Некоторые результаты испытаний по снижению токсичных выбросов дизельных двигателей



В сегодняшний день горнодобывающая индустрия играет важную роль в экономике Монголии. В целях защиты работающих ведется контроль токсичных выбросов в выхлопных газах машин и оборудования в подземных шахтах. Ниже приведены некоторые результаты исследования по снижению некоторых токсичных выбросов за счет установки сажевых фильтров в дизельных двигателях подземных горных машин и оборудования, используемых в Оюу толгой.

Ключевые слова: дизельный сажевый фильтр , диоксид азота, монооксид азота, температура окружающей среды, крутящий момент.

Введение

Дизельные двигатели широко используются во многих отраслях промышленности, и в том числе горнодобывающей, благодаря их долговечности, надежности, мощности и экономичности. Но, к сожалению, именно они являются основным источником загрязнения воздуха в глубине подземных шахт.

Выхлопной газ дизельного двигателя является смесью около 300 веществ, большинство из которых токсичны. Он состоит из двуокиси углерода (CO ₂ ), который является основным продуктом сгорания дизельного топлива, водяного пара (H ₂ O), несгоревших остатков воздуха (N ₂ и O ₂ ) и из многих других газообразных и твердых веществ, таких как углеводороды, оксиды азота и соединения серы.

Твердые частицы (PM-particulate matter), полициклический ароматный углеродный газ (PAH-polycyclic aromatic hydrocarbons), вредные выбросы дизельных выхлопных газов (DEE-diesel exhaust emission) обусловлены неполным сгоранием топлива в дизельных двигателях.

Известно, что помимо негативного воздействия на окружающую среду, вредные соединения в выхлопных газах дизельных двигателей отрицательно влияют на здоровье человека, вызывая респираторные заболевания, повреждение легких и нагрузку на сердечно-сосудистую систему [1]. В 2012 году Всемирная организация здравоохранения объявила, что твердые частицы сажи могут вызывать рак, а также влияет на репродуктивную систему. Международным агентством по исследованию рака (IARC) было признано, что выбросы выхлопных газов дизельных двигателей являются канцерогенными [2].

Сгорание в дизельном двигателе происходит путем впрыскивания топливной (углерод-карбон) и воздушной смеси под высоким давлением в камеру сгорания. При высоких температурах топливо сгорает не полностью и образуется осадок в камере сгорания, большая часть которого соединяется с кислородом и переходит на следующую стадию процесса горения. Остальная часть выбрасывается в окружающую среду в виде твердых частиц (сажи).

Дизельная сажа содержит углерод и другие твердые частицы по размеру менее 1 микрона, состоящие из золы, металлических частиц трения, сульфатов и силикатов. Частицы такого размера могут проникать в легкие человека.

В глубине подземного рудника Оюу Толгой используются тяжелое подвижное оборудование (HME heavy machinery equipment), малогабаритные мобильные устройства (LME light mobile equipment), подъемные устройства (EWP elevating work platform, ATV all train vehicle или John Deere), также вспомогательные дизельные устройсва: компрессора, насосы, генераторы.

В рамках Программы контроля токсичных выбросов дизельных двигателей на Оюу Толгой проводятся:

— Контроль выброса токсичных отходов дизельных двигателей;

— Выявление и регистрация всех источников токсичных выбросов;

— Регулярное измерение выбросов токсичных отходов;

— Установка сажевых фильтров (DPF) в дизельных двигателях Tier 2, Tier 3.

1. Измерение токсичных выбросов дизельных двигателей на оборудованиях подземного рудника Оюу Толгой

Базовые и максимально допустимые уровни выбросов дизельного топлива на подземном руднике Оюу Толгой установленные согласно Закону о труде Монголии, а также Положениям Rio Tinto по менеджменту выбросов дизельного двигателя [ 7, 8], приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Базовый уровень выбросов дизельных двигателей (на шахте Оюу Толгой) [6]

Критерии токсичных выбросов на шахте Оюу Толгой	Дизельный сажевый фильтр (без DPF)	Дизельный сажевый фильтр (с DPF)
CO, (ppm)	1100	800
CO 2 , (%)		6–12
NO (ppm)		900
NO 2 (ppm)		100
NO x (ppm)	750	750
PM, (мгр/м 3 ) для двигателей Tier 2, Tier 3, Tier 4i		12
Дизельная сажа PM (мгр/м 3 ) для двигателей Tier 4f		8

Таблица 2

Допустимые максимальные пределы выбросов для дизельных двигателей [7]

Результат основного испытания	Допустимые максимальные пределы
CO и NO x меньше чем 500 ppm	25 % но не меньше чем 75 ppm
CO и NO x больше чем 500 ppm	15 %
PM — Чистый двигатель (для двигателей Tier 4i и Tier 4f)	30 %
PM — Загрязненный двигатель (для двигателей Tier 2, Tier 3)	15 %

При первичном вводе в эксплуатацию техники бригада по техническому обслуживанию передвижного оборудования шахты определяет количество выбросов выхлопных газов двигателя. В случае превышения допустимых значений, указанных в таблицах 1 и 2, машина отправляется на техническое обслуживание.

Количество вредных выбросов в выхлопных газах, таких как, монооксид углерода (СО), диоксид углерода (CO ₂ ), оксид азота (NO), диоксид азота (NO ₂ ), оксиды азота (NO _x ), дизельная сажа (PM), измеряли в зависимости от температуры среды, расхода воздуха в режиме свободного ускорения в определенных значениях крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала.

Количество и состав выбросов выхлопных газов дизельных двигателей на дизельных транспортных средствах и оборудовании подземного рудника Оюу Толгой измерены с помощью приборов показанных на рисунке 1.

Рис. 1. Измерение выбросов токсичных отходов дизельными двигателями подземного рудника Оюу Толгой

Если количество вредных выбросов в выхлопных газах превышает максимально допустимые значения, то выявляют причину и отправляют на технические обслуживания для устранения неполадок.

2. Результаты определения выбросов диоксида азота (NO2) и оксида азота (NO) в выхлопных газах дизельных двигателей подземных горных машин и оборудования Оюу Толгой по некоторым факторам

С целью выявления зависимости количества выбросов дизельных двигателей (с сажевым фильтром и без него) подземных горных машин, от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента, по результатам измерений был проведен регрессионный анализ [9].

Рис. 2. Зависимость количества моно- и диоксида от температуры среды и крутящего момента вала (без фильтра)

Многомерные регрессионные уравнения количества моно- и диоксида в зависимости от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента имеют вид:

	(1)
	(2)

где: NO, NO ₂ — количество моно- и диоксида, ppm;

t — температура среды, ^o C;

T — крутящий момент, Н м.

Рис. 3. Зависимость количества моно- и диоксида от температуры среды и крутящего момента вала (с сажевым фильтром)

В случае работы дизельного двигателя с сажевым фильтром, многомерные регрессионные уравнения количества моно- и диоксида в зависимости от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента имеют следующий вид:

	(3)
	(4)

Из рисунков 2, 3 и регрессионных уравнений можно сделать вывод, что количество моно- диоксидов в выхлопных газах дизельного двигателя с сажевым фильтром и без него, имеет квадратичную полиномиальную зависимость от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента.

Вывод:

1. При установке сажевого фильтра в дизельном двигателе выброс монооксида азота можно уменьшить до 72 %, а диоксида до 87 %.
2. Количество содержащих моно- диоксидов в выхлопных газах дизельного двигателя без фильтра имеет квадратичную полиномиальную зависимость от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента.
3. Количество содержащих моно- диоксидов в выхлопных газах дизельного двигателя с сажевым фильтром также имеет квадратичную полиномиальную зависимость от температуры окружающей среды и частоты крутящего момента.

Литература:

1. Rafael Fleischman, Ran Amiel, Jan Czerwinski, Andreas Mayer, Leonid Tartakovsky, “Buses retrofitting with diesel particle filters: Real-world fuel economy and roadworthiness test considerations.,” Journal of Environmental Sciences 67, pp. 273–286, 2018.
2. International Agency for Research on Cancer (IARC) WORLD HEALTH ORGANIZATION, June 12, 2012. Page 1. pr213_E.pdf (who.int)
3. Kazuhiro Yamamoto, Tatsuya Sakai, Effect of Pore Structure on Soot Deposition in Diesel Particulate Filter, Furo-cho: Department of Mechanical Science and Engineering, Nagoya University, 2016.
4. H.Jääskeläinen, “Engine Exhaust Back Pressure,” March 2007. Available: https://dieselnet.com/tech/diesel_exh_pres.php
5. Available: https://dieselnet.com/tech/diesel_exh_pres.php., 19 Mayer, A., Czerwinski, J., Matter, U., Wyser, M., Scheidegger, Schiedegger, Kieser, D., & Weidhofer, “VERT: Diesel Nano-Particulate Emissions: Properties and Reduction Strategies,” 1998.
6. Оюу Толгойн гүний уурхай хөдөлгөөнт тоног төхөөрөмжийн засвар үйлчилгээ
7. Оюу Толгойн дизель хөдөлгүүрээс ялгарах утааны менежментийн журам., 12–25х
8. Non-road diesel engine requirements Emission Standards: USA: Nonroad Diesel Engines (dieselnet.com)
9. Авдай.Ч, Энхтуяа Д. Судалгаа шинжилгээний ажлыг гүйцэтгэх арга зүй., Улаанбаатар 2000