Методы очистки отходящих газов, применяемые на железнодорожном транспорте

Производственная деятельность железнодорожного транспорта оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон нашей страны. Негативное воздействие железнодорожного транспорта на природную среду в настоящее время остается достаточно высоким в результате выброса вредных веществ, как от подвижного состава, так и от многочисленных производственных и подсобных предприятий, обслуживающих перевозочный процесс.

Министерство путей сообщения Российской Федерации (МПС России) проводит экологическую работу в отрасли, руководствуясь Основными положениями государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития, а также постановлениями Правительства Российской Федерации о планах действий Правительства Российской Федерации в области охраны окружающей среды и природопользования.

Основой природоохранной работы является "Экологическая программа железнодорожного транспорта на 2006 – 2010 годы", главная цель которой – поэтапное приближение фактического загрязнения окружающей природной среды предприятиями железнодорожного транспорта к установленным предельно допустимым нормам за счет строительства очистных сооружений, совершенствования применяемых технологических процессов и перехода к экологически безопасным, ресурсосберегающим технологиям[21].

Одной из важнейших задач, решаемых в рамках отраслевой экологической программы, является сокращение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух предприятиями железнодорожного транспорта.

В результате выполнения природоохранных мероприятий, направленных на более широкое применение на железнодорожном транспорте менее токсичных видов топлива, ликвидацию источников загрязнения, внедрение газопылеулавливающих устройств, удалось добиться снижения выбросов загрязняющих веществ на 22,9 тыс. т, или на 8,5% к уровню 2005 г. Тем не менее, анализ природоохранной деятельности показывает, что, наряду со снижением воздействия на окружающую среду, поступление загрязняющих веществ в атмосферу от промышленных предприятий остается на достаточно высоком уровне. В частности, на очистных сооружениях улавливается и обезвреживается всего 35,5% выбросов загрязняющих веществ в атмосферу[21].

Основная причина негативного воздействия железнодорожного транспорта на атмосферу заключается в недостаточно эффективной работе технологического оборудования, природоохранных сооружений и оборудования в хозяйствах железных дорог и на заводах, а именно:

- в хозяйстве гражданских сооружений и водоснабжения - недостаточная очистка выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух котельными, работающими на твердом и жидком топливе-

- в локомотивном хозяйстве - значительные выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух маневровыми тепловозами, котельными, работающими на твердом и жидком топливе-

- в путевом хозяйстве - на шпалопропиточных заводах выбросы токсичных загрязняющих веществ в атмосферу происходят при остывании шпал после пропитки их антисептиком- на рельсосварочных предприятиях в воздушную среду выбрасываются пыль, газообразные вещества при литейных процессах, сжигании газа или мазута в печах пескосушильных камер, сварочных работах-

- в вагонном хозяйстве - выбросы вредных веществ в атмосферу котельными, работающими на твердом и жидком топливе- выбросы вредных веществ в атмосферу на промывочно-пропарочных станциях-

- в грузовом хозяйстве - загрязнение окружающей среды сыпучими грузами вследствие их распыления при перевозке на открытом подвижном составе.

Для всех хозяйств железных дорог и заводов характерным является: высокий износ основных фондов оборудования и сооружений природоохранного назначения, их недостаточная эффективность и производительность- отсутствие или неудовлетворительная работа пылегазоулавливающих установок- нарушение сроков разработки и согласования нормативных экологических документов.

Из всего многообразия загрязняющих веществ, воздействующих на атмосферный воздух при работе предприятий железнодорожного транспорта, наиболее масштабными являются продукты сгорания различных топлив: оксиды азота, серы, углерода, газообразные углеводороды и твердые частицы(сажа, зола). Очистку от этих соединений, поступающих от стационарных источников(например, при работе котельных) производят с использованием методов и технических средств рассмотренных ранее.

Одним из основных источников загрязнения атмосферы от подвижного состава являются отработавшие газы дизельных двигателей тепловозов. В них содержится окись углерода, окись и двуокись азота, различные углеводороды, сернистый ангидрид, сажа. Высокое содержание вредных примесей в отработавших газах дизелей при работе в режиме холостого хода обусловлено не только плохим смешиванием топлива с воздухом, но и сгоранием топлива при более низких температурах. Режим работы маневровых тепловозов менее стабилен, чем поездных, поэтому и выделение токсичных веществ у них в несколько раз больше. Уровень загрязнения воздушной среды станций и прилегающих к ним зон отработавшими газами маневровых тепловозов зависит от числа одновременно занятых локомотивов. При этом наиболее значительно выделение оксидов азота и сернистого ангидрида.

Анализ методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду показывает, что в настоящее время основными направлениями являются усовершенствование конструкции отдельных узлов дизеля, рециркуляция газов, применение нейтрализаторов и катализаторов, электрофизических методов очистки выхлопных газов, использование альтернативных топлив. Кроме того, представляет интерес применение различных присадок к топливу, а также использование различных методов обработки топлива перед впрыском в камеру сгорания.

Уменьшением угла опережения впрыска топлива на 4-5° от штатного снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации оксидов азота (NOx) в среднем на 30-35%[25]. Увеличение угла опережения повышает концентрацию NOx на 15-17%. Иное влияние изменение угла опережения впрыска топлива оказывает на содержание продуктов неполного сгорания топлива. Так, уменьшение угла приводит к снижению концентрации СО при работе дизеля в диапазоне малых нагрузок и, наоборот, к увеличению - при работе дизеля в области средних и максимальных нагрузок. При угле впрыска больше штатного концентрация СО увеличивается в области малых нагрузок и снижается в области нагрузок, превышающих среднюю. Результаты эксперимента показывают, что уменьшение угла опережения впрыска топлива вызывает рост содержания продуктов неполного сгорания топлива, но общая токсичность дизеля не увеличивается, так как выход наиболее токсичного и трудно обезвреживаемого оксида азота снижается. Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специальной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

Положительные результаты дает и рециркуляция отработавших газов на линии всасывания[26]. В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий образования оксида азота. При этом выброс оксидов азота снижается до 55%, однако, происходит некоторое увеличение продуктов неполного сгорания топлива (окиси углерода). Кроме того, уменьшается выбрасываемая масса газов на величину перепускаемых.

Однако, количественное изменение свежего заряда может негативно отразиться на технико-экономических показателях двигателя. В частности, при чрезмерном перепуске отработавших газов может увеличиться расход топлива с одновременным падением развиваемой дизелем мощности. Поэтому количество перепускаемых газов для каждого двигателя подбирается индивидуально, исходя из условий минимального ухудшения технико-экономических показателей дизелей и режимов его работы. Как правило, в этом случае за основу берется топливная характеристика. Следовательно, экономические показатели дизеля должны увязываться с указанными ограничениями. Так же при применении рециркуляции газов возникает дополнительная проблема - отложение сажи на внутренних поверхностях дизеля - воздухоподводящем канале, впускных окнах, форсунках. Эту проблему можно решить с помощью использования специальных сажевых фильтров. В настоящее время ряд отечественных и зарубежных исследователей ведут работы по созданию керамических фильтров (пористые сотовые структуры на основе кордиерита), фильтров на основе металлических сеток и войлока (волокна из нержавеющей стали), а также электрофильтров. Такие фильтры способны задерживать до 80 – 95 % твердых частиц, содержащихся в отработавших газах. Однако в процессе работы первые два из указанных типов фильтров вскоре забиваются сажей, что приводит к резкому росту противодавления в выхлопном трате. Поэтому требуется их регенерация - либо огневая (за счет выжигания сажи специальными горелками), либо за счет противотока, встряхивания. В целом рециркуляцию предпочтительно применять на тех тепловозах у которых, в общем времени эксплуатации преобладают режимы холостого хода и малых нагрузок.

Одним из направлений в очистке отработавших газов от вредных выбросов (NOх, СО, СО2, SO2 и др.) является применение нейтрализаторов с катализаторами дожигания углеводородов. Из других методов очистки отработавших газов от оксида азота следует отметить каталитическое его восстановление с помощью платинованадиевого катализатора в присутствии аммиака. Использование аммиака наиболее приемлемо для применения в кислородосодержащей среде. Несмотря на сложность и относительно большую стоимость, этот метод может найти применение на железнодорожном транспорте, в первую очередь на станциях реостатных испытаний дизелей. Известны также случаи применения для восстановления оксида азота мочевины, метана, природного газа. Перечисленные способы снижения токсичности тепловозного дизеля могут быть мокрыми и сухими. Применение на тепловозах жидкостных нейтрализаторов нереально ввиду их громоздкости, сложности эксплуатации и обслуживания.

В настоящее время во многих странах ведутся исследования по применению электрофизических методов очистки газов от экологически вредных составляющих. Одним из способов является использование импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов. По сравнению с другими способами очистки, очистка с помощью стримерной короны не сопряжена с решением сложных инженерных задач обеспечения высокого ресурса источника энергии - ускорителя электронов в агрессивной среде выхлопных газов. Выхлопные газы проходят через реакционную камеру, к которой прикладываются импульсы высокого напряжения столь малой длительности, что пробоя камеры не происходит. При этом в камере возникает интенсивный импульсный коронный разряд представляющий собой одновременное развитие большого числа тонких светящихся каналов разряда - стримеров. Во время прорастания стримеров в межэлектродном промежутке, за счет высокой напряженности электрического поля на головках стримеров нарабатывается большое количество электронов имеющих сравнительно высокую энергию. Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически активных частиц таких как О•, О3, ОН- , Н2O2 и прочих которые, взаимодействуя в свою очередь с молекулами примесей, окисляют и доокисляют их с образованием безвредных малоактивных соединений. При этом привлекательными являются как простота технологий очистки, позволяющая совмещать реакционную камеру с существующими технологическими схемами, так и относительно невысокие затраты энергии на процесс очистки. Наличие в газах только коронирующего электрода является несомненным преимуществом этого способа очистки по сравнению с другими способами, что не исключает их комплексного применения. Энергия, требуемая на очистку 1 м3 газа, меняется в зависимости от концентраций и вида загрязняющего компонента. Так по экспериментальным данным очистка воздуха от диоксида азота NO2 на 80% требует затрат энергии около 15 Вт•ч/м3, от диоксида серы SO2 на 90% - 10 Вт•ч/м3.

Большое значение для снижения вредных выбросов дизелей имеет разработка и внедрение альтернативных низкотоксичных видов топлив[27]. Так в качестве дизельного топлива можно использовать диметиловый эфир, это топливо может радикально решить проблему использования дизельных двигателей в городских условиях, только необходимо разработать дополнительную к обычной, топливную аппаратуру для серийных двигателей[28]. Но топливо должно быть доступным. В ИНХС РАН разработали эффективный способ получения дешевого диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию. Диметиловый эфир СН3ОСН3 (ДМЭ) при комнатной температуре газ, но при минус 25° С он сжижается и под небольшим давлением может быть помещен в топливные баки дизельных двигателей. Параметры сгорания ДМЭ такие же, как и у дизельного топлива и при сохранении мощности и экономичности полностью отсутствует в выхлопных газах сажа на всех режимах работы, а так же снижается содержание оксидов азота.

В связи с тем, что дизельный ДВС не может работать на природном газе, поэтому одной из мер по снижению токсичности выхлопных газов и экономии дизельного топлива может стать применение газодизелей - ДВС с двухтопливной системой: дизельное топливо - газ. Принцип этой системы состоит в том, что количество подаваемого в цилиндры дизельного топлива уменьшается примерно на 35%, а во впускной коллектор вместе с воздухом подается 35% сухого газа, которые тщательно перемешиваются перед впуском в цилиндр. Это позволяет двигателю развивать такую же мощность, какую он развил бы при использовании 100% дизельного топлива. Сгорание топлива в цилиндрах происходит более активно, уменьшая дымность отработанных газов почти на 50%.

Так же рекомендуется использование топливных присадок и водотопливных эмульсий, подача воды в воздушный ресивер. В качестве добавок к топливу возможно использование растительных масел (до 10 %) без потери мощности, после их предварительной переработки (прессование, извлечение эфиров, очистка, рафинирование и прочие операции)[29].

Одним из способов улучшение экологических и технико-экономических показателей тепловозных дизелей является электромагнитная обработка топлива перед непосредственной подачей его в камеру сгорания. При этом изменяется физическое состояние топлива на молекулярном уровне (ионизация топлива). Такие изменения ведут к улучшению распыления топлива по всему периметру камеры сгорания, что приводит к хорошему смесеобразованию и более качественному и полному сгоранию горючей смеси[30]. Это ведет к уменьшению нагара в камере сгорания, снижению содержания в отработавших газах окиси углерода на 20-50%, углеводородов - на 20-60%, оксидов азота - на 15%, дымность - на 30-60%, снижение расхода топлива - до 15% (в зависимости от режима работы). Кроме этого облегчается пуск в зимнее время, повышается надежность и мощность двигателя- улучшается теплообмен- уменьшается уровень шума ДВС. При этом потребляемая мощность составляет 2,0 - 5,0 Вт, в зависимости от типа двигателя.

Из вышеизложенного следует, что единого (универсального) технического решения, удовлетворяющего ужесточающиеся экологические требования, для дизелей нет. Поэтому при разработке комплекса антитоксичных устройств для транспортных средств с дизельным приводом необходимо учитывать тип дизеля, режим его работы, тип топлива и состав его примесей, назначение тяговой единицы. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в повышение экологической чистоты без ущерба для экономичности двигателей.

В 2006 году особое значение придавалось работе по снижению негативного воздействия передвижных источников железнодорожного транспорта на атмосферный воздух[21]. Основное внимание уделялось совершенствованию технологических процессов работы тепловозов и разработке нейтрализаторов для обезвреживания выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами дизелей тепловозов. В течение года были проведены испытания макетных образцов нейтрализаторов вредных веществ отработавших газов тепловозов, разработана конструкторская документация на опытный образец нейтрализатора-глушителя для установки на тепловозе ТЭП-70. Разрабатываемые нейтрализаторы рассчитаны на 1–2 года работы без замены блоков, их применение позволит снизить выбросы вредных веществ по оксидам азота на 40%, оксидам углерода и углеводородам – на 60–70%, сажи – на 50–60%.

В целях совершенствования качества рабочих и технологических процессов работы дизелей тепловозов выполнены исследования влияния девяти различных факторов на стендах, в том числе обеспечивающих повышенную топливную экономичность и, следовательно, в наибольшей степени улучшающих экологические характеристики тепловозов.

Продолжены испытания маневрового тепловоза, работающего на сжатом газе. При работе такого тепловоза выбросы оксидов азота снижаются в 2 раза, углеводородов – в 3 раза, оксидов углерода – в 5–10 раз.

С 1998 года на железных дорогах начаты и продолжаются работы по капитальному ремонту эксплуатируемых тепловозов 2М62М, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У с продлением срока их службы до 15 лет: производится замена устаревших, малоэкономичных двухтактных дизелей 10Д100, 14Д40 на современные экономичные дизели типа Д49 производства АО "Коломенский завод". В результате повышается топливная экономичность отремонтированных тепловозов на 15%, улучшаются экологические показатели: токсичность отработавших газов снижается на 34%, дымность выпуска – на 12%, звуковое давление – на 8%. Одновременно сводится к минимуму возможность утечки нефтепродуктов на земляное полотно[21].<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!