ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 3, с. 233-239
ПРОБЛЕМЫ ^^ ЭКОЛОГИИ
Б01: 10.7868/80869587315030056
Неумолимый рост количества автомобилей неизбежно приводит к увеличению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Одним из вариантов решения этой проблемы является перевод автотранспорта на газомоторное топливо, что позволит не только снизить затраты на заправку транспортных средств, но и значительно сократить выбросы продуктов сгорания топлива. Авторы статьи рассуждают о том, какой из видов газового топлива целесообразно использовать и как сократить нагрузку на окружающую среду и человека.
ПЕРЕВОД АВТОТРАНСПОРТА НА ГАЗ: ВОЗМОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Б.Д. Белан
Многократный рост количества автомобилей в постсоветский период в России привёл к тому, что из-за выбросов продуктов сгорания топлива во многих городах стали складываться смоговые ситуации. Для улучшения экологической обстановки Правительство РФ 13 мая 2013 г. выпустило распоряжение № 767-р "О регулировании отношений в сфере использования газового моторного топлива, в том числе природного газа в качестве моторного топлива". В нём федеральным и местным органам предписывается осуществить комплекс мер, направленных на создание условий с целью доведения к 2020 г. в субъектах Российской Федерации уровня использования природного газа в качестве моторного топлива на общественном автомобильном транспорте и транспорте дорожно-коммунальных служб в городах с численностью населения более 1млн. до 50% общего количества единиц техники, в городах с населением более 300 тыс. человек — до 30% и в городах и населённых пунктах с более чем 100 тыс. жителей — до 10%.
БЕЛАН Борис Денисович — доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. bbd@iao.ru
Можно было бы приветствовать это распоряжение, так как оно направлено на значительное сокращение загрязнения воздуха в городах. Однако если обратить внимание на вторую часть его названия — "в том числе природного газа в качестве моторного топлива", то очевидно, что допускается применение и другого газового моторного топлива, помимо природного сжиженного газа. Аэто вызывает обоснованные опасения относительно возможных отрицательных последствий.
В настоящее время в качестве автомобильного горючего используются два вида газового топлива — сжиженный нефтяной (или углеводородный) газ и сжатый, компримированный газ. Сжиженный газ в основном состоит из пропана (С3Н8) — 50— 70%, газовой смеси бутана (С4Н10) — 30—40%, получаемых при добыче природного газа и нефти, а также на различных стадиях её переработки, и непредельных углеводородов — около 1% [1]. Их химические и физические свойства обеспечивают достаточную мощность и эффективность работы двигателя. Природный газ, добываемый в России, имеет следующий состав: метан (СН4) — 98.52%, этан (С2Н6) - 0.34%, пропан (С3Н8) -0.13%, бутан (С4Н10) - 0.03% [2].
Исследование качества воздуха в мегаполисе Мехико позволило сделать вывод, что при использовании на автотранспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве пропан-бутановых смесей в атмосфере города образуются не просто смоги, а фотохимические смоги [3]. Какие печальные последствия влекут за собой фотохимические смоги, было впервые выявлено в 1944 г. в Лос-Анджелесе, когда несколько сотен человек умерли, а тысячи попали в больницы [4]. Более детальный анализ, проведённый позже [5], показал, что основным источником отравления и гибели людей оказался озон, образовавшийся из
выбросов автотранспорта в ходе фотохимических процессов.
Важно подчеркнуть, что в результате фотохимических реакций в атмосфере из менее токсичных соединений образуются более токсичные. Это легко показать на примере брутто-уравнения [6]:
СО + СН4 + ЯН + N0 —^'Нг0'°г )
^ /Н2С0 + К03 + №2 + Р,
где / — стехиометрический коэффициент преобразования углеводородов; К — коэффициент выхода озона, зависящий от концентрации оксидов азота, которые переключают цепи его генерации; Р — продукты фотохимических реакций, представляющие собой аэрозольные частицы, возникающие при взаимодействии газовых компонентов.
Физический смысл брутто-уравнения прозрачен. Первичные примеси (СО — оксид углерода, СН4 — метан, ЯН — неметановые углеводороды, N° — оксид азота), относящиеся к III и IV классу опасности, попадая в атмосферу, в которой имеются водяной пар (Н2О) и кислород (О2), под действием ультрафиолетового излучения (кч) преобразуются в более токсичные соединения: Н2СО — формальдегид (II класс опасности), О3 — озон (I класс опасности), №2 — диоксид азота и Р — продукты реакций, как правило, в виде аэрозолей, зачастую содержащие такие токсичные соединения, как перокиацетилнитраты и др.
Многие города России рискуют повторить опыт Мехико при реализации упомянутого выше распоряжения, поскольку в стране работает только один завод по сжижению природного газа, который сразу же экспортируется [7], все остальные выпускают пропан-бутановую смесь. Ситуацию может усугубить и сложность обращения с этими видами газовых смесей.
Углеводороды, входящие в состав попутного нефтяного газа, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, но при увеличении внешнего давления меняют агрегатное состояние и превращаются в жидкость. Это свойство позволяет добиться высокой энергетической плотности и хранить сжиженный углеводородный газ в сравнительно простых по конструкции резервуарах [1, 2].
В отличие от попутного нефтяного газа, углеводороды, входящие в состав природного газа, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии и не меняют агрегатного состояния даже при значительном изменении давления, поэтому хранение сжатого (компримированного) природного газа сопряжено с большими сложностями. Так, резервуар должен выдерживать давление до 200 атм. Преимущества высокой энергетической плотности сжиженного природного газа
во многом теряются из-за сложности криогенного оборудования, значительно более дорогого и требующего постоянного контроля высококвалифицированного персонала. Поэтому с высшей степенью вероятности можно предполагать, что из-за сложности эксплуатации такого оборудования, а соответственно, и дороговизны владельцы автотранспорта вряд ли откажутся от пропан-бу-тановых смесей.
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Если в автотранспорте, в сфере ЖКХ, энергетике и на промышленных объектах будет использоваться природный газ (неважно, газообразный или сжиженный), то в продуктах сгорания не будет веществ, запускающих фотохимическую реакцию. Все углеводороды при полном окислении (избыток кислорода) выделяют углекислый газ и воду [8]:
СН4 + 3°2 = С°2 + 2Н2°,
при неполном (недостаток кислорода) — угарный газ и воду:
2СН4 + 6°2 = 2С° + 4Н2°.
Если количество кислорода ещё меньше, выделяется мелкодисперсный углерод (сажа):
СН4 + °2 = С + 2Н2°.
При этом выбросы в атмосферу по ряду соединений уменьшаются в разы, а по некоторым веществам — в десятки раз [2]. Поскольку автомобили на традиционном топливе также выбрасывают СО и сажу (элементарный углерод), то замена его на газ, очевидно, является более экологичным решением, так как при этом объёмы выбросов значительно сокращаются. Угарный газ быстро до-окислится в атмосфере до углекислого. Сажу в выбросах легко определить даже визуально и принять необходимые меры для регулировки процесса сжигания.
Обычно смоговые ситуации контролируются по концентрации озона [9]. Озон не выбрасывается в воздух ни одним предприятием, он образуется в тропосфере в ходе фотохимических процессов (~80%) или поступает из стратосферы (~20%) [6], поэтому является хорошим индикатором смога.
Анализ смога в Мехико привёл авторов [3] к выводу, что причиной его образования является состав сжиженного газа. При использовании про-пан-бутановых смесей в атмосфере города из выбросов автотранспорта и предприятий появляются соединения С3—С4 (алканы и пропан), запускающие фотохимические процессы. Причём это выяснилось после того, как местные власти перевели транспорт на газовое топливо и в значитель-
ной степени газифицировали жилищно-коммунальный сектор с целью уменьшения, как предполагалось, смоговой нагрузки.
Чтобы проверить выводы об источнике фотохимических процессов, Д.Р. Блейк и Ф.С. Роуленд с коллегами предприняли исследование концентрации легколетучих соединений (предшественников озона) в 28 городах США, где наблюдались смоговые ситуации [10]. Была выявлена высокая корреляция между выбросами оксида углерода и неметановыми углеводородами, а также пропорциональность концентрации С3—С4 алканов и пропана в отдельных городах количеству использованного сжиженного неприродного газа.
Появление в атмосфере "затравочных" углеводородов при взаимодействии с гидроксильны-ми радикалами приводит к последовательным реакциям, которые в общем виде можно записать в следующем цикле [11]:
ян + он ^ я + н2о, я + о2 + м ^ яо2 + м, Я02 + N0 ^ яо + N0^ яо + о2 ^ но2 + ясно, но2 + N0 ^ он + N02, 2(N02 + ^ ^ N0 + о), 2(о + 02 + М ^ 03 + М). В итоге получаем: ян + 402 +2hv ^ ясно +
+ 2н20 + 203.
Так как концентрация гидроксила в атмосфере мала, то для продолжения цепи необходимо постоянно возвращать активный центр ОН в начало приведённого цикла. Это может происходить путём фотолиза образовавшихся альдегидов (наиболее часто — формальдегида) по схеме [12]:
СН2 О + ^ ^ НСНО,
Н + О2 + М ^ НО2 + М,
СНО + О2 ^ СО + 2 НО2 .
После этого образовавшийся НО2 быстро реагирует с оксидом азота:
НО2 + N0 ^ + он.
Рассматривая процесс образования фотохимического смога, В.А. Исидоров указывает несколько путей его возможного развития [13]. Если в воздухе отмечается относительно высокое содержание ароматических углеводородов, это должно приводить к некоторому снижению концентрации и скорости накопления озона вследствие малого выхода пероксидных радикалов и удаления части оксидов азота в виде нитрофенолов. К аналогичному эффекту ведёт образование алкилнит-ратов и нитритов, пероксиацетилнитратов и не-
сО, C2H2, C3H5> C20H12> мг/л мг/л мг/л мг/м3
70
60 50
40
30
20
10
1-0.7 1-0.07 1-2.8
-0.6 -0.06 -2.4
-0.5 -0.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.