<<
>>

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

В условиях ускоренного развития отраслей народного хозяйства роль энергетики постоянно растет. В ряде стран — Германии, Дании, США, наблюдается развитие комбинированной выработки энергии, как на крупных ТЭЦ, так и на мини-ТЭЦ с дизельными двигателями или газотурбинными двигателями малой мощности.

Полная автоматизация установок и быстрая окупаемость капитальных вложений обеспечивают их высокую эффективность и надежность работы [32]. Использование местных источников электроэнергии имеет особое значение для электроснабжения России, где площадь малоосвоенных территорий особенно велика и составляет 70-75%.

Хотя зона централизованного электроснабжения в России распространяется на 90-95% потребителей, территория Росснн, не охваченная электрическими системами, составляет в европейской части примерно 1,4 млн км2, в азиатской части — 8,0-10,0 млн км2 при плотности населения 0,4-0,2 чел./км2.

В общем случае могут рассматриваться все возможные схемы и источники электроснабжения, в частности, электростанции на базе дизельных двигателей, энергии солнца, ветра и другие. Из перечисленных типов мини-станций наиболее освоенными и надежно работающими в хозяйственных условиях мелких предприятий и сельских населенных пунктов являются дизельные энергоустановки.

В настоящее время около 90% энергии вырабатывается двигателями внутреннего сгорания (ДВС), при этом баланс загрязнения окружающей среды в мире представлен соотношениями: 50,4% — Двигатели внутреннего сгорания; 15,7% — тепловые электростанции; 14,1% — промышленные предприятия. В том числе для двигателей внутреннего сгорания: автомобильный транспорт — 70,0%; сельскохозяйственные машины и тракторы — 9,2%; воздушный транспорт — 7,3%; морской н речной транспорт — 4,1% [48].

Основная масса токсичных веществ ДВС выбрасывается в окружающий воздух вместе с отработавшими газами (ОГ). Вредные вещества выделяются также с картерными газами и в результате испарения топлива, смазочных масел, охлаждающих жидкостей или обгорания веществ, краски, посторонних материалов на горячих поверхностях.

Однако общий объем вредных веществ, выделяемых со всеми этими газами, не превышает 3% от выбросов ОГ, поэтому именно снижению концентрации вредных веществ в ОГ необходимо уделять основное внимание.

В связи с тем что работа ДВС осуществляется по разомкнутому циклу, выброс в окружающую среду ОГ является неотъемлемым условием их работы. ОГ дизелей — это гетерогенная смесь веществ с разнообразными химическими, физическими свойствами, на 99-99,98% состоящих из продуктов неполного сгорания топлива и воздуха. Остальные 0,02-1% ОГ содержат более 300 веществ, большинство из которых токсично [72].

Основная масса вредных компонентов ОГ (до 90%) — газообразная и состоит из оксидов углерода, азота и серы; углеводородов (табл. 8). Остальная часть вредных веществ выделяется в виде твердой и жидкой фаз. Твердая фаза представлена главным образом в виде сажи и в меньшей степени минеральными частицами воздуха (пыль) и топлива (зольные составляющие), а также металлически-

Таблица 8

Основные характеристики вредных выбросов дизелей

Составляющ ие ОГ

Концентрация в ОГ двигателя

Класс

опас

ности

ПДК, мг /м3

в рабочей зоне

макси

мальная

разовая

средне- суточная

дизеля

бензино

вого

Оксид углерода, СО, %

0,01-5,0

0,1-10,0

4

20

3

1

Оксиды азота, в пересчете на NOa, %

0,005-0,5

0,004-0,7

2

5

0,085

0,085

Углеводороды, в пересчете на метая, %

0,001-0,07

0,2-3,0

2-4

5-300

1,4-200

1-2,5

Альдегиды, в пересчете на СзН40, %

0,009-0,5

0-0,2

2-3

0,2-5

0,01-3

0,01-5

Формальдегиды, %

0,002

3

0,5

0,035

0,003

Акролеин, %

0,0001

2

0,2

0,03

0,03

Бенз(а)пирен,

мг/м3

0,05-1

0,01-0,2

1

0,00015

-

1-10-6

Сажа, г/м3

0,01-1

0-0,04

3

4

0,15

0,05

ми частицами, образовавшимися в процессе износа пар трения.

Основу жидкой фазы составляют исходные и частично окисленные углеводороды топлива и масла.

Токсичность ОГ во многом определяется полнотой сгорания топлива и интенсивностью тепловыделения, при этом, как показал анализ многочисленных исследований [59, 61, 69], решающее влияние иа процесс сгорания оказывают изменения параметров топливной аппаратуры (рис. 34).

Возможные варианты нарушения регулировок подачи топлива, вызванные износом деталей двигателя, нарушают тепло — и массо- перенос в процессе сгорания топлива и в конечном итоге способствуют повышению содержания вредных веществ в ОГ двигателей.

Опережение впрыскивания топлива определяет продолжительность и расположение участка сгорания относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня.

При уменьшении установочного угла опережения впрыскивания топлива повышается удельный расход топлива, снижаются максимальные температуры цикла, вследствие чего уменьшается количество оксидов азота в ОГ, но содержание продуктов неполного сгорания топлива увеличивается (рис. 35) [57].

Пределом рационального увеличения опережения впрыскивания, с точки зрения экономичности работы дизеля, является достижение максимального значения давления в камере сгорания вблизи ВМТ поршня. С увеличением

установочного угла опережения впрыскивания топлива возрастают жесткость процесса сгорания, максимальные температуры цикла, при этом повышаются концентрации оксидов азота, концентрации углеводородов в ОГ снижаются.

Величина давления начала впрыскивания топлива определяет качество распыла топлива. Повышение давления начала впрыскивания топлива форсунками сопровождается интенсификацией процесса сгорания, улучшается теплообмен воздушной массы и топлива, эффективность использования теплоты сгорания. При этом растут максимальные температуры цикла, что вызывает снижение концентрации углеводородов, но концентрации оксидов азота в ОГ растут (рис.

36).

Степень распыления топлива зависит также от значений гидравлической характеристики распылителя форсунки (pf). Для более быстрого испарения топлива стремятся к минимальному размеру капель, при этом не снижая пробивной способности факела топлива. При чрезмерном снижении среднего диаметра капель (уменьшение ц О топлива повышается продолжительность сгорания, снижается экономичность работы дизеля, полнота сгорания топлива, в результате растет содержание углеводородов в ОГ дизеля.

При форсировании дизелей по цикловой подаче регулировкой положения винта номинала топливного насоса растет среднее эффективное давление, однако ухудшаются условия смесеобразования, температуры ОГ растут, ухудшается эффективность использования теплоты сгорания, увеличивается содержание углеводородов, в частности бенз(а)пирена (БП) в ОГ. Увеличение продолжительности сгорания с одновременным снижением интенсивности теплообмена определяет уменьшение концентрации оксидов азота в ОГ (рис. 37).

Рис. 36

Влияние давления начала впрыскивания топлива форсуниалш на экологические показатели работы дизеля Д-240:

режимы эксплуатационной мощности п = 2200 мин"1, Ре = 0,63 МПа и максимального крутящего момента п = 1400 мин-1, Ре = 0,74 МПа.

В период разгона вследствие инерционности потока во впускном трубопроводе ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом. Угол опережения впрыскивания топлива превышает соответствующее значение на установившихся режимах, при этом увеличение давления начала впрыскивания топлива от оптимального значения до 20,5 МПа сопровождается ростом максимальных температур процесса сгорания топлива, возрастают концентрации оксиде® азота в ОГ, концентрации углеводородов падают (рис. 38).

Уменьшение давления начала впрыскивания топлива от значений оптимума (17,5 МПа) до 14,5 МПа сильно влияет на количество БП, оксидов азота в ОГ в период разгона. Сочетание возрастающего недостатка кислорода в камере сгорания, роста концентрационной неоднородности, уменьшение максимальных температур цикла в целом приводит к резкому возрастанию концентрации БП в ОГ, до 20 мкг/м3, оксидов азота до 1500 ppm (рис. 39).

При уменьшении установочного угла опережения впрыскивания топлива от оптимального значения 26 град п. к. в. до 20 град п. к. в. концентрации оксидов азота падают до значений 100 ppm, а углеводородов — растут до значений 555 ppm (рис. 38), что определяется особенностями периода разгона — Уменьшением концентрации кислорода и времени наблюдения максимальных температур цикла.

Значительно возрастают концентрации ВП в ОГ при увеличении Установочного угла опережения

впрыскивания топлива от 26 до 32 град п. к. в. и составляют 9,8 мкг/м3 (32 град п. к. в.). Можно предположить, что в период разгона в камере сгорания существует достаточное количество зон локального недостатка кислорода и при увеличении времени индукции образуется большое количество БП, которое затем при достижении максимальных температур уменьшается незначительно. Это предположение подтверждается также падением концентрации оксидов азота в ОГ от значений 1000 ppm до значений 700 ppm (см. рис. 38).

Для неустановившихся режимов работы дизеля за периодом разгона следует период торможения, при котором начальные значения расхода воздуха превышают значения, характерные для установившихся режимов.

Увеличение суммарной площади проходного сечения распылителя форсунки на неустановивших- ся режимах разгона сопровождается ростом концентрации ВП в ОГ (рис. 40), причем их величина значительно выше, чем на установившихся режимах, и достигает 6 мкг/м3, что объясняется резким увеличением подачи топлива, характерным для данного режима и, вследствие этого значительной концентрационной неоднородностью смеси. С ростом цикловой подачи топлива разница в продолжительности впрыскивания топлива для различных групп распылителей увеличивается, возрастает и разность концентраций БП, углеводородов и оксидов азота. Количество углеводородов растет, достигая значений 240 ppm, и концентрация оксидов азота падает до значений 40 ppm из-за существования переобогащенных зон и недостатка кислорода (рис. 40).

<< | >>
Источник: Салова Т. Ю., Громова Н. Ю., Шкрабак В. С., Курмашев. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии. 2004

Еще по теме ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК:

  1. Глава восьмая. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОСТИ
  2. Экологические преступления
  3. 10.2. ПРОБЛЕМНАЯ ЛЕКЦИЯ 10.1. ПО МОДУЛЮ 10 "ОСНОВЫ НЕОЭКОЛОГИИ" - ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УКРАИНЫ
  4. 6.2. Основные источники и виды загрязнения воздушного бассейна
  5. Специальные информационные ресурсы.
  6. Классификация и характеристика чрезвычайных ситуаций техногенного характера и их возможные последствия
  7. Основные мероприятия по обеспечению устойчивой работы промышленного объекта в чрезвычайных ситуациях
  8. Г л а в а 16 Загрязнение атмосферы
  9. Глава 17 Воздействие на гидросферу
  10. МЫ ЗНАКОМИМСЯ СО ВСЕМИРНЫМИ ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ОТНОШЕНИЯМИ
  11. Радиация, радиоактивное загрязнение и атомная энергетика
  12. Выхлопы автотранспорта
  13. Охрана атмосферного воздуха
  14. Атомная энергетика
  15. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
  16. ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА
  17. Особенности воздействия промышленностина экологическую ситуацию в России
  18. §1.1.2.7. Век гуманизма?