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 С_хН_у. 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 (NO_x; СО; СН) с учетом качества применяемого топлива (SO_x). 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).

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие существуют виды загрязнения атмосферы от СЭУ?

2. От чего зависит токсичность ОГ?

3. Группы вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС.

4. Как выполняют оценку экологической опасности загрязнения атмосферы СЭУ?

5. Какой параметр экологической опасности двигателей является нормируемым в соответствии с действующими Правилами Морского и Речного Регистров?

6. Когда выбросы в атмосферу от судовых дизелей представляют наибольшую опасность?

7. На чем основывается методика «Сверка параметров»?

8. Какой нормативный документ регламентирует определение размера ущерба при загрязнении атмосферы выбросами СЭУ? Особенности расчета.

 

 

Отчеты о проделанных работах должны содержать:

1) название и цель работы;

2) краткое теоретическое введение;

3) практическую часть, включающую описание работы и полученных результатов;

4) вывод;

5) список использованной литературы.

 

 

Заключение

 

В результате выполнения практических работ студенты закрепляют изученный ранее теоретический материал и получают практические навыки по оценке экологической опасности источников воздействия на ОС, характерных для объектов водного транспорта (внешний шум, сточные воды, выбросы вредных газов от СЭУ).

 

 

Библиографический список

 

1. Обеспечение экологической безопасности судов и промышленных предприятий водного транспорта: учеб. пособие / В.С. Наумов [и др.]; под ред. В.Л. Этина. – Н. Новгород: ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2003. – 264 с.

2. Дегтярев, В.В. Охрана окружающей среды: учеб. для вузов / В.В. Дегтярев. – М.: Транспорт, 1989. – 207 с.

3. Этин, В.Л. Экология судоходства: консп. лекций / В.Л. Этин. – Н. Новгород: ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2006. – 290 с.

4. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.5.2.703-98. Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. – М.: Минздрав России, 1998. – 142 с.

5. РТМ 212-0140–95. Система бытового водоснабжения судов внутреннего и смешанного плавания. Правила и нормы проектирования.

6. Российский Речной Регистр. Правила. Т. 4. Правила экологической безопасности судов. – М.: Изд-во «По Волге», 2002. – 197 с.

7. Рехалова, Н.А. Экологическая безопасность: метод. пособие для выпол. контр. работ по дисциплине «Экология» для студ. заоч. обуч. / Н.А. Рехалова, А.И. Самосюк. – Н. Новгород: ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009. – 32 с.

8. РД 152-011–00. Наставление по предотвращению загрязнения внутренних водных путей при эксплуатации судов. – М.: 2000. – 47 с.

9. Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства (утв. приказом МПР РФ от 13 апреля 2009 года № 87).

10. Методика определения предотвращенного экологического ущерба (утверждена председателем Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды В.И. Даниловым-Данильяном 30 ноября 1999 г.).

11. Елисеева, И.И. Общая теория статистики / И.И. Елисеева. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 475 с.

12. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды (одобрена Постановлением Госплана СССР, Госстроя СССР, Президиума АН СССР от 21 октября 1983 г. № 254/284/134).