4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В связи с исключительно быстрым развитием автомобильного транспорта в Российской Федерации достаточно остро стоит вопрос о его отрицательном воздействии на природную среду. Одними из наиболее экологически опасных объектов автотранспорта являются АЗС, численность которых в РФ уже сейчас превышает 30 тысяч. Ежегодно число заправок автомобилей исчисляется несколькими миллиардами.
В процессе эксплуатации АЗС происходит загрязнение окружающей среды загрязняющими веществами. Считается, что доля АЗС в общей эмиссии загрязнения атмосферного воздуха крупных городов составляет 5-8 %. При этом до 40% выбросов составляют продукты испарения топлива из бензобаков заправляемых машин, до 40% продукты испарения из резервуаров. Оставшиеся 20% выбросов составляют выхлопные газы двигателей автомобиля при их движении по территории АЗС.
Объем выбросов только некоторых компонентов отработавших газов (СО, СХНУ, NOX) и только от автомобилей на АЗС в настоящее время оценивается в 73-78 тыс. тонн. В ближайшие годы предполагается увеличение автомобильного парка и, как следствие, дальнейшее увеличение объема выбросов на АЗС.
Значительный объем выбросов на АЗС заставляет постоянно повышать их техническое совершенство. В первую очередь это проявляется в техническом усовершенствовании резервуаров и топливораздаточных колонок (ТРК). Однако техническое совершенство резервуаров для хранения топлива, топливоподающих систем не ликвидирует выбросов загрязняющих веществ, т.к. не решается вопрос выбросов от автомобилей.
5
Количество выбрасываемых от автомобилей загрязнителей на территории АЗС зависит от многих факторов: от режима работы двигателей (при движении автомобиля или в режиме ожидания, т.е. на холостом ходу), продолжительности открытого состояния горловин бензобаков (а это зависит от планировки АЗС и организации процесса заправки автомобилей топливом). Воздействующим на природу фактором является и изъятие территории для АЗС, площадь которой зависит от планировочного решения АЗС, особенностей размещения всех ее технологических объектов.
Однако эти факторы до настоящего времени остаются без должного внимания строителей АЗС и природоохранных служб.
Цель работы. Разработка рекомендаций по планировке АЗС с целью минимизации их вредного воздействия на окружающую среду.
Объектом исследования являются автозаправочные станции с различными планировочными решениями.
Научная новизна работы заключается в:
проведении анализа планировочной структуры АЗС, технологического процесса заправки автомобилей топливом и разработке классификации планировочных решений АЗС.
- установлении зависимости: объемов выбросов загрязняющих веществ, компонентов отработавших газов двигателей автомобилей, осуществляющих заправку топливом, продуктов испарения топлива при заправке и затрат времени на заправку от планировочных характеристик заправочной зоны АЗС.
- установлении несоответствия расчетной схемы, рекомендованной общегосударственным нормативным документом для расчета объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (ОНД-86), фактическим условиям выбросов этих веществ на территории АЗС.
6
Практическая ценность работы заключается в разработке рациональных планировочных решений АЗС и методов заправки топливом автомобилей, обеспечивающих минимизацию объемов вредных выбросов от автомобилей и затрат времени на их заправку, уменьшение площади территории, занимаемых АЗС.
Реализация результатов работы: осуществлена при составлении раздела «Влияние дорожного хозяйства на окружающую среду» государственного доклада «О состоянии природной среды в Российской Федерации» в 2001 и 2002 г.г.; при написании учебного пособия «Охрана природной среды при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог» (с грифом МО РФ; авторы: М.В.Немчинов, В.Г.Систер, В.В.Силкин); при составлении ОДН 218.5.016-02 «Показатели и нормы экологической безопасности автомобильной дороги» (Минтранс РФ, 2003).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 60 (2002 г.), 61 (2003 г.) и 62 (2004 г.) научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ), межрегиональной конференции в Вологодском государственном техническом университете (2003 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано пять печатных работ, в которых отражены все основные положения диссертации:
1. Перфильев С.А. Разработка классификационных признаков АЗС на автомобильных дорогах с позиции экологической опасности. Сб. науч. трудов МАДИ(ГТУ) "Строительство и эксплуатация автомобильных дорог: задачи и решения", Москва 2001.
2. Немчинов М.В., Перфильев С.А. Оценка экологической опасности АЗС в городах и на автомобильных дорогах. Сб.
7
науч. трудов Вологодского государственного технического университета. Вологда 2003г.
3. Немчинов М.В., Перфильев С.А. Совершенствование планировочного решения заправочной зоны АЗС. Сб. научных трудов Вологодского государственного технического университета. Вологда 2003г.
4. Немчинов М.В., Рудакова В.В., Перфильев С.А. и др. "Пособие дорожного мастера по охране окружающей среды" (Минтранс РФ, 2003).
5. ОДН 218.5.016-02 "Показатели и нормы экологической безопасности автомобильной дороги" (Минтранс РФ, 2003). (Коллектив авторов, включая Перфильева С.А.).
На 'защиту выносится:
Результаты исследований влияния планировочных характеристик заправочной зоны АЗС на объемы выбросов загрязняющих веществ от заправляющихся автомобилей и на затраты времени на их заправку.
- Результаты анализа технологического процесса заправки автомобилей топливом.
- Результаты оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха на АЗС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, 1 приложений. Текст диссертации изложен на 141 страницах, содержит 35 рисунка и 39 таблиц. Список литературы включает 130 наименований.
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1 Автомобильный транспорт и загрязнение окружающей среды.
Автомобильный транспорт является одним из главных, а в крупных населенных пунктах - главным загрязнителем окружающей среды. В процессе развития общества эта негативная роль автомобильного транспорта постоянно усиливается, несмотря на такое же постоянное улучшение качественного состояния автомобильных двигателей. Увеличение негативного влияния автотранспорта на окружающую природную среду (воздух, воду, почву, биосоставляющие, включая человека) обусловлено постоянным ростом автомобильного парка. Количество автомобилей, по данным /30/, в мире уже превзошло 700 миллионов (табл.1 )/1/.
Таблица 1.1 Численность автомобильного парка в Мире.
Год 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2002
Количество автомобилей, млн. шт. 46,1 70,4 127,0 230,0 363,0 550,0 700,0
Из таблицы видна интенсивность роста автопарка. За последние 22 года (с 1980г) его численность возросла почти в два раза. Это явилось причиной развития активной природоохранной деятельности в странах Европы и Северной Америки.
В России численность автомобильного парка растет так же быстро. На 1.01.2003 г. общее число легковых автомобилей в нашей стране достигло 24 миллионов. Быстрый рост автопарка обусловлен ростом производства автомобилей собственного производства и увеличением импорта автомобилей зарубежного производства (в 2001 году их было продано более 100 тысяч при производстве собственных автомобилей в 2001 году 1,19 млн.).
Одним из показателей развития автопарка страны является рост численности автопарка в г. Москве. На конец лета 2003г. парк транспортных средств составил около 4 млн. единиц, из которых 226 тыс. составляли грузовые автомобили, 175 тыс. - автобусы и специальные автомобили, более 3,3 млн. -легковые автомобили/125/. Автомобильный парк столицы ежегодно увеличивается на 200-250 тысяч машин. В результате загрязненность воздуха во многих районах Москвы очень часто (практически каждый день) превышает допустимые по санитарным условиям нормы.
Автомобильный транспорт использует различные виды топлива (табл. 1.2/80/).
Таблица 1.2 Виды и объёмы ( в %) потребляемого топлива в г. Москве
ВИД ТОПЛИВА 1980 1987 1999
Бензин 93,8 92,0 93,7
Дизельное топливо 4,3 4,8 5,7
Газовое топливо 1,9 3,2 0,6
Отработавшие газы автомобильных двигателей - продукты сгорания автомобильного топлива - содержат значительное количество компонентов, загрязняющих атмосферный воздух, а после их осаждения - поверхностные воды и почву. Наиболее массовыми из загрязняющих веществ, компонентов отработавших газов, являются оксиды углерода, азота, серы, углеводороды, твердые частицы.
Суммарное количество выбросов загрязняющих веществ на земном шаре достигает многих сотен миллионов тонн в год.
Автомобили выбрасывают загрязняющие вещества при работе их двигателей и в процессе движения. Географически можно выделить три группы мест дислокации (концентрации) автомобилей: места хранения, места движения и места заправки топливом. В местах хранения и движения автомобилей загрязнение среды происходит отработавшими
10
газами, в местах заправки автомобилей топливом - отработавшими газами и выбросами - продуктами испарения топлива.
Оценке выбросов загрязняющих веществ автомобильными двигателями уделялось и уделяется много внимания. Разработаны и узаконены инструкции по расчету выбросов от автомобильного транспорта на автомобильных дорогах, на предприятиях автомобильного транспорта и дорожного хозяйства.
Определенное внимание уделялось и местам заправки автомобилей - автозаправочным станциям.
Автозаправочные станции - это места скопления автомобилей с работающими двигателями, места движения автомобилей с малыми скоростями, места хранения топлива и места, в которых происходит непосредственное испарение топлива в атмосферу.
i i i
I ' [США-450 млн авт.
200000 '—>«( i *
150000 i 100000 чпооо
_.
j i i j Россия 25 млн. авт. j
__\ ¦ — г
n
1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Рис 1.1. Количество АЗС в США и России
Количество автозаправочных станций растет, в принципе, пропорционально численности парка автомобилей. Хотя в разных странах уровень насыщения автозаправочными станциями отличается (табл. 1.3) /122/, в целом их количество достаточно велико и продолжает расти.
11
Таблица 1.3
Количество АЗС и уровень насыщения автомобильного парка автозаправочными станциями
Страна Россия США
Количество АЗС, тыс. 30,0 (в Москве-950) 180,0 (в Нью-Йорке-6374)
Количество автомобилей на 1 АЗС 1200 (в Москве-4000) (13000 чел) 2500 (в Нью-Йорке-1500) (3000 чел)
В России количество АЗС на автомобильных дорогах увязано с интенсивностью движения (табл. 1.4. /97/)
Таблица 1.4 Нормативная численность АЗС на автомобильных дорогах
Интенсивность движения, трансп. ед/сут Мощность АЗС, заправок в сутки Расстояние между АЗС, км Размещение АЗС
Св. 1000 до 2000 250 30-40 Одностороннее
" 2000 " 3000 500 40-50 и
" 3000 " 5000 750 40-50 II
" 5000 " 7000 750 50-60 Двустороннее
" 7000 " 20000 1000 40-50 и
Св. 20000 1000 20-25
Из таблицы и приведенных ранее данных по России видно, что количество автозаправочных пунктов в Российской Федерации будет возрастать, тем более, что основная часть АЗС в настоящее время сконцентрирована в крупных городах. Например, в Москве, где уже действуют 950 АЗС, которые ежегодно реализуют 4 млн тонн топлива (10% от общероссийского потребления), в новых районах Москвы планируется построить еще 150 автозаправочных комплексов. Причем все они должны стать многотопливными - с терминалами для заправки газом /14/. На автомобильных дорогах даже главнейших для страны, количество АЗС значительно меньше приведенных в таблице 1.4. нормативов.
12
Особенностью нашей страны является тот факт, что заправки автомобилей в России происходят чаще, чем за рубежом. Это обусловлено меньшим объемом бензиновых баков у отечественных автомобилей и большим удельным расходом топлива. Например, у ГАЗ-31029 объем бензобака равен 55 литрам при удельном расходе топлива на загородных дорогах не менее 13 - 15 л на 100 км пути. Поэтому одной полной заправки этому автомобилю хватит для проезда 350 - 400 км. Другие отечественные автомобили имеют подобные (по объему) или меньшие бензобаки. В то время, как автомобили иностранного производства имеют бензобаки емкостью до 70 - 80 литров и удельный расход топлива от 5-6 до 10- 12 литров на 100 км. Поэтому одной заправки им может быть достаточно для проезда 800 - 1000 км пути.
В результате частота заправок отечественных автомобилей значительно выше, чем зарубежных. При среднегодовом пробеге 15000 км наш автомобиль в год заправляется до 80-100 раз (так как при заправке бензобак заправляется не полностью, а объем заправки обычно составляет около 20 литров /а в сельской местности и до 10 литров/). Для зарубежных автомобилей число заправок при равном пробеге достигает 40 за год /64/.
Таким образом, автозаправочные станции в России ежегодно посещаются более чем 2 миллиардами автомобилей (если парк считать постоянным и равным 24 млн. автомобилей (табл. 1.1)). Следствием является огромный объем загрязнителей, поступающий в воздух от АЗС.
1.2. Экологическая опасность АЗС.
Экологическая опасность АЗС определяется загрязнениями поступающими от автомобилей во время их нахождения на территории заправочной станции. Загрязнения формируются отработавшими газами автомобильных двигателей, в результате
13
утечек топлива и масел, продуктами износа деталей автомобилей и автомобильных шин, грязью с кузовов автомобилей, испарениями из резервуаров АЗС для хранения топлива и топливораздаточных колонок.
Отработавшие газы поступают в воздух. Часть из них (большая) распространяется в воздухе путем рассеивания, остальная часть оседает на территории АЗС и смывается поверхностными (дождевыми и талыми) и моечными водами на почву прилегающих к АЗС территорий, загрязняя их. Часть загрязнений поступает путем фильтрации в грунтовые воды. Все автозаправочные станции в соответствии с проектами оборудуются сооружениями для очистки поверхностных вод, стекающих с их территории. А территория планируется с целью направления этих вод к очистным сооружениям.
Загрязнения, поступающие в воздух очистке не подвергаются. По этой причине и из-за большого их количества (от автотранспорта, пром. предприятий) в мире и в России загрязнения воздушной среды считают наиболее опасными. В соответствии с этим в настоящей работе будут рассматриваться загрязнения, поступающие в атмосферный воздух.
Отработавшие газы автомобильных двигателей содержат несколько сотен вредных для природной среды компонентов (таблица 1.5 /110/), некоторые из которых по степени воздействия на организм человека относят к I-IV классам опасности. Люди, находящиеся в непосредственной близости от потоков автомобилей, особенно в местах «пробок», в закрытых, плохо проветриваемых помещениях рядом с работающим двигателем получают отравления от действия оксида углерода ( СО, IV класс опасности). Поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом СО быстро поглощается кровью и блокирует возможность гемоглобина снабжать организм
14
кислородом. Диоксид азота (NO2) II класс опасности) пагубно действует на нервную систему, увеличивает число больных астмой. Образующаяся в результате химических реакций азотная кислота, находящаяся в воздухе, вызывает сильную коррозию металлических конструкций и разрушение наружных поверхностей зданий и сооружений. Углеводороды представлены в выбросах высокомолекулярными соединениями, полицикличными ароматическими углеводородами и альдегидами. В целом их действие отнесено к IV классу опасности. Однако некоторые из них (например, бензапирен, 1 класс опасности) обладают канцерогенным действием. Альдегиды (II класс опасности) обладают резким и неприятным запахом, раздражают глаза и верхние дыхательные пути, поражают центральную нервную систему, почки, печень. Сажа (III класс опасности) вызывает негативные изменения в системе дыхательных органов, мелкие ее частицы задерживаются в легких, что опасно, так как на этих частицах адсорбируются ароматические углеводороды, в том числе бензапирен. Диоксид серы (III класс опасности) взаимодействуя с влагой воздуха образует серную кислоту, нарушает белковый обмен, поражает легкие и верхние дыхательные пути. Соединения свинца (1 класс опасности) чрезвычайно вредны. С 1.01.2003 года производство этилированного бензина (содержащего тетраэтил свинца, 0,37 г/л) в России запрещено. Однако возможно его наличие в бензинах низких марок в результате действия недобросовестных производителей и поставщиков топлива. Попадая в организм человека при дыхании, через кожу с пищей, свинец вызывает отравление, приводящее к нарушению функций органов пищеварения, нервно-мышечных систем, мозга. Свинец накапливается в растениях и с кормом попадает в организм животных, а затем через пищевые продукты и в организм человека.
15
Таблица 1.5
Состав и содержание основных компонентов в отработавших газах автомобилей
КОМПОНЕНТЫ ПРОЦЕНТЫ ОБЪЕМНЫЕ ПРИМЕЧАНИЕ
Двигатели с искровым зажиганием Дизельные двигатели
Азот, % 74,0...77,0 76,0...78,0 Нетоксичные
Кислород, % 0,3...8,0 2,0... 18,0
Водяной пар, % 3,0...5,5 0,5...4,0
Двуокись углерода, % 5,0...12,0 1,0...10,0
Окись углерода, % 0,5...10,0 0,01...0,5 Токсичные
Окислы азота, % 0...0.8 0,0002...0,5
Углеводороды, % 0,2...3,0 0,009...0,5
Альдегиды, % - формальдегид - акролеин 0...0.2 0,0001...0,009
Бензапирен, мг/ма 0...20 0..10
Сажа, мг/м3 0...100 0...2000
Диоксид серы, мг/м3 0...0,003 0...0.02
Соединения свинца, мг/м3 0...60 —
Учитывая высокую опасность компонентов отработавших газов автомобилей для человека установлены предельно допустимые концентрации этих веществ в атмосферном воздухе (табл. 1.6)/72/.
Во многом количество выбрасываемых загрязнителей зависит от условий нахождения автомобилей на территории АЗС: движутся они или стоят, работают или нет двигатели автомобилей, как долго остается открытым горловина бензобака автомобиля, как долго находится автомобиль на территории АЗС. Территория, изымаемая для строительства АЗС, определяется не только нормативами расстояний между сооружениями, но и тем, как размещены эти сооружения (т.е. планировочным решением АЗС).
16
Однако эти факторы до настоящего времени остаются без должного внимания строителей АЗС и природоохранных служб.
Таблица 1.6
Масса и предельно допустимые концентрации токсичных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами автомобилей в атмосферу
Наименование вещества Масса выбросов, кг/т топлива ПДК, мг/ма Класс опасности
Бензин Диз. топливо ПДКрз пдксс пдкмр
Оксид углерода (СО) 200 45 20,0 3,0 5,0 4
Углеводороды (СН) 80 55 100,0 1,5 5,0 3
Окислы азота (NOX) 25 35 2,0 0,04 0,085 2
Диоксид серы (SO2) 2 4 10,0 0,05 0,5 3
Соединения свинца (РЬ) 225* 103 0,0003 0,0003 0,01 1
Твердые частицы, сажа (С) 1,5 8 4,0 0,005 0,15 3
Объем выбросов от автомобильного транспорта в России в 2002 году составил более 14 млн. т/19,20,21/.
В Москве объем выбросов достиг 1,75 млн. т.
Таким образом, в среднем на каждого жителя города Москвы приходится порядка 0,184 т вредных веществ, выбрасываемых автомобильным транспортом. И это без учета испарений топлива. В качестве примера загрязненности воздуха можно привести следующие данные/65/:
17
Таблица 1.7
Максимальная разовая концентрация токсичных веществ ОГ автомобилей на улице г. Щёлково Московской области
Участок улицы Вещество Высота точки измерения (на удалении 1 м от кромки проезжей части), м пдк мг/м
0,25 0,50 1,4-1,5
Перед мостом Оксид углерода 5,20 (4,7-6,0) 3,50 2,17 (2,0-2,7) 5,0
Диоксид азота 1,22 (0,9-1,6) 1,35 0,085
Диоксид серы 1,05 (0,5-1,8) 1,21 0,77 (0,2-1,7) 0,5
Перед путепроводом подж/д Оксид углерода 2,25 5,0
Диоксид азота 0,96 0,085
Диоксид серы 1,96 0,5
У железнодорожного переезда Оксид углерода 4,00 5,0
Диоксид азота 1,10 0,085
Диоксид серы 1,86 0,5
Таблица 1.8
Концентрация токсичных веществ в воздухе Тимирязевского парка (г. Москва, в районе станции метро «Динамо»)
Высота измерения, м Максимальная разовая концентрация токсичных веществ, мг/м3
Оксид углерода Диоксид азота Диоксид серы
0,25 0,6 1,2 1.6
1,5 1.6 (1.3-2,1) 0,8 1.6 |
