депо Сургут Свердловской железной дороги. Экспериментальные исследования закономерностей образования кокса проводились на электротермической установке на обогреваемых трубках, термометрированной снаружи.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Обобщены и проанализированы экспериментальные данные по дымности и выбросам оксидов азота, оксида углерода, несгоревших углеводородов тепловозными дизелями в условиях эксплуатации. Установлено и экспериментально подтверждено, что основными факторами, влияющими на уровни выбросов, являются конструкция, техническое состояние, режимы работы дизелей и параметры окружающей среды, которые определяют неравномерность состава топливовоздушной смеси и локальные значения коэффициента избытка воздуха в цилиндрах дизелей.

2. Разработана физико-химическая модель образования сажи в дизелях тепловозов, основанная на протекании двух конкурирующих процессов: образования и выгорания сажи, включающая реакции окисления и термического пиролиза топлива. Расчетами установлено определяющее влияние давления и коэффициента избытка воздуха на скорость выгорания сажи.

3. Разработана математическая модель образования кокса в элементах топливной системы, основанная на окислении топлива растворенным в нем кислородом, учитывающая неравномерность температурных полей по сечению и длине топливных каналов. На основании проведенных расчетов по разработанной модели установлено влияние температуры и расхода топлива, а также содержания кислорода в топливе на скорость образования кокса.

4. Экспериментально показана особенность влияния конструкции, технического состояния и режимов работы дизелей тепловозов, а также параметров окружающей среды на дымность и выбросы оксидов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов. Установлено взаимное влияние оксида углерода и несгоревших углеводородов на дымность отработавших газов.

5. Разработана бортовая система подготовки и подачи водотопливной эмульсии, включающая контур циркуляции и гидродинамический диспергатор. Подача водотопливной эмульсии снижает дымность на 26%, выбросы по оксидам азота — на 46%, по оксидам углерода — на 33%.

6. Предложен и опробован способ подачи дополнительного воздуха на запуске дизеля и переходных режимах его работы, разработана система подачи дополнительного воздуха в цилиндры дизеля. Подача дополнительного воздуха снижает дымность на переходных режимах минимум на 24−28%.

7. Даны практические рекомендации по учету режимов работы и параметров окружающей среды при испытании тепловозов на пунктах экологического контроля.

8. Оценен экономический ущерб от вредных выбросов тепловозных дизелей, который составил 2183,7 тыс. руб. на депо с парком 50 маневровых тепловозов (в ценах 2002 года). Интегральный экономический эффект от внедрения результатов работы составил 1338,11 тыс. руб. за 10 лет эксплуатации (в ценах 2002 года).