АЗС в городской черте г. Краснодара - как источник загрязнения атмосферы

Нормативные ссылки

 

ГОСТ Р 8.000 – 2000 ГСИ. Государственная система  обеспечения единства измерения. Основные положения.

ГОСТ 2.316 – 68 ЕСКД. Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц.

СНиП II – 89-80. Генеральный  план промышленного предприятия.

СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200 – 03. Санитарная классификация предприятий  и размеры минимальной санитарно-защитной зоны для них.

ГН 2.1.6.1338 – 0. Предельно  допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе  населенных мест

ГН 2.2.5.1314 – 03. Ориентировочные  безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воздухе  рабочей зоны.

ГН 2.2.5.1313 – 03. Предельно  допустимые концентрации (ПДК) вредных  веществ в воздухе рабочей  зоны.

ГН 2.1.6.1339 – 03. Ориентировочные  безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термины и определения

 

В настоящей  курсовой работе применяются следующие  термины с соответствующими определениями.

Выброс(ы) – кратковременные или за определенное (час, сутки) время поступления в окружающую (предприятия, группу предприятий или человека) среду любых загрязнителей.

Загрязнение – привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня концентраций перечисленных агентов в среде, нередко приводящим к негативным последствиям.

Загрязнение атмосферы – это изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) – это такое содержание вредных веществ в окружающей среде, которое при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного воздействия и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.

Нефтепродукты – смеси различных газообразных, жидких и твердых углеводородов, полученных из нефти и нефтяных попутных газов.

АЗС – комплекс зданий с оборудованием, предназначенный для приема, хранения и выдачи нефтепродуктов транспортным средствам, продажи масел, запасных частей, принадлежностей к транспортным средствам и оказание услуг владельцам индивидуальных транспортных средств.

Заправочный островок – технологическая площадка, предназначенная для установки топливораздаточной колонки.

 

 

Сокращения

 

В курсовой работе использованы следующие сокращения:

АТС – автотранспортное средство

ЗВ – загрязняющие вещества

ОС - окружающая среда

ПДВ – предельно  допустимые выбросы

ПДК – предельно  допустимые концентрации

ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействий

ОГ – отработавшие газы

АТП – автотранспортные предприятия

АЦ – автомобильная  цистерна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Проблема охраны окружающей среды является одной  из наиболее актуальной среди глобальных общечеловеческих проблем настоящего времени.

Интенсивное развитие промышленности и транспорта привело  к усилению загрязнения атмосферы, воды и почвы на нашей планете.                                                                                   Существенную негативную роль при этом играет автомобильный транспорт.

В настоящее  время в России эксплуатируется  свыше 27 миллионов единиц автотехники.

В атмосферу  автомобильными двигателями ежегодно выбрасывается 20 – 27 миллионов тонн монооксида углерода, 2 – 2,5 миллионов тонн углеводородов, 6 – 9 миллионов тонн оксида азота, до 190 тонн соединений серы, до 100 тыс. тонн сажи, 13 тыс. тонн соединений тяжелых металлов, 200 – 230 миллионов тонн диоксида углерода.

Наличие вредных  газообразных продуктов сгорания органических топлив в атмосфере приводит к разрушению озонового слоя, образованию фотохимических туманов, эрозии почвы, вызывают различные заболевания у человека.

Токсические вещества, содержащиеся в отработавших газах  автомобильных двигателей, могут сохранятся в атмосфере в течении длительного времени и переносится на значительные расстояния.

Кроме того, первичные  загрязнители в атмосфере, при соответствующих  условиях могут взаимодействовать  друг с другом, образуя новые токсические  вещества: сульфаты, нитраты, озон, кислоты, фотооксиданты и др.

На сегодняшний  день, тема курсовой работы актуальна. В связи с производством и  продажей автомобилей количество их на улицах города увеличилось и объемы продаж бензина возросли в несколько  раз. В данной курсовой работе рассчитаны выбросы автотранспорта оксидов азота, монооксида углерода, диоксида серы. А так же рассмотрены токсикологические характеристики вредных веществ и предложены мероприятия по их сокращению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Теоретический раздел

 

1.1 Автомобиль  и окружающая среда

 

Современная цивилизация  характеризуется увеличением радиуса  действия населения, преодолеваемым человеком  за какой-то сравнительный отрезок  времени. За последние 30 лет ежегодное  расстояние, преодолеваемое человеком  в развитых странах увеличилось в 2,5 раза. Такова же динамика роста грузоперевозок.

Значительная часть перевозок  сегодня осуществляется автотранспортом, который стал крупнейшим загрязнителем  ОС в больших городах. По мнению специалистов промышленности, развитие транспорта – ключевой фактор роста экономики. Экологи же считают, что транспорт, особенно автомобильный, является главным разрушителем природы.

Основное количество отходов  образуется при эксплуатации автомобиля. Часть из них составляют вещества, обеспечивающие  возможность его эксплуатации: топливо (бензин, дизельное топливо, газ и др.),масла, серная кислота и другие рабочие жидкости. Эти материалы попадают в ОС вследствие недостаточной герметичности заправочных емкостей и агрегатов автомобиля, небрежного обращения с ними при заправке.

Самые большие объемы веществ, загрязняющих ОС, образуются в процессе работы автомобиля. Это токсические  продукты сгорания топлива, вещества, образующиеся вследствие износа фрикционных  накладок и шин, отработанные масла, использованные аккумуляторы и покрышки и др.

Большая часть отечественных  бензинов – этилированные, в состав которых входит антидетонатор –  тетраэтилсвинец. При работе двигателя  в отработанных газах содержатся соединения свинца, являющиеся высокотоксичными веществами. Автомобильный транспорт является серьезным загрязнителем ОС диоксинами. Так, автомобиль, работающий на этилированном бензине, выбрасывает в атмосферу 30 – 540 пг диоксинов в диоксиновом эквиваленте на каждый километр пройденного пути. Ведется работа по замене этилированных бензинов неэтилированными, что связано с ужесточением норм на выбросы вредных веществ с отработанными газами и необходимостью использования для этого специальных каталитических нейтрализаторов, работоспособных только в отсутствии соединений свинца. Разработан и введен ГОСТ Р 51105 – 97 «Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин», что позволяет обеспечить соответствие отечественных бензинов нормам Евро - 1 и Евро – 2 и европейскому стандарту ЕN 228.[1]

Отечественный стандарт устанавливает жесткие требования концентрации свинца и серы в бензине. Содержание свинца по отечественному стандарту не должно превышать 0,01%, а серы  - 0,05%.

Ниже приведены сведения о выделении загрязняющих веществ  современным автотранспортом (доля автотранспорта в общем объеме загрязняющего вещества, выделяемого всеми видами транспорта) %:

- оксиды азота – 83,0;

- угарный газ – 84,4;

- диоксид серы – 64,5;

- углеводороды – 72,5;

- соединения свинца – 100,0.

Одним из наиболее токсичных продуктов, содержащихся в выхлопных газах автомобиля, работающего на углеродном топливе, является оксид углерода (угарный газ).

Загрязнение воздуха  оксидами азота и кислотные дожди  приносят огромный вред здоровью людей, а так же растительному миру. [6]

Содержание  токсичных веществ токсичных  газов зависит от режима работы двигателя (табл. 1.1)

Таблица 1.1 – Содержание вредных веществ в выхлопных газах

 

Вещества	Содержание  вредных веществ, %, при различных  режимах работы
	холостой ход	постоянная  скорость	ускорение от 0 до 40 км/ч	замедление  от 40 до 0 км/ч
Оксиды углерода Углеводороды Оксиды азота	0,5 – 8,5   0,03 – 0,12 0,005 – 0,01	0,3 – 3,5   0,02 – 0,6 0,10 – 0,20	2,5 – 5,0   0,12 – 0,17 0,12 – 0,19	1,8 – 4,5   0,23 – 0,44 0,003 – 0,005

 

Приблизительно общее количество токсичных газов,  выброшенных в атмосферу автомобилем, можно рассчитать используя уравнение:

N = nA/100,                                                (1)

где N – общее  количество токсичного вещества в отработанных газах, кг;

А – расход топлива, кг;

n – удельный выброс токсичного вещества, % (масс.).

Удельные выбросы  токсичных веществ приведены  ниже, % (масс.):

 

Бензин                                                            Дизельное топливо

 

Оксид углерода ……… 0,6                           0,1

Углеводороды  ………..0,1                            0,03

Оксиды азота  …………0,04                          0,04

 

Меры борьбы с данными отходами – это сокращение их объема, которое достигается техническими и эксплуатационными способами.

Основными направлениями сокращения вредных выбросов от автотранспорта являются: развитие дорожно-транспортного строительства; улучшение качества используемого топлива за счет добавок и очистки; максимальное использование альтернативных видов топлива, в первую очередь газа; внедрение более жестких административных мер контроля за техническим состоянием автотранспорта; автоматическая электронная регулировка зажигания в зависимости от режима работы двигателя, позволяющая снизить образование оксидов азота без увеличения расхода топлива.

Необходимы  строгий контроль за регулировкой существующих двигателей, а так же разработка двигателей с более высокой степенью сжатия, способных работать на бедных смесях, с электронной системой регулирования  состава смеси и зажигания.[7]

 

1.2 Элементарный состав топлив

 

Основным источником теплоты при сгорании топлив является окисление углерода С и водорода Н. По мере увеличения молярной массы  в топливе могут появляться в  незначительном количестве сера, соединения азота, кислотосодержащие соединения, тяжелые металлы и др. При расчете процесса сгорания нефтяных моторных топлив при наличии кислотосодержащих соединений и для кислотосодержащих топлив (спирты, эфиры и др.) условная «молекула» топлива имеет вид – С_хН_уО_z (для азотосодержащих топлив - С_хН_уО_zN_g).

 Элементарный состав (массовые доли отдельных элементов g) для одного килограмма топлива С_хН_уО_z находят по известным из термодинамики соотношениям для смеси:

углерода

g_c = 12x/(12x+y+16z) = 12x/µ                              (2)

водорода

 g_H = y/(12x+y+16z) = y/ µ                                    (3)

кислорода топлива

g_Om = 16z/(12x+y+16z) = 16z/ µ_T                         (4)

где µ_T - молярная масса «условной» молекулы топлива;

g_с+g_H+g_Om = 1                                                              (5)

12х, у, 16z – масса углерода, водорода, кислорода в молекуле топлива.

Отметим, что  в большинстве товарных сортов бензина  и дизельных топлив кислородом можно  пренебречь (условная « молекула» топлива С_хН_у, (µ_T = 12х+у).

Смесь газовых  топлив состава ∑С_хН_уО_z + N₂ с объемной (молярной) долей каждого газа r_i имеет следующий элементарный состав для 1 кмоль (1 м³):

молекулярная  масса смеси газов

µ_T  =∑(µ_СхНуОz )_ir_i + 28 r_N2 ; ∑r_i + r_N2 = 1                                         (6)

массовые доли газов

g_C = 12 ∑x_ir_i/ µ_T; g_H =  y_ir_i/ µ_T; g_Om = 16 ∑z_ir_i/ µ_T                                        (7)

 

1 .3 Механизмы горения углеводородных топлив

 

Процессы горения  широко распространены в практической деятельности человека и лежат в  основе современной энергетики, транспорта и промышленного производства. В то же время они стали основными загрязнителями окружающей среды токсичными и вредными веществами.

Для понимания  механизмов образования загрязнений  в двигателях, других устройствах, использующих процессы горения, необходимо вернуться к основам теории горения, кинетики образования и трансформации вредных веществ. При сгорании топлив имеют место гомогенные или гетерогенные реакции.

Гомогенные  процессы происходят с веществами, находящимися в одной фазе, например, в газовой, если в качестве топлива используется природный или попутный газ, пары жидкого топлива или продукты возгонки твердого топлива, а в качестве окислителя – кислород воздуха.

Гетерогенное  горение происходит на поверхности  твердого или жидкого топлива и состоит из двух стадий: подвода окислителя к поверхности и химической реакции на ней. В транспортных двигателях получили распространение процессы ламинарного и турбулентного гомогенного горения.

Ламинарное  горение образуется при распространении  фронта пламени по неподвижной или ламинарно движущейся горючей смеси. Фронт пламени представляет собой узкую зону толщиной до 1 мм, отделяющую свежую смесь от продуктов сгорания, в которой температура меняется практически линейно за счет конвективного теплообмена (теплового распространения пламени) путем прогрева свежей смеси от температуры Т₀ до температуры продуктов сгорания Т_пс. Под воздействием излучения пламени перед фронтом в свежей смеси протекают фотохимические предпламенные процессы (на расстоянии до 5 мм от фронта) с образованием Н₂, СО, СО₂, Н₂О и т.д.[5]

При турбулентном движении горючей смеси крупные  пульсации искривляют фронт пламени, разрывают его. Толщина фронта при  атмосферном давлении значительно  больше, чем ламинарного (20 – 25 мм). Скорость турбулентного горения зависит от интенсивности и масштабов турбулентности смеси.

При осуществлении  химической реакции концентрации исходных компонентов обычно уменьшаются, а  продуктов сгорания – увеличиваются. Поэтому наступает момент, когда  скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми – наступает состояние химического равновесия. Поскольку обычно энергии активации прямой и обратной реакций различны, то с изменением температуры скорости прямой и обратной реакций изменяются в различной степени, а следовательно изменяются и равновесные концентрации. При низких температурах равновесие может быть вообще не достигнуто, сгорание будет неполным, образуются продукты неполного сгорания в составе отработавших газов, которые при выбросе загрязняют ОС. Обычно в горелочных устройствах полного сгорания топлива не происходит и кроме СО₂, Н₂О, N₂, О₂, SО₂ в отработавших газах присутствуют продукты неполного сгорания, твердые частицы (С) и другие токсичные вещества (всего более 280 наименований).[7]   

 

1.4 Отходы автотранспортных предприятий

 

Использование, техническое обслуживание и ремонт автомобилей приводят к образованию  на АТП отходов, которые оказывают  вредное влияние на ОС.

Нефтепродукты (отработавшие моторные, трансмиссионные и индустриальные масла, консистентные смазки) представляют опасность в связи с их подвижностью при попадании в почву или воду. При концентрации нефтяных загрязнителей более 0,05 мг/л портятся вкусовые качества воды.

Источниками загрязнения  ОС нефтепродуктами на АТП могут  быть сточные воды от установок для наружной мойки автомобилей, а также сами автомобили при подтекании масла из агрегатов. Подтекание масел с автомобилей на открытых стоянках и разлив заправляемых масел приводит к смыву их с территории АТП и попадании в почву с ливневыми водами.

С полотна дороги дождевыми  стоками в прилегающие почвы  приносятся различные загрязнения, в том числе топливо, масла, водорастворимые  соли и грязь с большим содержанием  тяжелых металлов (свинец).  Осадки, накапливающиеся в отстойниках  моечных установок (песок, глина, ил, нефтепродукты) образуют вредную для окружающей среды массу.  Один автомобиль за год при многократных прохождениях через моечную установку в среднем оставляет вредных веществ до 50 кг легковой и 250 кг – грузовой.

Электролит аккумуляторных батарей является весьма вредным веществом для окружающей среды. На дно аккумуляторных банок выпадает свинцовая пыль и кусочки свинцовых пластин. Поэтому мойка аккумуляторных банок в местах где возможно попадание в сточные воды или почву остатков отработавшего электролита и свинцового шлама, недопустима.[1]

Этиленгликоль является составляющей антифризов, при нарушении правил их использования может попадать в почву и сточные воды. Этиленгликоль  ядовит, имеет большую проникающую  способность и при малейших неплотностях в системе охлаждения двигателя попадает в ОС.

Резиновая пыль и пыль с  асфальтовых покрытий дорого содержит вредные вещества, попадающие  в  почву и атмосферу. Ежегодно с  колес одного автомобиля стирается  до 10 кг резины, а с асфальтовых  покрытий дорог – слой в 1 мм. Это значит, что на шоссе шириной 10 м на каждом отрезке в 100 км образуется в год 100 тонн пыли.

Отходы тормозной жидкости, образующиеся при техническом обслуживании и ремонте гидравлических приводов тормозной системы автомобиля также требуют утилизации.

Практика показала, что  АТП имеет реальную возможность  собирать до 20% отработавших масел от расхода свежих. Отработавшие нефтепродукты  сдаются организациям и раздельно  по трем группам:

- масла моторные отработавшие, в том числе моторные масла, применяемые в трансмиссиях в смеси с индустриальными маслами;

- масла индустриальные отработавшие, в том числе смеси индустриальных масел, турбинные, компрессорные, гидравлические, трансформаторные и смеси их с индустриальными;

- смеси нефтепродуктов отработавшие, применяющиеся в качестве промывочных жидкостей – бензин, уайт-спирит, керосин, дизельное топливо, трансмиссионные масла.

Основу классификации  отходов, образующихся на предприятии  автотранспорта, составляет деление  их по агрегатному состоянию, источникам образования и направлениям пользования. По агрегатному состоянию отходы автотранспортного производства разделяются на 5 классов: твердые, жидкие, пастообразные, пылеобразные и газообразные.

Один автомобиль за свой жизненный цикл образует массу вторичных ресурсов и отходов в 11 раз больше массы самого автомобиля. Если при этом учитывать и применяемую воду (для мойки систем охлаждения), то масса образующихся отходов превышает собственную массу автомобиля в 100 раз.[7]

 

1.5 Обеспечение экологичности автомобильного транспорта

 

1.5.1 Создание экологичных конструкций автомобиля

 

«Экологичность» автомобилей обеспечивает их топливная экономичность, т. е. чем меньше топлива расходует автомобиль, тем меньше экологический ущерб.

Экономия топлива достигается за счет комплекса конструктивных и эксплуатационных мероприятий для принципиально сохраняемых конструкций автомобилей. Для легковых автомобилей большое влияние на уменьшение расхода топлива оказывает: уменьшение массы и размера автомобиля, улучшение аэродинамических характеристик, снижение сопротивления качению, применение компьютеризированных систем контроля и управление двигателем, сокращение всех видов механических потерь.

Уменьшение массы и  размеров автомобиля достигается за счет применения высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов, пластмасс, стекло и углепластиков.

Аэродинамическое сопротивление  автомобиля Fа пропорционально коэффициенту аэродинамического сопротивления  Сх, площади фронтальной проекции (миделю) S и квадрату скорости автомобиля, Fa = Cx * S * V². Уменьшение миделя достигается уменьшением высоты машины и приданием ей обтекаемости. Качественная окраска и отсутствие выступающих деталей способствуют снижению аэродинамического сопротивления.

Сопротивление качению. Fk = µ * M, где µ - коэффициент сопротивления качению; М – масса автомобиля. Для колес разного типа µ = 0,015 – 0,025 в зависимости от их размеров, типа протектора и давления в шинах.

Важнейшим является достижение абсолютных значений экономии топлива при постепенной реализации мероприятий научно-технического прогресса.

Перспективными  направлениями по совершенствованию  современного автомобиля с ДВС являются: повышение коэффициента полезного  действия двигателя за счет совершенствования  процессов сгорания (турбонадув, электронное зажигание); сокращения потерь на трения (уменьшение поверхностей поршней, сокращение опорных поверхностей вкладышей, использование керамических покрытий); оптимизация режимов работы двигателя за счет электронных систем управления рабочими процессами двигателя; применение двухтопливных автомобилей.[7]

 

1.5.2 Обезвреживание отработавших газов

 

Мероприятия по сокращению вредных примесей в отработавших газах основываются на использовании  в конструкции и в системе  управления карбюраторных двигателей известных зависимостей между составом рабочей смеси и вредных компонентов в отработавших газах. Мероприятия по улучшению экологических характеристик карбюраторных двигателей сводятся к следующему:

1.  обеспечение их работы в зоне стехиометрического состава рабочей смеси в комбинации с различными мерами по сокращению состава NO_х в отработавших газах (катализатора).

2. конструктивные изменения двигателя, обеспечивающие работу при сверхбедных смесях при S = 19 – 21.

3. различные конструктивные измерения, связанные с исключением испарения топлива, выбросов картерных газов и т.д.

Существенное  улучшение экологических характеристик  двигателя основывается на их конструктивном совершенствовании, оборудование средствами контроля управления составом отработавших газов, управление впрыском топлива.

Контроль выхлопных  газов включает следующие основные способы:

- подача с помощью специального насоса дополнительного воздуха в выхлопной коллектор с целью дожигания вредных примесей – сокращает содержание СН и СО в отработавших газах.

- конструктивные изменения двигателя улучшают процесс сгорания: изменение камеры сгорания и поршня, автомата подогрева всасываемого воздуха при холодном двигателе, сокращение степени сжатия, применение свечей со встроенным электродом и др.

- регулирование продолжительности зажигания влияет на температуру в камере сгорания – понижение температуры сокращает количество NO_х в отработавших газах.

Предусматриваются следующие методы снижения состава  вредных примесей в отработавших газах:

- трехступенчатые нейтрализаторы для двигателей обычных конструкций;

- двигатели, работающие на бедных смесях, применение нейтрализаторов NO_х;

- двигатели, работающие на бедных смесях, применение нейтрализаторов NO_х и рециркуляция отработавших газов;

- двигатели, работающие на бедных смесях, рециркуляция отработавших газов, трехступенчатые нейтрализаторы.

На первой стадии для группы с рабочим объемом  до 1,4 л предусмотрено использование  двигателей, приспособленных работать на бедных смесях.

На второй стадии эти двигатели оборудуются сначала одноступенчатыми, а затем трехступенчатыми нейтрализаторами.

Таким образом, можно говорить об общепринятом подходе  к сокращению содержания вредных  компонентов в отработавших газах.[1]                               

 

1.5.3 Применение улучшенных альтернативных топлив

 

Улучшению экологической  обстановки на автомобильном транспорте способствует запрещению использования  этилированного бензина. Кроме токсичности  тетраэтилсвинца, использование этилированного бензина быстро выводит из строя  каталитические нейтрализаторы отработавших газов из-за обволакивания свинцом поверхности катализатора.

В настоящее время в  качестве улучшающей добавки к бензинам производится метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ). Применение МТБЭ снижает  содержание в автомобильных выхлопах СО на 10-20%, углеводородов на 5-10%, вредных летучих соединений до 15%. При этом МТБЭ существенно повышает октановое число бензина.

Альтернативные  заменители бензина могут быть  естественного и искусственного происхождения. При нормальных условиях они могут находится в жидком (этанол, метанол) или газообразном (пропан, бутан, коксовый, генераторный газы, водород) состояниях. Преимущественное применение в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте сжиженного нефтяного газа (ГСН) и сжатого природного газа (ГСП) обусловлено тем, что они имеют физико-химические свойства близкие к бензину. Это требует лишь незначительного изменения конструкции двигателя и позволяет равнозначно работать на двух видах топлива.[1]

Применение  ГСН в качестве моторного топлива весьма перспективно. Сжиженный нефтяной газ обладает повышенными антидетонационными свойствами. Октановое число пропан-бутана более 100, что позволяет газовому двигателю работать без детонации. Более высокие пределы меняемости газо-воздушной смеси обеспечивают работу двигателя на более бедных смесях. Это снижает токсичность отработавших газов и способствует экономии топлива. Отсутствие у газа растворяющих и смывающих свойств способствуют увеличению срока службы моторного масла в 1,5-2 раза.