АНАЛИЗ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ

 

В сообщении морские транспортные средства рассматриваются как источники вред- ных выбросов в виде вредных веществ и физических полей. Показаны особенности атмосфер- ных судовых выбросов, образующихся за счёт неполного сгорания жидкого топлива. На при- мере судов типа БАТМ проекта 1288. На основании уравнений сохранении массы импульса и энергии получены геометрические характеристики атмосферных выбросов и определены кон- центрации вредных веществ, включая сажистую компоненту, в функции расстояния от дви- жущегося судна. Показано, что одно судно в течение суток оказывает негативное экологиче- ское воздействие на площадь водной поверхности порядка 4∙105 м2.

Водные транспортные средства, включая военные корабли, танкеры, пассажирские и грузовые суда, суда рыбопромыслового и рыбообрабатывающего флота,

а также гео- логические разведывательные и вспомогательные суда и т.п., с позиций окружающей природной среды, например акватории Охотского моря, являются искусственными тех- ногенными образованиями, способными нарушать экологическое равновесие. Любое Самые совершенные судо- вые силовые установки, исключая атомные, имеют коэффициент по- лезного действия не превышаю- щий 40%. Другими словами, 60% энергетических возможностей то- плива, в процессе энергетических преобразований попадают в виде различного рода выбросов и излу- чений в окружающую среду. Влияние судов на состояние внешней воздушной и водной среды можно представить как по- следовательность энергетических преобразований и переходов. Если рассматривать отдельно взятое судно, находящееся в некоторой точке Миро- вого океана, то амплитудные значения единичных показателей уровня влияния каждого вида генерируемой энергии и вещества на окружающую среду ω

i(m)

будут казаться в масштабах Мирового океана ничтожно малыми. Ситуация коренным образом меняется в случае присутствия в ограниченном по площади районе океана большого количества су- дов. Как правило, это имеет место в портах и биопродуктивных шельфовых зонах, где суммарное воздействие отдельных техногенных факторов Ωi,k может превышать соот- ветствующие допустимые экологическими нормами уровни Qi,k . Наряду с генерацией физических полей выполнение судами технологических задач сопровождается выбросами различного рода веществ, многие из которых представляют- ся для атмосферы, гидросферы и биосферы вредными. На рис. 2 представлена блок- схема взаимодействия судна с окружающей средой.

 

 

Можно выделить десять основных источников воздействия судна на атмосферу, гидросферу и биосферу. Все источники связаны с генерацией в окружающую среду либо вещества в различном фазовом состоянии либо физических полей. Целесообразно под- разделить все источники негативного воздействия на полевые излучения (пунктирный блок I) и выбросы в форме вещества (пунктирный блок II).

Выбросы судов в форме физических полей в современной научной и технической литературе рассматриваются, в основном, с позиций их обитаемости и санитарных норм. Вместе с тем судно представляет собой источник физических полей и вредных веществ, которые оказывают влияние на состояние окружающих судно экосистем.

Рассмотрим влияние на атмосферу и гидросферу выбросов в виде продуктов сго- рания топлива, которые постоянно выбрасываются судами

Как было показано нами ранее [1] судовые энергетические установки, имея весьма низкий коэффициент полезного действия (ηmax ≅ 0,37), большую часть внутренней энер- гии углеводородного жидкого топлива выбрасывают в окружающее пространство в виде физических полей и вредных веществ. В частности, с уходящими из цилиндров дизелей газами, уносится ξG≅ 38 % от всей химической энергии жидкого топлива. По данным специалистов около 90 % всей энергии, используемой человеком для своих нужд, извлекается посредствам двигателей внутреннего сгорания, при этом баланс загрязнения окружающей среды в масштабах планеты оценивается следующими вели- чинами: 50,4% двигатели внутреннего сгорания, 15,7% тепловые электростанции, 14,1% промышленные предприятия. На автомобильный транспорт приходится 70 % вредных выбросов, на сельскохозяйственные машины − 9,2 %, на воздушные суда − 7,3%, на морской транспорт − 4,1 %.

Несмотря на то, что морской транспорт не является лидером в экологическом влиянии на окружающую среду, пренебрегать этим видом техногенного влияния не представляется возможным, по причине концентрации судов флота рыбной промыш- ленности на ограниченных площадях шельфовых зон. Применительно к судовым дизе- лям принято считать, что около 98% отработанных газов, являющихся неотъемлемой частью их разомкнутого цикла, состоит из веществ в газообразном состоянии, вклю- чающим в свой состав окиси углерода, азота, серы и углеводородов. Кроме того, с отра- ботанными газами в атмосферу выбрасываются вредные вещества в твёрдом и жидком состоянии. Твёрдая фаза представлена, в основном, продуктами неполного сгорания то- плива в виде сажи. В состав жидкой фазы входят мелкодисперсные сферические частич- ки смазочных веществ и не полностью окислившегося топлива.

Крупнотоннажные суда, снабжённые энергетическими установками мощностью N ≥ 5⋅106 Вт (≥ 6800 л.с.) выбрасывают в среднем в атмосферу около VG≅ 0,45 м3/с смеси отработанных газов и воздуха. Если принять среднегодовое количество суток, поведен- ных всеми добывающими судами в акватории Охотского моря τ ≅ 6600 суток (Табл. 1), а суммарные суточные выбросы отработанных газов в исследуемой акватории одновре- менно бросов работающих отработанных Z газов = 80 судов, составят VG(Σ)≅ V1⋅109 G(τ)≅ м3.3,1⋅106 м3, то в течение года объём вы-

Концентрация вредных веществ в отработанных газах зависит от многих факторов, основными из которых являются степень износа элементов топливной аппаратуры и ци- линдропоршневой группы, а так же неудовлетворительное состояние возможных регу- лировок. Концентрация выбросов увеличивается также при использовании судовых ди- зелей на максимально возможных мощностных режимах, что часто случается во время промысловых рейсов при тралениях и выходах на замёт.

В табл. 1 приведены данные Т.Ю. Саловой, и др. [2] по составу и концентрациям вредных выбросов дизелей, зафиксированных во время лабораторных испытаний

Судовые дизели в условиях промысла, с учётом морального и физического износа топливной аппаратуры имеют повышенные концентрации вредных веществ в отрабо- танных газах. В табл. 2 приведены ориентировочные результаты расчетов, в основу ко- торых положены данные табл. 1 и приближенные данные по концентрациям вредных газообразных и твёрдых веществ в отработанных газах судовых дизелей.

Оксидов углерода, например, в кубическом метре отработанных газов содержится в среднем 1,5∙10 - 4 кг/м3, т.е. все суда за время пребывания в акватории Охотского моря в атмосферу выбрасывают по оптимистичным данным 384 кг. Такой же порядок выбро- сов и по другим составляющим продуктов сгорания в судовых энергетических установ- ках.

Влияние газообразных вредных выбросов непосредственно на гидросферу, несо- мненно, имеет место быть, однако установить количественные параметры такого влия- ния чрезвычайно затруднительно ввиду сложности процессов при взаимодействии атмо- сферы и поверхности океана.

 

Непосредственное негативное влияние выбросов отработанных веществ в атмо- сферу достаточно убедительно прослеживается на примере сажи, которой по приведен- ным оценкам выбрасывается в общей сложности всеми судами почти 12 тонн. Сажа в

некоторых случаях может сохраняться во взвешенном над водной поверхностью состоя- нии несколько часов. Сажистые выбросы принято различать по цвету: чёрные (сажи- стые), голубые (масляные), белые (топливные). Каждый цвет дыма соответствует прева- лированию той или иной неисправности топливной аппаратуры. Белый, голубой или коричневый дым состоит из капель несгоревшего топлива и масла. Для судовых дизелей наиболее характерен чёрный или тёмно серый цвет дыма, представляющего собой ком- плексы − агломераты мелкодисперсных относительно крупных твёрдых частиц, состоя- щих из полиароматических углеводородов с гексагональной структурой. Сажистые час- тицы являются продуктом крекинга, дегидрогенизации и полимеризации капель углеводородного топлива.

Сажа представляет собой вещество в аморфном состоянии со среднеарифметиче- скими размерами частиц порядка d

S≅ 2⋅10 − 7 м. Сама по себе сажа не токсична, но она обладает высокой степенью адсорбции. Сажа накапливает в своём составе газообразные и жидкие высокотоксичные компоненты, такие как бензопирен, формальдегиды, аль- дегиды и др.

Сажа судовых дизелей содержит полициклические ароматические углеводороды, относящиеся к канцерогенным веществам. Индикатором присутствия в отработанных газах всех известных групп канцерогенов является бензо(α)пирен. Таким образом, прак- тически весь набор токсичных веществ транспортируется по прилегающей к судну аква- тории посредствам сажистых частиц, которые, адсорбируя дополнительно на своей по- верхности воду, оседают на поверхность, производя негативное воздействие на все элементы биосферы

Представляет практический интерес определение зон загрязнений, вызванных ат- мосферными судовыми выбросами. Атмосферные выбросы могут быть охарактеризова- ны следующей системой дифференциальных уравнений в частных производных [3]

 

 

 

 

Уравнения (1,2) характеризуют сохранение массы, уравнения (3 − 5) − сохранение импульса и уравнение (6) − сохранение энергии. В уравнениях приняты традиционные обозначения: ществ, vо− вектор ρ − плотность скорости, вещества, t − время, n − массовая концентрация вредных ве- − коэффициент турбулентной вязкости, g − ускорение свободного падения, v − проекции скорости на оси декартовой системы коорди- нат, р − давление. Н − энтальпия смеси. Система шести уравнений для её замыкания должна быть снабжена дополнительными соотношениями, учитывающими молекуляр- но-кинетические особенности поведения смеси

 

 

 

где Т − температура, R0− газовая постоянная атмосферного воздуха, R g − постоянная продуктов сгорания, С0(р)− удельная теплоёмкость атмосферного воздуха, Сg(0)− удель- ная теплоёмкость продуктов сгорания, q f − теплота фазового перехода атмосферной вла- ги, φ 0 − абсолютная влажность атмосферного воздуха. Для источника постоянной интенсивности, каковым в первом приближении можно считать судовые атмосферные выбросы, решение приведенной выше системы уравнений сводится к следующей зависимости для концентрации вредных веществ

 

 

z − секундный выброс массы (интенсивность эмиссии), u Σ − суммарная скорость ветра и судна, z 0 − высота источника над подстилающей поверхностью, z − вертикальная координата, σ х , σ y , − стандартные отклонения частиц выброса вдоль осей координат, оп- ределяемые соотношениями ≅ − 0,101 − коэффициенты, учитывающие устойчивость атмосферы по Ф. Пэсквиллу, величина которых соответствует классу В при скорости ветра от 3 до 9 м/с.

На рис. 3 приведены результаты расчетов по уравнению (10), зависимости величи- ны коэффициента концентрации атмосферных выбросов от горизонтальной координаты n = f(x), направленной в сторону, противоположную вектору скорости судна и совпа- дающую с направлением ветра. Данные получены для БАТМ проекта 1288, оборудован- ного двумя дизелями 6ЧН 40/46 мощностью по N = 2,57⋅106 Вт каждый, с общим се- кундным расходом массовой интенсивности дизельного топлива Z s выбросов m 0 ≅ 7,4⋅10 ≅ 0,362 кг/с, что обеспечивает величину − 2 кг/м2с для скорости u Σ = 10 м/с (прямая 3), u Σ =5 м/с (прямая 2), u Σ = 1 м/с (прямая 1).

 

Как видно из полученных данных, концентрация вредных выбросов уменьшается с расстоянием по экспоненциальному закону. Уменьшение концентрации, вследствие справедливости законов сохранения массы и импульса (2 − 4), должно приводить к соот- ветствующему увеличению объёма, занимаемого струёй. Если струе придать форму го- ризонтального конуса объёмом

 

 

где R − радиус струи на расстоянии х от среза генерирующей поверхности, R0− началь- ный радиус, то отношение квадратов радиусов сечения струи и концентраций вредных веществ в рассматриваемых сечениях определится следующим соотношением

 

 

 

На удалении х = 100 м радиус струи станет равным R ≅ 6,7 м. По мере уменьшения средней температуры струи сажистые фрагменты атмосферных судовых выбросов вой- дут в соприкосновение с подстилающей морской поверхностью. Тепловой анализ струи, проведенный в работе [1], показывает, что при атмосфере устойчивостью класса В, кон- такт с поверхностью произойдёт, примерно через время τ1≅ 1,8⋅103 с, время осаждения 0,7 массы выбрасываемой сажи при выбранном классе устойчивости атмосферы соста- вит τ2≅ 4,6⋅103 с. Принимая форму площади осаждения в виде параболы, можно опреде- лить площадь загрязнения акватории

 

Для количества судов, одновременно находящихся в промысловом районе Z = 76, суммарная площадь контакта судовых атмосферных выбросов составит SΣ≅ 3,42⋅107 м2 на которой с течение суток распределится, в частности, 148 кг сажистых выбросов, ко- торые представляют наибольшую опасность для гидросферы.

 

А.Я. Исаков (КамчатГТУ), А.А. Исаков (ЗАО АКРОС)