Охрана окружающей среды при использовании
сверхмощных тракторов
Использование сверхмощных тракторов и агрегатов на их базе связано с
повышенным воздействием на окружающую среду. Поэтому вопросы охраны
последней приобретают особо важное значение. В связи с применением
мощных тракторов значительная доля весьма разнообразных выбросов
приходится на них. Например, суммарная мощность только тракторного парка
к концу десятой пятилетки превысила 156 млн. кВт [71], в результате чего
сельское хозяйство страны превратилось в наиболее крупного потребителя
нефтепродуктов. Их сгорание в тепловых двигателях связано с выделением
различного рода вредных веществ [37]. Касаясь вопросов охраны окружающей
среды в связи с использованием рассматриваемых тракторов, в первую
очередь необходимо остановиться на проблеме загрязнения атмосферного
воздуха, почвы и водоемов.
Уменьшение уровня загрязнения среды вредными продуктами, выделяемыми
промышленными предприятиями, тракторами, автомобилями и
сельскохозяйственными машинами, а также снижение шумов и вибраций
являются важнейшими из глобальных проблем, стоящих перед человечеством.
Это обусловлено тем, что в настоящее время во всем мире с продуктами
сгорания энергетических установок ежегодно выбрасывается в атмосферу
свыше 300 млн. т окиси углерода, более 150 млн. т сернистого ангидрида,
свыше 100 млн. т твердых веществ и более 50 млн. т окислов азота и
других вредных веществ. Например, каждый автомобиль за день работы в
среднем выделяет в воздух около 3 кг окиси углерода, а весь мировой
автотранспорт— около 60% его -объема, поступающего в атмосферный воздух.
Количество окиси углерода в атмосфере удваивается каждые 20 лет.
По данным ряда исследователей, отработавшие газы поршневых двигателей
представляют собой смесь примерно 200 веществ. Вредные вещества
губительно действуют на окружающую среду — воздух, почву, организмы. В
нашей стране выбросы основных вредных компонентов тракторными и
комбайновыми двигателями нормированы (ОСТом 23.1.440—76); например,
интенсивность выделения окислов
азота не должна превышать 14,4 г/(кВт*ч), а окиси
углерода и углеводородов— 3,6 г/(кВт*ч).
Годовая стоимость ущерба вследствие загрязнения атмосферы Англии
оценивается в 250 млн. фунтов стерлингов. Согласно оценкам Агентства по
охране окружающей среды экономические потери от смертности и заболеваний
в связи с загрязнением воздушной среды США составляют около 6 млрд.
долларов, считая и ущерб от утраты трудоспособности, а также расходы на
соответствующее медицинское обслуживание. Для сравнения стоит указать,
что ущерб, наносимый ежегодно экономике США в результате коррозии и
разрушения материалов, гибели растений и сокращения урожайности
сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд. долларов [65], а
общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы США достигает 16
млрд. долларов в год.
Известны случаи образования густого тумана — смога, токсичность которого
полностью определяется исходными загрязнителями. Он часто сопровождается
неприятным запахом. Сухой туман (с влажностью около 70%) называют
фотохимическим смогом. Его основными компонентами являются фотооксиденты
(озон, органические перекиси, нитраты, нитриты, пероксилацетилнитрат),
окислы азота, окись и двуокись углерода, углеводороды, альдегиды,
кетоны, фенолы, метанол и ряд других. В воздухе больших городов эти
вещества практически присутствуют всегда, но в фотохимическом смоге их
концентрация часто намного превышает предельно допустимый уровень. Этот
смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла; при нем
наблюдаются симптомы удушья, обострение легочных и хронических
заболеваний, из-за чего Нередко погибают домашние животные и птицы. Смог
оказывает вредное влияние и на растения, особенно на салатные культуры,
бобы, свеклу, злаки, виноград и декоративные насаждения. При этом
сначала наблюдается набухание листьев от воды. Через некоторое время
нижние поверхности их приобретают серебристый или бронзовый оттенок, и
на верхних появляются пятнистость и белые налеты. Затем наступает
быстрое увядание растения. Фотохимический туман вызывает коррозию
материалов, элементов зданий, растрескивание красок, резиновых и
синтетических изделий.
Несмотря на недостаточную изученность отрицательного влияния попадающих
в почву нефтепродуктов на растительный покров, микрофлору и воздух,
актуальность этой проблемы не снижается, так как нефтепродукты в почве,
водоемах и в воздухе сохряняются длительное время, что ведет к
неуклонному повышению их уровня.
Естественные потери нефтепродуктов нормированы [67]; физические же
потери в результате неисправностей или нарушений нормального
функционирования различных транспортных средств значительно превышают
уровень естественных.
При техническом обслуживании тракторов, комбайнов и. двигателей сливают
отстой; теряется часть топлива и при прокачке системы топли-воподачи при
наличии в ней воздуха. По этой причине из гусеничных тракторов,
например, каждый раз сливается 2—5 л отстоя из основного бака; 2—2,5 л
теряется при промывке фильтров тонкой очистки топлива;
0,4—1,2 л при прокачке системы питания и, наконец,
0,5—1 л уходит при промывке фильтра грубой очистки. Нередки случаи мойки
двигателя и трактора дизельным топливом.
До 25% расхода масел двигателями тракторов, комбайнов и автомобилей
приходится на их периодическую замену. Бывают случаи, когда отработавшее
масло также сливается на землю. От 30 до 50% общего объема расхода масел
тракторами приходится на гидросистемы, что в 3—4 раза превышает норму.
Основными причинами повышенного расхода масел гидросистемами являются
утечки и разливы, связанные с недостаточной надежностью и герметичностью
шлангов, резиновых уплотнений, насосов и распределителей, работающих к
тому же без концевых запорных устройств. Средняя величина потерь при
разрывах шлангов составляет 19—23% от общего расхода масла в
гидросистемах (8—12 кг). На неисправности, связанные с разрывом шлангов,
приходится до 70—80% их общего числа. Практически ежегодно в результате
частого присоединения машин к гидросистемам трактора теряется 10—15 кг
масла каждым гусеничным трактором и 50—75 кг— колёсным.
Неудовлетворительное техническое состояние узлов гидросистем является
причиной ежесменных потерь, достигающих 1,5—2 кг масла. Трансмиссионные
масла иногда также сливают на землю, откуда они с дождевыми осадками
попадают в почву и водоемы. Резко насыщается почва нефтепродуктами и при
применении в качестве гербицидов керосина, которого на 1 га посевов
вносится 600—1000 кг.
Сточные воды нефтескладов, зон ремонта и обслуживания тракторов содержат
до 3000—12 000 иг/л нефтепродуктов.
Почвоведы отмечают, что в связи с увеличением в почве количества
нефтепродуктов в ней повышается и количество углеводородов,
способствующих развитию резличных микроорганизмов, нарушению ее
кислотности. Следствием этого является снижение плодородия, растения
плохо развиваются или иногда гибнут. Даже незначительные дозы сернистого
ангидрида отрицательно действуют на растения, особенно ячмень, овес,
капусту, салат, редис, шпинат. Плохо переносят сернистый ангидрид и
сосновые леса. При попадании в водоемы нефтепродукты не только покрывают
пленкой поверхность, но и распространяются в виде эмульгированных частиц
по всей толще воды, а также отлагаются вместе с илом на дне. Мазут и
масла, осевшие на дно, стойко загрязняют водоемы, вызывая вторичное
загрязнение. Вследствие этого в водоеме нарушаются нормальные
биологические процессы, изменяется состав воды. Наличие в ней 0,1 мг/л
нефти или нефтепродуктов придает рыбе специфический запах и неустранимый
привкус нефти.
Представляют интерес мероприятия по снижению загрязнения почвы, воздуха
и водоемов нефтепродуктами, особенно усиливающегося при нарушении правил
эксплуатации сверхмощных тракторов. Основными из них являются очистка и
удаление сточных и ливневых вод, а также рациональное размещение
очистных сооружений. Сброс содержащих нефтепродукты сточных вод на поля
фильтрации не рекомендуется. Выпуск их в существующую канализацию
согласовы-
вается с организацией, эксплуатирующей систему.
Согласно существующим положениям ввод в действие объектов, связанных с
техническим обслуживанием и ремонтом тракторов, производится только при
наличии очистных сооружений. Нефтепродукты, сливаемые из тракторов в
виде отстоя топлива, отработавшего масла, а также использованные на
технологические нужды топливо, растворители и другие химические продукты
подлежат обязательному сбору с последующей сдачей на базы
нефтеснабжающих организаций для утилизации или уничтожения методами,
согласованными с Госсанинспекцией. При этом отработавшие моторные масла,
включающие в себя моторные, трансмиссионные и индустриальные масла и
смесь отработавших нефтепродуктов, содержащую бензин, керосин, дизельное
топливо, растворители, смазки антифрикционные и консервационные, должны
собираться отдельно в специальные резервуары или в бочкотару. Слив
указанных продуктов на землю категорически запрещается. В поле или на
площадках, не приспособленных для сбора отработавших нефтепродуктов,
запрещается проведение технического обслуживания. Резервуары,
транспортные средства и тара, подготовленные к наливу ГСМ, должны быть в
исправном состоянии.
В связи с рассматриваемыми вопросами особо следует остановиться на
наличии в отработавших газах тепловых двигателей углеводородов, в числе
которых содержатся и полшшклические ароматические углеводороды (ПАУ).
Последние представляют собой не только токсическую, но канцерогенную
опасность. Углеводороды образуются вследствие несовершенства процессов
сгорания органических топлив в двигателях. Они комплексно воздействуют
на человека: а атмосфере образуются фотохимические продукты, в живых
клетках организмов могут возникнуть злокачественные опухоли, в почве они
могут способствовать заражению сельскохозяйственных продуктов. Масштабы
воздействия ПАУ непрерывно растут в связи с дизелизацией парка и ростом
его количества, обусловленные в свою очередь ростом интенсификации
сельскохозяйственного производства. Следует отметить, что проблемы
уменьшения загрязнения окружающей среды вредными составляющими
отработавших газов тепловых двигателей по основным компонентам успешно
решаются. Вопросы же, связанные с изучением природы образования Г1АУ,
исследованиями влияния технологических, эксплуатационных и
регулировочных факторов на их выделение, пока еще изучены недостаточно.
Это же относится .и к вопросам нормирования, профилактики и диагностики
выбросов ПАУ в дизелях, а также к изучению особенностей циркуляции их в
различных экологических системах.
Отечественными и зарубежными исследователями выявлено несколько десятков
видов ПАУ и их производных. Типичными для тепловых двигателей являются
следующие: флуорантен, пирен, бенз(а)антрацен, кри-зен, бенз(к)флоурантен,
бенз(в)флуорантен, бенз(а)пирен, бенз(е)пи-рен, перилен, бенз(д, h, г')перилен,
инбено(№ 1, 2, 3)пирен, антентрен и коронен. Установлено, что ПАУ, в
частности пирен (Q0Hi0), вступают в реакцию с разбавленной азотной
кислотой, содержащейся в отработавших газах. В результате образуются
нитрированные ПАУ, яв-ляющиеся сильными мутагенами. Присутствие в
воздухе и продуктах сгорания канцерогенных веществ, образующихся при
сжигании углеводородных топлив, несмотря на их многообразие обычно
оценивают по содержанию бенз(а)пирена (С20Н12). Он наиболее стойкий к
внешним воздействиям и обладает сильными канцерогенными свойствами. Бенз(а)пирен
(БП) используется в санитарной практике в качестве индикатора
присутствия канцерогенных углеводородов. По данным исследований, в
отработавших газах поршневых и газотурбинных двигателей содержание БП
лежит в пределах 0,5—20 мкг/м3. Это значительно меньше уровня других
токсичных веществ. Однако высокая степень канцерогенной опасности БП при
значительном количестве, выделяемом основными источниками поступления
ПАУ в окружающую среду — тепловыми двигателями, ставит перед
необходимостью ужесточения нормы предельно допустимых концентраций ПАУ.
Ведется работа по выработке научных основ для нормирования выбросов БП с
отработавшими газами.
Изучение циркуляции канцерогенных углеводородов позволило выявить
возможность разрушения ПАУ микроорганизмами. Установлено, что
бактериальные организмы в почве способны не только аккумулировать, но и
с той или иной активностью метаболировать ПАУ; в частности, бенз(а)пирен
путем окисления превращается в продукты метоболизма. В естественных
условиях эта способность проявляется еще сильнее. В почве количество
разрушенного БП доходило до 85 %, тогда как в лабораторных условиях оно
не превышало 40 % даже для наиболее активных из исследованных культур.
В природе процессы разрушения БП идут интенсивнее, причем процент
разрушений одними и теми же культурами наиболее высок в почвах, сильнее
загрязненных ПАУ промышленными источниками. В связи с этим в литературе
высказывается мнение о необходимости оценки суммарного канцерогенного
воздействия отработавших газов тепловых двигателей на окружающую среду с
учетом явдений естественного метаболизма.
В соответствии с современными взглядами ПАУ двигателей в нут-' реннего
сгорания представляют собой промежуточный продукт пиролиза (объемного
процесса термического разложения) углеводородов топлива в газовой фазе в
условиях отсутствия или локального недостатка кислорода воздуха
(окислителя). Процессы при температурах 1300 К±400 К в переобогащенных
топливом зонах могут характеризоваться рядом цепных радикальных
превращений, полимеризацией и изомеризацией с образованием сложных
молекул и свободных радикалов. До настоящего времени ввиду сложности
отдельных его составляющих кинетический механизм образования ПАУ изучен
еще недостаточно. Высказываются предположения о возможной роли в
образовании БП бутадиена С4Н„, образующегося из ацетилена С2Н2. Из
производного бутадиена—стирола CSHS и может образоваться бензапирен. При
температуре ниже 1700 К имеется вероятность образования БП из фенильных
радикалов С«Н5 — зародышей низкотемпературной сажи. Возрастание
температуры выше 1700 К ускоряет процессы дегидрирования и способствует
образованию высокотемпературной
сажи, затрудняя образование БП. Кинетические
механизмы появления последней и ПАУ в тепловых двигателях тесно
взаимосвязаны. Взаимодействие этих продуктов осуществляется при выходе
их из цилиндров двигателя вследствие сорбционных процессов, развитию
которых благоприятствует большая площадь поверхности сажевых частиц.
Вместе с тем доказано, что мелкодисперсная фракция сажи (до 5-103 нм),
способная беспрепятственно проникать в дыхательные пути человека,
содержит до 80 % всего БП. На долю же крупнодисперсной фракции
приходится около 20 % БП.
Анализу образования ПАУ в тепловых двигателях посвящен ряд работ. В них
делается попытка выделить ряд факторов, существенно влияющих на
образование канцерогенных продуктов. Так, Ассоциацией по защите
окружающей среды США совместно с японской фирмой «Нисан» доказано, что
основным фактором, влияющим на рост концентрации БП и нитропирена в
дизелях, является вторичный впрыск топлива форсункой. Путем изменения
конструкции системы впрыска (установление демпфирирующего клапана и
уменьшение диаметра трубопровода высокого давления) удается существенно
снизить концентрацию ПАУ в отработавших газах. Результаты указанных
исследований доказывают, что повышенному выделению ПАУ способствует
работа форсунок с большей наработкой. В работе В. А. Ложкина, Г. А.
Смирнова, Т. Ю. Саловой и др. высказывается мнение о том, что
•увеличение тенденции к подвпрыскам у форсунок, бывших в употреблении (в
сравнении с новыми), связано с закоксовыванием распылителей и
уменьшением подвижности иглы.
Исследованиями также выявлена связь между периодом задержки
воспламенения и содержанием ПАУ в отработавших газах. В частности,
установлено, что с уменьшением периода задержки содержание ПАУ в
отработавших газах снижается, достигая стабильного минимального
значения. Отмечается наличие критического значения периода задержки
воспламенения, определяющего границу в характере изменения ПАУ. При
критическом значении периода задержки воспламенения содержание ПАУ в
отработавших газах становится функцией только величины объема колодца
под иглой распылителя и линейно спадает при уменьшении этого объема.
Влияние объема колодца объясняют тем, то после посадки иглы в конце
впрыска находящееся в каналах сопловых отверстий и в колодце топливо
продолжает вытекать в цилиндр дизеля с малой скоростью из-за расширения
находящихся под иглой пузырьков газа. Наблюдающееся при этом истечение
топлива с малой скоростью после основного впрыска дает локальное
обогащение рабочей смеси (на поздних стадиях рабочего цикла).
Выброс углеводородов тепловыми двигателями во многом определяется
степенью сжатия в них. Реультаты исследований Института поршневых машин
Ганноверского университета показали, что каждому состоянию заряда в
конце сжатия соответствует критическое значение дальнобойности струи
топлива. Превышение этого значения приводит к скачкообразному росту
выброса углеводородов. При постоянных параметрах топливоподающей
аппаратуры можно определить критическое значение степени сжатия. Ниже
указанного значения
наблюдается скачкообразное возрастание выброса
углеводородов. Меры, направленные на сокращение периода задержки
самовоспламенения топлива и продолжительности сгорания, способствуют
снижению критического значения степени сжатия. Рост содержания
углеводородов в отработавших газах связывают также с чрезмерным
увеличением количества топлива, попадающего на стейку камеры сгорания.
Повышение температуры и давления наддувочного воздуха, введение
рециркуляции оттаботавших газов уменьшают выброс углеводородов за счет
снижения периода задержки воспламенения и дальнобойности топливных
струй.
Снижению степени загрязнения окружающей среды вредными составляющими
отработавших газов способствует перевод двигателей на газообразные
(бензиновые) и газоконденсатные топлива. По данным Академии медицинских
наук СССР, загрязнение воздуха БП при работе на газообразном топливе
снижается на 75—90 %. Применение же газового конденсата позволяет
уменьшить содержание БП в отработавших газах дизелей на 40—60 %. В
частности, при использовании газоконденсатного топлива происходит
улучшение смесеобразования и, как следствие, сгорания за счет сокращения
времени диффузии на 15—20 %. При этом происходит более полное выгорание
БП и сажи. В указанных исследованиях были подобраны такие соотношения
газоконденсатного и дизельного топлива, при которых на отдельных режимах
работы двигателя удавалось практически полностью ликвидировать выделение
БП. Это открывает новые пути снижения выбросов БП в окружающую среду.
Исследователи разных стран едины в том, что одним из перспективных
направлений уменьшения выбросов канцерогенных и токсичных веществ с
отработавшими газами является обогащение топливо-воз-душных смесей в
камерах сгорания двигателей водородом. Это эквивалентно насыщению
водородом зоны пиролиза углеводородного топлива. Добавка водорода, с
одной стороны, ингибирует процесс образования как ПАУ, так и зародышей
сажистых частиц, а с другой, она инициирует процесс горения. Введение
водорода в камеру сгорания в количестве 5—7 % от массы углеводородного
топлива уменьшает выделение БП примерно в 8—10 раз, а при 12—15 %
содержание БП приближается к значению предельно допустимой концентрации
для рабочих помещений.
Проблемы снижения выбросов канцерогенных ПАУ с отработавшими газами в
окружающую среду, в частности в воздух и почву, тесно связаны с
вопросами рассеивания выбросов от мобильных средств с тепловыми
двигателями. Пока частные решения этой задачи разработаны только
применительно к автотранспортным средствам. Характер рассеивания в
атмосферном воздухе выбросов вредных веществ зависит от многих
взаимосвязанных факторов, основными из которых являются метеоусловия,
химические и физические свойства веществ, интенсивность и скорость
движения потоков и т. д. Обычно при расчетах рассеивания вредных веществ
с отработавшими газами делают допущения о том, что выброс
квазистационарен, скорость ветра постоянна, а загрязняющие вещества
выбрасываются непрерывно. При решении этой задачи целесообразно
использовать Гауссово распределение. Можно предположить, что указанные
решения в принципе могут быть использованы и применительно к тракторным
и комбайновым агрегатам. Однако не следует забывать об особенностях их
эксплуатации, характеризуемых напряженностью рабочего цикла.
Серьезной проблемой остается уплотнение почвы тракторами и агрегатами на
их базе. В результате этого снижается аэрация, ухудшается развитие
корневой системы растений, изменяются скорость и характер движения воды
в почве, подавляется ее биологическая активность и как следствие падает
плодородие. Например, при возделывании пропашных культур тракторный
агрегат за один цикл по одному и тому же полю проходит до 8 раз.
Уплотнение почвы за этот счет приводит к снижению урожайности до 20% и
более. По данным Белорусской сельскохозяйственной академии, при
возделывании озимой ржи объем уплотненной тракторами почвы составляет
81%, а при возделывании сахарной свеклы — 91%. Поданным НАТИ и
Почвенного института имени В. В. Докучаева, снижение урожайности ячменя
на уплотненных участках доходит до 37%. В литературе [92] приводятся и
другие данные, показывающие, что плотность почвы в колее колесных и
гусеничных тракторов классов 30 и 50 кН при выполнении ими отдельных
операций в весенний период (т. е. при однократном воздействии ходовых
устройств на почву) находилась в пределах оптимальных значений и только
в отдельных случаях незначительно превышала их. Отмечается также, что
динамика появления всходов в колее всех тракторов была выше, чем вне ее.
Густота насаждений, динамика развития растений и биологическая
урожайность гороха, ячменя, сахарной свеклы и кукурузы также были
практически одинаковыми (в колее и вне ее). Это указывает на резервы в
решении данной проблемы: наряду с дальнейшим совершенствованием
тракторов и их ходовых систем, уменьшением давления на почву должно
уделяться повышенное внимание совершенствованию технологии не только
отдельного вида работ, но и всего их комплекса с целью сведения к
минимуму числа проходов агрегатов.