Обзор выбросов загрязняющих веществ в атмосферу морскими судами

к.т.н. Вострикова М.А.

КГУКИ
 

При работе судовых энергетических установок в атмосферу выбрасываются выпускные газы главных двигателей и котлов, токсичность которых определяется сортом топлива и условиями его сгорания. Все токсичные компоненты, образующиеся в судовых дизелях и котлах, по природе их возникновения можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся продукты неполного сгорания топлива (монооксид углерода, углеводороды, альдегиды, сажа). Токсичные компоненты второй группы образуются в результате полного окисления химических элементов, входящих в состав топлива и воздуха – оксиды азота NO_x и серы SO_x [1].

Основным токсичным компонентом отработавших газов дизелей и котлов вне зависимости от типа, класса, размерности и конструктивных особенностей является оксиды азота NO_x. Они образуются в камере сгорания дизеля путем окисления азота, содержащегося в воздухе, а также азота из азотсодержащих молекул топлива. Доля NO_x в суммарных токсичных выбросах составляет 30-80% по массе и 60-95% по эквивалентной токсичности. Токсичность N₂O в семь раз выше токсичности NO [2]. Около 42% выбросов оксидов азота в атмосферу приходится на дизели. Из оксидов азота, содержащихся в отработавших газах дизелей, 80-90% приходится на монооксид азота NO и 10-20% – на диоксид азота. Содержание других газообразных оксидов азота (N₂O, N₂O₂, N₂O₄, N₂O₅) в отработавших газах ничтожно мало. Монооксид азота является нестабильным компонентом. В атмосфере при нормальных условиях монооксид азота NO окисляется до диоксида NO₂ в течение от 0,5 до 100 часов, в зависимости от концентрации в воздухе.

Монооксид углерода (угарный газ) СО присутствует в атмосфере в очень малых количествах, а в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания его содержание может достигать очень значительных величин. Дизельные двигатели отличаются сравнительно небольшой концентрацией этого токсичного компонента в отработавших газах, не превышающей 0,4-0,5%. Монооксид углерода СО по сравнению с диоксидом СО₂ менее стабилен. Время его существования в атмосфере составляет от 2 до 42 месяцев.

Углеводороды С_xН_y – это многочисленная группа соединений, представляющих следующие гомологические ряды: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды (в том числе – полициклические ароматические углеводороды – ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, этилен С₂Н_4, ацетилен С₂Н₂ и ряд других) и ПАУ. На долю метана приходится лишь 2-6%. Другие легкие углеводороды присутствуют в отработавших газах дизелей и котлов в значительно меньших количествах. Наиболее представительными из них являются неканцерогенные пирен, флуоррантен и слабо-токсичный хризен, а наиболее опасным – фенантрен С₁₄Н₁₀ и особенно, бенз(а)пирен С₂₀Н₁₂.

Кислородсодержащие углеводороды – альдегиды RCHO являются продуктами неполного сгорания и образуются на ранних стадиях окисления углеводородов топлива. Среди них преобладают низкомолекулярные альдегиды – формальдегид НСНО и акролеин СН₃СНО. Первый из них представляет гомологический ряд насыщенных альдегидов, второй – ненасыщенных. В отработавших газах дизельных двигателей на долю формальдегида приходится 71-91% от общего содержания альдегидов, на долю акролеина – 9-22%. Остальные 10-15% составляют ряд других альдегидов (ацетальдегид, толуальдегид, бензальдегид, фурфурол). В целом в отработавших газах судовых дизелей и котлов содержание альдегидов может достигать 30 мг/м³.

Сажа является одним из наиболее значимых токсичных компонентов отработавших газов. Сажа состоит, в основном, из углерода С (95-98%) и химически связанного водорода Н (3-5%). Наличие сажи в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания приводит к потере их прозрачности (увеличению оптической плотности) и появлению облака дыма черного цвета. Видимое дымление дизелей соответствует содержанию сажи в отработавших газах, превышающему 0,1 г/м³. Сажа не единственное твердое вещество, содержащееся в отработавших газах. Другие твердые вещества – сульфаты образуются при сгорании серы и её соединений. Выброс сульфатов в атмосферу с отработавшими газами составляет 5-11мг на километр пробега.

Из газообразных выбросов оксиды серы SO_х и ее соединения занимают одно из лидирующих положений по степени опасности для природы и человека. Образование диоксида серы SO₂ в судовых дизелях и котлах обусловлено содержанием в топливе серы и её соединений (элементарной серы S, сероводорода H₂S_,, меркаптанов RSH и др.). При сгорании серы S и её соединений, содержащихся в топливе, кроме твердых частиц, образуются неорганические газы – диоксид серы (сернистый ангидрид) SO₂ и триоксид серы (серный ангидрид) SO₃. В отработавших газах дизелей на долю диоксида серы приходится 97-98% от общего содержания оксидов серы, а на долю триоксида – 2-3%. Диоксид серы сохраняется в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней, а затем окисляется до высшего оксида (триоксида) SO₃ [3].

Судовые дизели и котлы, находящиеся в эксплуатации, требуют постоянного поиска эффективных способов снижения токсичности отработавших газов.

Литература:

1. Комплексная очистка дымовых газов теплогенерирующих установок. Монография. / Комиссаров К.Б., Лутков С.А., Филь А.В. – Ростов н/Д.: Филиал ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» в г. Ростове-на-Дону, 2007. – 134 с.

2. Смайлис, В.И. Проблемы снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей // Двигателестроение, 1979.–№1. – С. 19 -21.

3. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в эксплуатации: учебное пособие для студентов специальности 150700 – Локомотивы / Д.Я.Носырев, Е.И. Сковородников, Е.А. Скачкова, А.Д. Росляков – Самара.: СамГАПС, 2004.– 139 с.