Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.



Московский авиационный институт
(Национальный исследовательский университет)



Л.С. ЯНОВСКИЙ, А.А. ХАРИН, И.В. ШЕВЧЕНКО, В.П. ДМИТРЕНКО




                АВИАЦИОННАЯ
                ЭКОЛОГИЯ




            ВОЗДЕЙСТВИЕ АВИАЦИОННЫХ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
            НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ


    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

     Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 25.03.01 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» (квалификация (степень) «бакалавр»)


Электронно    znanium.com

Москва ИНФРА-М 2022

УДК 504(075.8)
ББК 20.1я73
       Я64

       Авторы:
          Леонид Самойлович Яновский — д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, руководитель научной школы в области авиационной химмотологии, начальник отдела Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова;
          Александр Александрович Харин — д-р техн. наук, почетный работник высшего профессионального образования РФ, лауреат премии Правительства РФ в области образования, профессор Московского авиационного института (национального исследовательского университета);
          Игорь Владимирович Шевченко — д-р техн. наук, почетный работник высшего профессионального образования РФ, профессор Московского энергетического института (национального исследовательского университета);
          Владимир Петрович Дмитренко — заслуженный работник высшей школы РФ, зав. кафедрой Московского авиационного института (национального исследовательского университета)

       Рецензент:
          А.В. Фомочкин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная безопасность и охрана окружающей среды» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина

       Яновский Л.С.
Я64 Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду : учебное пособие / Л.С. Яновский, А.А. Харин, И.В. Шевченко, В.П. Дмитренко. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 180 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).
          ISBN 978-5-16-010830-8 (print)
          ISBN 978-5-16-102831-5 (online)
         Систематизированы и обобщены накопленные за последние годы опытные и расчетные данные по экологическим проблемам в авиации.
         Рассмотрены вопросы эмиссии вредных веществ авиационными двигателями, физико-химического воздействия на окружающую среду, токсичности и нормирования выбросов. Представлены методы контроля загрязнений и способы защиты окружающей среды от воздействия авиационной техники.
         Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
         Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей, занимающихся проблемой экологии применительно к авиационной технике.
УДК 504(075.8)
ББК 20.1я73

ISBN 978-5-16-010830-8 (print)
ISBN 978-5-16-102831-5 (online)

© Коллектив авторов, 2004, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.....................................................
1. Воздействие авиационной техники на окружающую среду.......
    1.1. Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями и загрязнение атмосферы ......................
    1.2. Загрязнение почвы и водоемов в зоне аэропортов .....
    1.3. Токсичность авиаГСМ ................................
     1.3.1. Термины и определения по токсичности ............
     1.3.2. Токсичность индивидуальных углеводородов.........
     1.3.3. Токсичность авиационных топлив ..................
     1.3.4. Токсичность смазочных авиамасел..................
     1.3.5. Токсичность выхлопных газов .....................
    1.4. Экологически «чистые» авиаГСМ ......................
     1.4.1. Альтернативные топлива ..........................
     1.4.2. Смазочные материалы..............................
    1.5. Пожаро- и взрывоопасность авиаГСМ ..................
     1.5.1. Нормальная скорость распространения пламени .....
     1.5.2. Концентрационные и температурные пределы распространения пламени.........................
     1.5.3. Воспламеняющая энергия и концентрационные пределы воспламенения ..............
     1.5.4. Температура вспышки и температура самовоспламенения....
     1.5.5. Давление взрыва в замкнутом объеме ..............
     1.5.6. Чрезвычайные и аварийные ситуации ...............
2. Нормирование выбросов вредных веществ ....................
    2.1. Атмосфера...........................................
    2.2. Гидросфера..........................................
    2.3. Почва ..............................................
    2.4. Выбросы вредных веществ ГТД ........................
    2.5. Утилизация отработавших авиаГСМ.....................
3. Методы контроля уровня загрязнений .......................
    3.1. Определение выбросов загрязняющих веществ ..........
    3.2. Уровень дымности выхлопных газов ...................
    3.3. Размер сажевых частиц в выхлопных газах.............
    3.4. Канцерогенные ПАУ...................................
    3.5. Определение авиаГСМ.................................
Заключение ..................................................
Литература ..................................................

104
112
117
119
133
134
137
140
141
145
150
150
155
159
161
162
168
169

3

Введение

    Защита и улучшение состояния окружающей среды является важнейшей задачей международного сообщества в XXI столетии. Чтобы сохранить Землю пригодной для жизни будущих поколений, необходимо создать и внедрить передовые технологии, позволяющие снизить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду.
    Создание и совершенствование различных типов авиационных газотурбинных двигателей для самолетов и вертолетов, комбинированных ВРД для летательных аппаратов аэрокосмического назначения, их внедрение в эксплуатацию вызвало ряд существенных экологических проблем. Возникла реальная угроза развития «парникового» эффекта, разрушения озонового слоя Земли, накопления канцерогенных и мутагенных продуктов, выпадение кислотных дождей. Происходит накопление вредных веществ в атмосфере, воде и почве.
    Количество веществ, выделяющихся из двигателей летательных аппаратов, в 40 - 50 раз меньше, чем от других источников (транспорт, энергетика, промышленность, сельское хозяйство) [I]. По сравнению с автомобильным транспортом авиация выделяет в 1,5 раза меньше NOX и в И раз меньше СО [2]. Однако авиация является источником прямого воздействия на атмосферу. Эмиссия происходит в слоях атмосферы, особенно чувствительных к различным возмущениям - верхней тропосфере и нижней стратосфере, там, где зарождаются погодные процессы и где в значительном количестве содержится парниковый газ озон. Локальное загрязнение создается в зоне аэропортов и воздушных магистралей - по трассам полета самолетов. Полеты дозвуковых самолетов происходят в основном в верхней тропосфере или нижней стратосфере на высотах 9-13 км, а сверхзвуковых - в стратосфере на высотах 15-25 км. Полеты сверхзвуковых самолетов приводят к уменьшению концентрации озона в стратосфере [3, 4]. Основной причиной этого эффекта является наличие в выбросах двигателей этих аппаратов оксидов NOX, НОХ и их соединений. Полеты дозвуковых самолетов оказывают влияние на изменение концентрации О₃ и NO в тропосфере, на плотность облаков в верхней тропосфере, на стратосферный аэрозольный слой и на стратосферно-тропосферный обмен.
    По опубликованным данным [5] доля авиации в суммарном антропогенном загрязнении составляет примерно 3,5%. Влияние авиации на глобальное потепление оценивается в 3%, и этот вклад к 2005 г. может вырасти до 10-20% [6].
    В настоящее время авиация потребляет 2-3% от общего количества ископаемого топлива, из них 80% расходуется в гражданской авиации [6].

4

Основным видом реактивного топлива является керосин, и, так как пока еще нет альтернативных топлив такой же энергоёмкости и лёгкости хранения, облик самолета в обозримом будущем останется без изменения.
    Ученые и конструкторы осознают неотвратимость перемен в связи с загрязнениями атмосферы воздушным транспортом и уделяют всё больше внимания принятию долгосрочных планов предотвращения вредного воздействия авиации на окружающую среду. Ужесточение экологических норм заставляет переходить на более экологически чистые топлива и малоэмиссионные и малошумные двигатели, усовершенствовать технологию производства двигателя и планера, систему управления полетом и т.д.
    В течение последних лет наблюдается резкая тенденция снижения вредных выбросов ГТД (рис. 1 и 2). Этот прогресс достигнут благодаря совершенствованию конструкций камер сгорания и постоянному повышению общей эффективности двигателей, что позволило уменьшить расход топлива и тем самым сократить выброс вредных веществ в атмосферу. За последние 40 лет потребление авиационного топлива уменьшилось на 70% [6].Современная авиация использует топливо вдвое эффективнее, чем 20 лет назад. К 2015 году предполагается дальнейшее повышение эффективности -более чем на 20%, а к 2050 году - на 40-50%, объём перевозок к 2015 году возрастёт на 5%, а потребление топлива за счёт усовершенствования двигателей - только на 3% [5,9] .


Рис. 1. Прогресс в области снижения эмиссии авиационных ГТД [10]: 1 - эмиссия в % от требований ICAO 1986 г.

5

и,и ........

Д Roils-Royse
» General Electnck
□ ^att-Whitney
• cfm
x Textron

Ц- Цели NASA

   -ЦелиЦИАМ


10.0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0

Рис. 2. Эмиссия окислов азота в авиационных двигателях [11]

n't

    Вопросы экологии в авиации освещены в ряде работ [1-11]. Особое внимание уделяется влиянию авиационной техники на атмосферу.
    В данном учебном пособии сделана попытка систематизации и обобщения накопленных за последние годы опытных и расчетных данных по экологическим проблемам в авиации. Рассмотрены вопросы эмиссии вредных веществ авиационными двигателями, физико-химического воздействия на окружающую среду, нормирования выбросов, а также методы контроля загрязнений и способы защиты окружающей среды от воздействия авиационной техники (АТ).

6

    1. ВОЗДЕЙСТВИЕ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

   Влияние авиационной техники на биосферу и человека весьма разнообразно, определяется многими факторами и проявляется на разных этапах - от производства и эксплуатации до утилизации. Воздействие авиации на природную среду характеризуется химическими, физическими и механическими загрязнениями атмосферы, а также почвы и водоемов в районах расположения аэропортов.
   Основными источниками загрязнения являются выбросы продуктов сгорания топлив авиационными двигателями, горюче-смазочные материалы (ГСМ) и шумовые эффекты. По данным [12], аэропорт на 100 рейсов в сутки дает следующую картину суточного выброса вредных веществ: NOX -8 т, СО - 9,6 т, НС - 1,6 т, бенз(^)пирен - 0,015 кг. Выбросы продуктов сгорания загрязняют территории в окрестностях аэропортов и стратосферу, вызывая изменение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, потепление климата.
   Воздействие ГСМ проявляется при прямом контакте с атмосферой, почвой, водами и живыми организмами в условиях хранения, транспортирования и применения. Такие свойства ГСМ, как токсичность, канцерогенность, пожаро- и взрывоопасность, представляют непосредственную угрозу для живых организмов. Попадая в почву, ГСМ нарушают верхний плодородный слой за счет ее поверхностной и глубинной деструкции, изменяют газовый и водный обмен.
   Авиационный шум является одним из распространенных нежелательных источников загрязнения окружающей среды. Авиационный шум оказывает вредное физиологическое и психологическое воздействие на пассажиров, аэродромный обслуживающий персонал и население близко расположенных к аэ


7

родромам районов. Интенсивность воздушного движения и частота рейсов непрерывно увеличиваются, самолеты оснащаются более эффективными и мощными двигателями. Все это делает проблему снижения шума авиационных двигателей весьма актуальной. Проблема авиационного шума подробно изложена в работах [13-18].

    1.1. Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями и загрязнение атмосферы

    Авиация является одним из важнейших источников антропогенного загрязнения атмосферы. Спектр эмитируемых из авиационных двигателей веществ достаточно широк и зависит от типа двигателя и используемого топлива. Основными загрязняющими веществами, входящими в состав выхлопных газов авиационных двигателей, являются оксиды азота (NOX), оксиды углерода, углеводороды, сажевые частицы и, в очень малых количествах, оксиды серы [19-20].
    Оксид углерода, углеводороды и сажевые частицы появляются вследствие неполного окисления топлива и его пиролиза. NOX образуются в зоне горения в результате реакций окисления азота, находящегося в воздухе. Реакция окисления идет с заметной скоростью только при температурах 2000° С и выше, т.е. в самых высокотемпературных зонах камеры сгорания (КС). Механизмы образования вредных веществ подробно рассмотрены в работе [21]. Разработана система уравнений для расчета составляющих вредных выбросов (NOX, СО, НС, дыма) и оптимизации камер сгорания [22].
    Наиболее важными параметрами процессов, происходящих в КС и оказывающих существенное влияние на механизмы образования вредных веществ, являются температура газа, время пребывания продуктов сгорания в зоне горения, коэффициент

8

избытка воздуха (а). Эти параметры, в свою очередь, зависят от качества распыливания топлива и его смесеобразования с воздухом, интенсивности подвода и количества воздуха в зоне горения.
    На рис. 1.1 показаны выбросы загрязняющих веществ авиационными ГТД как функция величины тяги. На режиме малого газа коэффициент полноты сгорания топлива составляет примерно 99% и выбросы НС и СО являются максимальными. На режимах взлета, набора высоты и крейсерского полета коэффициент полноты сгорания составляет более 99,9%, и величина выбросов НС и СО является очень малой. Выбросы NOX и дымление двигателей ведут себя противоположно: их максимум образуется при наибольшей тяге двигателя.


Рис. 1.1. Эмиссионные характеристики ГТД [1.10] 1 - режим работы двигателя;
2 - режим малого газа;
3 - максимальный режим;
4 - полнота сгорания;
5 - NOX - высокая температура газов

9

    В табл. 1.1. приведены индексы эмиссий загрязняющих веществ (NOX, СО, НС) ГТД на различных режимах взлетнопосадочного цикла [23, 24]. Взлетно-посадочный цикл включает в себя режимы малого газа '(холостого газа), руления, взлета, набора высоты и посадки. Кроме того, в выхлопных газах современных авиационных ГТД может содержаться еще до 0,1 г/кг SO₂. Зависимость уровня дымности выхлопа от режимных параметров показана на рис. 1.2.


посадку                 высота

Рис. 1.2. Число дымности выхлопных газов в зависимости от условной раооты двигателя

    Особую опасность представляют канцерогенные (и мутагенные; полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые присутствуют в малых концентрациях (несколько мкг/м³) в продуктах сгорания любого нефтяного топлива. Химическая стабильность ПАУ позволяет им постепенно накапливаться в среде обитания. Кроме того, ПАУ характеризуются

10