Судовых энергетических установок

 

Цель работы: Изучить особенности воздействия выбросов судовых энергетических установок (СЭУ) на ОС и организм человека, рассчитать количество вредных веществ отработавших газах с учетом качества применяемого топлива, определить размер ущерба атмосфере от выбросов СЭУ.

 

Теоретическая часть

Вследствие неполного сгорания топлива, несовершенства систем СЭУ, нарушений правил технического обслуживания, а иногда в результате аварии может возникнуть химическое, тепловое, шумовое, вибрационное и радиационное загрязнение атмосферы [3].

Остановимся более подробно на химическом загрязнении.

При работе СЭУ в атмосферу выбрасываются отработавшие газы (ОГ) котлов и двигателей внутреннего сгорания (главных и вспомогательных), токсичность которых зависит от сорта топлива и условий его сгорания.

Многочисленными исследованиями установлено, что в ОГ содержится более 200 различных вредных веществ, которые по токсичности делятся на семь групп (табл. 5).

Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. В этой группе заслуживает внимания углекислый газ (СО2), содержание которого в ОГ нормируется в связи с особой ролью СО2 в «парниковом эффекте» (Киотское соглашение).

Таблица 5. Группы вредных веществ, содержащихся в отработавших газах ДВС

 

Группа Примеси ПДК, % Концентрация, %, и воздействие на человека
I Азот N2, кислород О2, водород Н2, водяной пар Н2О, углекислый газ СО2
II Окись углерода СО 0,0008 0,01 – хроническое отравление при длительном воздействии 0,05 – слабое отравление через 1 ч 1,0 – потеря сознания после нескольких вдохов
III Окислы азота: NO, NO2, N2O4, N2O5 и т.д. 0,000009 (в пересчете на N2O5 0,0013 – раздражение слизистых оболочек носа и глаз 0,004–0,008 – отек легких
IV Углеводородные соединения СхНу   – Раздражение слизистых оболочек, образование опухолей
V Альдегиды: акролеин СН2СНСНО (жидкость) формальдегид НСОН (газ) –   0,00001 0,0005 – труднопереносим 0,014 – смерть через 10 мин 0,007 – раздражение дыхательных путей и глаз
VI Сажа С 0,000038 Загрязнение воздуха и воды, ухудшение видимости
VII Сернистый ангидрид SO2 0,000012 0,0017 – раздражение глаз, кашель 0,004 – отравление через 3 мин

Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ.

Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и возникает нарушение функционирования всех систем организма. Характер отравления оксидом углерода зависит от его концентрации в воздухе, длительности воздействия и индивидуальной восприимчивости человека. Легкая степень отравления вызывает пульсацию в голове, потемнение в глазах, повышенное сердцебиение. При тяжелом отравлении сознание затуманивается, возрастает сонливость. При очень больших дозах угарного газа (свыше 1%) наступает потеря сознания и смерть.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом NO – оксид азота и NO2 – диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания ДВС при температуре 2800°С и давлении около 1,0 МПа. Оксид азота – бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO2 – газ бурового цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха.

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота. При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004–0,008%) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий. При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами.

Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина в метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на судовые металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа СхНу. В ОГ содержатся углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.

Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.

Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения ОГ, наряду с токсическими свойствами, обладают канцерогенным действием. Канцерогены – это вещества, способствующие возникновению и развитию злокачественных новообразований.

Особой канцерогенной активностью отличается ароматический углеводород бенз-а-пирен С20Н12, содержащийся в ОГ дизелей. Он хорошо растворяется в маслах, жирах, сыворотке человеческой крови. Накапливаясь в организме человека до опасных концентраций, бенз-а-пирен стимулирует образование злокачественных опухолей.

Углеводороды под действием ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты – фотооксиданты, являющиеся основой «смога» (от англ. smoke – дым и fog – туман).

Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей, разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.

Пятая группа. Ее составляют альдегиды – органические соединения, содержащие альдегидную группу – , связанную с углеродным радикалом (СН3, С6Н5 и др.).

В ОГ присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.

Формальдегид НСНО – бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Обуславливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.

Акролеин СН2 = СН–СН = О, или альдегид акриловой кислоты, – бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.

Уксусный альдегид СН3СНО – газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.

Шестая группа. В нее выделяют сажу и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.) Сажа – частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость. Наибольший вред сажи заключается в адсорбировании на ее поверхности бенз-а-пирена, который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде.

Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения – такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе ОГ двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на водном транспорте.

Согласно европейским стандартам, введенным в действие в 1996 году, содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,005 г/л. Наличие серы усиливает токсичность ОГ дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений.

Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01%) – к отравлению организма. Сернистый ангидрид губительно воздействует и на растительный мир.

Оценку экологической опасности загрязнения атмосферы СЭУ можно выполнить по количеству и составу вредных веществ ОГ (NOx; СО; СН) с учетом качества применяемого топлива (SOx). В качестве интегрального показателя оценки экологической опасности целесообразно использовать размер ущерба.

В большинстве случаев основными элементами СЭУ, загрязняющими атмосферу, являются главные и вспомогательные дизели.

Наибольшую опасность выбросы в атмосферу от судовых дизелей представляют во время стоянки судна с работающими двигателями, например, в порту или при прохождении шлюзов. Поэтому можно рассматривать судно как одиночный неподвижный низкий точечный источник выбросов.

В соответствии с действующими Международными документами и Правилами Морского и Речного Регистров нормируемым параметром при оценке экологической опасности двигателей является удельный средневзвешенный выброс вредного (загрязняющего) вещества в граммах на 1 кВт × ч.

Основные мероприятия по предотвращению загрязнения атмосферы СЭУ в соответствии с Правилами Морского и Речного Регистров обеспечивают наличием сертификата завода-строителя двигателя и контролем в процессе освидетельствования двигателя за нормируемыми параметрами выбросов вредных загрязняющих веществ в атмосферу с помощью упрощенной методики «Сверка параметров».

Эта методика основывается на возможности замены измерения концентрации вредных веществ в ОГ двигателя, указанных в паспорте двигателя (измерениями некоторых технических параметров). Поддержание этих параметров на определенном уровне гарантирует безопасную концентрацию вредных веществ в ОГ. Безопасный уровень технических параметров устанавливается во время стендовых испытаний на заводе-строителе.

 

Практическая часть

 

1. Вычислить среднее количество сожженного топлива j-м источником (главным или вспомогательным двигателями) за отчетный период , т, по формуле

, (42)
где   –   коэффициент пересчета массы из килограммов в тонну;
  –   часовой нормированный расход топлива j-м источником (главным или вспомогательным двигателем), кг/ч (определяется по справочной литературе в соответствии с заданием по варианту);
время работы за отчетный период, ч, определяется по формуле
       

 

, (43)
где коэффициент пересчета времени из суток в часы;
коэффициент, учитывающий непрерывность работы двигателей;
время, сут (продолжительность навигации).
       

 

2. Рассчитать массы выбросов i-х загрязняющих веществ в атмосферу для всех рассматриваемых источников, , т, по формуле

, (44)
где   –   коэффициент пересчета массы из килограммов в тонну;
средняя удельная масса i-го загрязняющего вещества с учетом работы дизеля на всех режимах, кг/т, определяется по табл. П.15.
       

3. Определить приведенные массы выбросов загрязнений из источников , усл. т, по формуле

, (45)
где номер загрязняющего вещества;
общее количество загрязняющих веществ, выбрасываемых оцениваемым источником,= 1–8;
показатель относительной агрессивности i-го загрязняющего вещества (усл. т/т), определяется по табл. П.16;
масса выбросов i-го загрязняющего вещества в атмосферу, т.
       

 

4. Определить размер экономического ущерба от загрязнения атмосферы выбросами от рассматриваемых источников загрязнения в соответствии с методикой[12] –, млн р., по формуле

, (46)
где множитель, представляющий собой экономическую оценку удельного ущерба от выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух для рассматриваемого экономического района Российской Федерации, определяется в соответствии с табл. П.17, руб./усл. т;
       

 

показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территориями различных типов (безразмерный), = 8 (земли водного фонда);
безразмерная величина, учитывающая характер рассеяния примесей в атмосфере, = 10, источник выброса находится у поверхности земли (на поверхности воды);
  –   приведенная масса выброса загрязнений из источника, усл. т;
  –   коэффициент индексации, учитывающий инфляционную составляющую экономического развития;
  –   коэффициент пересчета размера ущерба из рублей в миллионы рублей.

определяется по следующей формуле [10, 11]:

, (47)
где коэффициент индексации платы 2003 г. по отношению к 1992 г., = 0,110;
коэффициент индексации платы 1999 г. по отношению к 1992 г., = 0,062, и установлены письмами Госкомэкологии;
коэффициент индексации платы текущего года к базовым нормативам платы за загрязнение ОС, установленным в 2003 г. (утверждаются федеральными законами о федеральном бюджете ежегодно.
       

= 1,62 (Федеральный закон от 24.11.08 г. № 204-ФЗ «О федеральном бюджете на 2009 г. и плановый период на 2010 и 2011 гг.), поэтому при расчетах в 2009 г. = 2,87.

5. Рассчитать общий ущерб атмосфере от выбросов СЭУ путем сложения ущербов от отдельных источников (главных и вспомогательных двигателей).