Нейтрализация отработавших газов дизелей подземного самоходного оборудования и карьерного автотранспорта. Состав отработавших газов дизелей

Отработавшие газы (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

Оксид углерода (CO) — газ без цвета, запаха, вкуса, легче воздуха. Плотность по отношению к воздуху — 0,967.

Необходимо помнить, что оксид углерода весьма ядовит и при концентрации в атмосфере:

0,0017 % об. — безвредно;

0,01 % об. — хроническое отравление при длительном пребывании;

0,05 % об. — слабое отравление через час;

1 % об. — человек теряет сознание через несколько вдохов.

Диоксид углерода (CO₂) — бесцветный газ со слабокислым вкусом и запахом, горение не поддерживает. Соединение стойкое, плотность по отношению к воздуху — 1,52.

При содержании диоксида углерода в рудничной атмосфере:

1–2 % об. — частота дыхания увеличивается на 50 %;

3–4 % об. — наступает кислородное голодание;

8–10 % об. — потеря сознания.

Оксиды азота — в ОГ могут существовать в виде: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅. Преобладающим компонентом из суммы оксидов азота является оксид азота NO (II). Оксид азота бесцветен, в воде малорастворим.

Воздействие на организм человека NO₂ в зависимости от его концентрации в воздухе следующее:

0,0001–0,003 % об. — порог восприятия запаха;

0,0013 % об. — раздражение слизистых оболочек носа и глаз;

0,004–0,008 % об. — отек легких.

Сернистый ангидрид (SO₂) — бесцветный газ с резким запахом. Плотность по воздуху — 2,26. Хорошо растворяется в воде.

Воздействие на организм человека в зависимости от содержания SO₂ в воздухе следующее:

0,0017 % об. — раздражение глаз и кашель;

0,0007–0,001 % об. — раздражение в горле;

0,004 % об. — отравление через 3 минуты;

0,01 % об. — отравление через 1 минуту.

Акролеин (альдегид акриловой кислоты) (СН₂=СН-СН-О) — бесцветная жидкость с запахом пригорелых жиров, весьма летуч, хорошо растворяется в воде. Плотность по отношению к воздуху — 1,9.

При концентрации акролеина в воздухе:

0,000009 % об. — безвредно;

0,0005 % об. — трудно переносимо;

0,002 % об. — непереносимо;

0,014 % об. — через 10 минут наступает смерть.

Формальдегид (Н₂СО) — бесцветный удушливый газ с резким запахом. Легко растворяется в воде. В организм проникает через органы дыхания, является протоплазматическим ядом. Плотность по воздуху — 1,04. Острое отравление формальдегидом характеризуется раздражением слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Одновременно появляются боли и чувство сдавливания в груди, одышка. При хроническом отравлении отмечается отсутствие аппетита, потеря в весе, общая слабость, постоянные головные боли, учащенное сердцебиение.

При содержании формальдегида в воздухе:

0,00004 % об. — безвредно;

0,007 % об. — вызывает легкое раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз;

0,018 % об. — осложнения.

Углеводороды — обширная группа соединений C_xH_y, отличающихся друг от друга количеством атомов углерода и водорода в молекуле, либо в ее структуре. Углеводороды имеют неприятный запах и раздражающе действуют на организм человека. На открытых работах при фотохимической реакции углеводородов с оксидами азота образуется соединение, известное под названием «смог». Углеводороды могут быть носителями канцерогенных свойств отработавших газов.

Твердый фильтрат (сажа и другие соединения)

Всего в составе дизельных твердых частиц идентифицировано около 1000 соединений [1], 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 0,05–6,2 мг/кг сжигаемого топлива или 5,4–8,6 мг/м³ ОГ [2].

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 [3].

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 [4]. 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 1 мкг/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. [5].

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 (таблица 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 обозначает, 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 500 м³ 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 [6,7]. Поэтому для уменьшения содержания токсичных компонентов в ОГ, после выброса их из двигателей, используется различная газоочистительная аппаратура [8]. Разработаны каталитический, жидкостный, пламенный, термический и другие типы нейтрализаторов [9,10,11]. 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.         Способы нейтрализации отработавших газов дизелей / Тез.докл. I-й научно-технической конференции по вопросам увеличения эксплуатационной работоспособности автомобилей. — Жезказган, 1976. — С. 13–14.

2.         А.с. СССР № 273955. Нейтрализатор отработавших газов / Жуков Г. И., Башилов Ю. Б. (СССР). — № 1240013; Заявл. 13.05.68; Опубл. в Б. И., 1970, № 34.

3.         А.с. СССР № 389276. Способ нейтрализации выхлопных газов / Жуков Г. И., Сагитов Ж. С., Башилов Ю. Б., Газизов Д. Х. (СССР). — № 1619434; Заявл. 11.02.71; Опубл. в Б. И. 1973, N 29.

4.         Попова Н. М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. — Ал-ма-Ата: Наука, 1987. — 224 с.

5.         Жуков Г. И., Плясовских З. В., Погребняков И. М. Использование химических соединений для восстановления платины на блочном катализаторе // Новости науки Казахстана: Научно-техн. сб., № 3, Алматы, 1997. — С. 21–25.

6.         Сборник трудов ЛАНЭ. — М.: Знание, 1969. — 360 с.

7.         Жуков Г. И. Новые каталитические нейтрализаторы для подземных самоходных машин с приводом от дизелей. // Горный журнал. — № 12, 1993.- С.65–67.

8.         Жуков Г. И. Проблемы создания газоочистительной аппаратуры для подземного самоходного оборудования с приводом от дизелей // Проблемы освоения, разработки и переработки полезных ископаемых на месторождениях Жезказганского региона: Материалы Международной научно-техн.конф., посвященной 150-летию освоения Жезказганского место-рождения. — Жезказган: ЖезУ, 1997. — С.12–14.

9.         Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, 1975. — 560 с.

10.     Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. — М.: Наука, 1970. — 216 с.

11.     Дейч М. Е. Техническая газодинамика.- М.: Энергия, 1974.- 592 с.