Решение проблем загрязнения атмосферы путем внедрения на автозаправочной станции рекуперации паров бензина

Так как Харьковскую область пересекают шоссейные дороги, через которые она имеет выход в Донбасс, Киев, Крым, к портам Черного, Азовского морей, на территории размещены сети автозаправочных станций, общим количеством:

· «ОВИС» - 56

· «Укрнафта», ANP, (Shell), «Авиас», «Гефест» в Харьковской области 78

· «Лукойл» - 51

· «ОККО» - 64

· «Западная нефтяная группа» (WOG) 34

В общем количестве на территории Харьковской области находятся примерно 283 автозаправочных станций. И это только крупные сети АЗС. А если учитывать мелкие сети, то их количество возрастет до 350 автозаправок.

2. Традиционная АЗС и ее технологические процессы

Хранение нефтепродуктов на АЗС осуществляется в резервуарах и в фасованном виде в таре.

Эксплуатация резервуаров осуществляется в соответствии с требованиями правил технической эксплуатации резервуаров и Правилами технической эксплуатации автозаправочных станций.

Техническое и технологическое оборудование АЗС должно обеспечивать исключение загрязнения, смешивания, обводнения, воздействия атмосферных осадков на хранимые в резервуарах нефтепродукты.

При хранении в резервуарах бензинов не допускается наличие подтоварной воды выше минимального уровня, обеспечиваемого конструкцией устройства для дренажа воды.

Хранение нефтепродуктов осуществляется с учетом требований к сокращению потерь и сохранению качества нефтепродукта.

Порядок хранения фасованных нефтепродуктов должен гарантированно обеспечивать сохранность и целостность тары.

Хранение легковоспламеняющихся жидкостей в мелкой таре разрешается в объеме, необходимом для 5-суточной торговли. Запасы технических жидкостей для автотранспорта в торговом зале (операторной) не должны превышать двадцати расфасованных единиц.

Заполнение резервуара нефтепродуктом не допускается более 95% его номинальной вместимости.

3. Негативное влияние АЗС на окружающую среду

3.1 Виды загрязнения от эксплуатации АЗС

Основными источниками выделения загрязняющих веществ на АЗС являются:

- резервуары с нефтепродуктами (испарения нефтепродуктов - "большие и малые дыхания");

- топливораздаточные колонки (испарения при заполнении бензобаков автомобилей);

- объекты очистных сооружений (испарения нефтепродуктов и сброс остатков (после очистки) в систему канализации;

- аварийные и непреднамеренные разливы нефтепродуктов на территории АЗС;

- неплотности технологического оборудования и коммуникаций;

- вентиляционные устройства производственных помещений АЗС и пунктов технического обслуживания, размещенных на территории АЗС;

- выбросы отработавших газов автотранспорта.

Доли этих источников в общем выбросе с площадки АЗС распределяются примерно следующим образом: 40-45% - выбросы из дыхательных клапанов резервуаров, 40-45% - суммарные выбросы из горловин бензобаков заправляемых автомобилей на топливораздаточной колонке (ТРК) и около 10-20% - выхлопные газы при движении автотранспорта по площадке, включая бензовозы.

3.1.1 Загрязнение окружающей среды автотранспортом

Автотранспорт относится к движущимся источникам загрязнения, широко встречающимся в жилых районах и местах отдыха.

Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от двигателя - источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине.

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.

Большую долю в загрязнении атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. Сейчас на Земле эксплуатируется около 500 млн. автомобилей, а к 2020 г. ожидается увеличение их числа до 900 млн.

В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26 - 30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/год): угарного газа - 700, диоксида азота - 40, несгоревших углеводородов - 230 и твердых веществ- 2 - 5. Кроме того, выбрасывается много соединений свинца из-за применения в большинстве своем этилированного бензина.

Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3 - 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы (ОГ), картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (С_ХH_Y), окислы азота (NO_X), бенз(а)пирен, альдегиды и сажу. Картерные газы - это смесь части отработавших газов, проникшей через неплотности поршневых колец в картер двигателя, с парами моторного масла. Топливные испарения поступают в окружающую среду из системы питания двигателя: стыков, шлангов и т.д. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее: отработавшие газы содержат 95% СО, 55% С_ХH_Y и 98% NO_X, картерные газы по - 5% С_ХH_Y, 2% NO_X, а топливные испарения - до 40% С_ХH_Y.

Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей.

В общем случае в составе отработавших газов двигателей могут содержаться следующие нетоксичные и токсичные компоненты: О, О₂, О₃, С, СО, СО₂, СН₄, C_nH_m, C_nH_mО, NO, NO₂, N, N₂, NH₃, HNO₃, HCN, H, H₂, OH, H₂O.

Основными токсичными веществами - продуктами неполного сгорания являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

3.1.2 Загрязнения окружающей среды испарениями топлива

Другой вид потерь возникает при операциях хранения слива/отпуска топлива. Их можно разделить на следующие группы в зависимости от причин их вызывающих:

- потери от насыщения (так называемая первая стадия). Обусловлены насыщением паровоздушной смеси (ПВС) парами углеводородов. Происходят только при заполнении резервуара впервые после строительства или дегазации, либо когда газовое пространство резервуара не насыщено парами нефтепродукта из-за интенсивного опорожнения. Процесс насыщения ГП парами бензина замедлен во времени и оно (газовое пространство резервуара) остаётся ненасыщенным при опорожнении и простаивании резервуара. Донасыщение ГП резервуара происходит уже после частичного заполнения резервуара во время закачки. Дыхательный клапан после окончания «большого дыхания» не закрывается и это значит , что происходит дальнейшее вытеснение ПВС в результате «обратного выдоха» (донасыщения ГП парами углеводородов).

- потери от «больших дыханий» (БД): это потери обусловленные вытеснением ПВС (насыщенной как правило, парами бензина) из резервуара при его закачке (заполнении). Интенсивность вытеснения БВС, в основном, зависит от длительности заправки резервуара, которая определяется производительностью заправочных (сливных) насосов топливозаправщика. Длительность заполнения резервуара зависит от его емкости и времени слива бензина. Интенсивность вытеснения БВС при «больших дыханиях» резервуаров емкостью от 10 до 40 м3 составляет от 15 до 60 м3/ч. С учетом большой интенсивности «большие дыхания» можно рассматривать, как залповые выбросы БВС, резко повышающие взрывоопасность АЗС;

- потери от «малых дыханий» (МД). Вызываются ежесуточными колебаниями температуры, атмосферного давления и парциального давления паров бензина в газовом пространстве (ГП) резервуара. Днем скорость испарения нефтепродукта с ростом температуры увеличивается. Возрастает и давление газовой смеси. Интенсивность вытеснения бензино-воздушной смеси (БВС) при «малых дыханиях» на АЗС в летний период, полученная с учетом процессов испарения бензина и площади зеркала испарения, составляет от 0,1 до 0,15 м3/ч на 1 м3 объема резервуара.

- потери от «обратного выдоха». При выкачке нефтепродукта (отпуск бензина автовладельцам ) из емкости с ПВС, насыщенной парами, в освобождающийся резервуар всасывается атмосферный воздух. При этом концентрация паров в ГП уменьшается и начинается испарение нефтепродукта. В момент окончания выкачки парциальное давление паров в ГП обычно не бывает значительно меньше давления насыщенных паров при данной температуре. Это приводит к дополнительному испарению бензина с поверхности нефтепродукта, из-за чего давление внутри повышается и происходит вытеснение некоторого количества ПВС («обратный выдох»).

3.1.3 Пожары и взрывы на АЗС

На автозаправочной станции производится прием нефтепродуктов из бензовозов в подземные резервуары. Выдача нефтепродуктов осуществляется через топливораздаточные колонки (ТРК). Прием дизельного топлива и бензина в подземные резервуары производится самотеком или насосом из бензовозов через сливные фильтры, установленные на сливных трубопроводах. Заправка автомобильного транспорта топливом производится через топливораздаточные колонки оператором. Управление заправкой осуществляется старшим оператором с пульта управления операторной.

Загорание нефтепродуктов всегда начинается со вспышки или взрыва паров с воздухом.

Первоначальная вспышка паров переходит в воспламенение нефтепродуктов и создает условия для полного его сгорания.

По сравнению с бензином дизельное топливо испаряется значительно медленнее. Таким образом, взрыв смеси паров дизельного топлива с воздухом не уступает силе взрыва паровоздушной смеси бензина.

Основными причинами возникновения аварий на АЗС можно классифицировать по следующим признакам:

- открытый огонь;

- искры;

- разряды статического электричества;

- грозовые разряды;

- самовоспламенение;

- самовозгорание;

- пирофорные отложения.

Если рассматривать подробнее, то градация выглядит следующим образом:

1. Открытый огонь: зажженная спичка, лампа, брошенный окурок сигареты у хранилищ, у заправочной станции; проведение ремонтных работ с источником открытого огня;

2. Искра: выполнение работ стальным инструментом, из выхлопных труб машин, эксплуатация неисправного электрооборудования, всякая другая искра независимо от природы её происхождения;

3. Разряды статического электричества: нарушение системы защиты от статического электричества; плавающие на поверхности нефтепродуктов предметы могут накопить заряды статического электричества и, приблизившись к стенке резервуара, вызвать искровой разряд, который будет источником воспламенения смеси napde с воздухом; грозовые разряды, молния могут вызвать пожары и взрывы.

4. Природные катаклизмы.

Наличие большого количества дизельного топлива и бензина в емкостном оборудовании создает опасность возникновения пожара в случае утечки топлива и наличия источника воспламенения. При утечке топлива в технологические колодцы создается опасность образования взрывоопасных концентраций топливно-воздушной смеси в технологических колодцах. При наличии источника взрыва может обусловить взрыв топливно-воздушной смеси в технологических колодцах и создать условия для дальнейшего развития аварии в подземных хранилищах. Вероятность возникновения в зоне резервуаров пожара или взрыва составляет 2,9х 10⁴

При определенных условиях налива нефтепродуктов в ёмкости, заряды статического электричества накапливаются быстрее, чем отводятся через заземление, так как бензин и дизтопливо относятся к диэлектрикам с очень слабой проводимостью электрического тока. Так как давление в момент взрыва достигает 1470 кПа (1,5мПа), а температура взрыва колеблется в пределах 1500-1800°С может произойти разгерметизация сосуда. Это в свою очередь обусловит доступ кислорода в разгерметизированный сосуд, развитие пожара или образование огненного шара. А в последствии дальнейшее развитие аварии. При проведении операций наполнения и опорожнения резервуаров всегда существует вероятность образования в газовом пространстве над поверхностью жидкости смеси паров топлива с воздухом.

Опасность возникновения аварии и аварийной ситуации может возникнуть при вскрытии резервуаров для подготовки к проведению ремонтных и технологических работ и при проведении ремонтных работ в резервуарах. Особую опасность представляют собой пирофорные отложения железа, способные к самовоспламенению в присутствии кислорода при обычной температуре. Наиболее опасны пирофорные соединения в том случае, если они образовались под слоем нефтепродуктов. Быстрое освобождение емкости от нефтепродуктов создает благоприятные условия для интенсивного взаимодействия этих отложений с кислородом паровоздушной смеси. При этом пирофорные отложения могут разогреться до температуры 500-700°С и послужить источником воспламенения и загорания нефтепродуктов. Аварийная ситуация или аварии, вызываемая пирофорными отложениями, может возникнуть в результате несвоевременной зачистки резервуаров.

Эксплуатация неисправного оборудования, заземления, средств защиты от проявлений молнии, несоблюдение графика профилактических работ, применение неомедненного инструмента, метрштока, способных вызвать искру - может привести к аварии.

В зависимости от характера разгерметизации, погодных и других условий аварии могут развиваться в виде проливов, пожаров проливов, взрывов, огненных шаров.

Взрывы и пожары могут происходить при воспламенении паровоздушной смеси как внутри емкостного оборудования, так и на открытой площадке.

За пределами температурной зоны взрывоопасных концентраций, образующаяся смесь нефтепродуктов с воздухом не всегда взрывоопасна, но всегда огнеопасна, способна вспыхивать от любого источника открытого огня.

Бензины всех марок и некоторые виды дизтоплива относятся к легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ), другие виды дизтоплива - к горючим жидкостям (ГЖ).

К ЛВЖ относятся горючие жидкости с температурой вспышки паров, не превышающей 61 °С в закрытом тигле.

К ГЖ относятся нефтепродукты, температура вспышки паров которых выше 61°С в закрытом тигле.

3.2 Влияние на окружающую среду

Загрязнение нефтепродуктами влияет на весь комплекс морфологических, физических, физико - химических, биологических свойств почвы, определяющих ее плодородие и экологические функции.

При загрязнении нефтепродуктами, прежде всего, существенно изменяются морфологические признаки почвы. Для почв на территории АЗС характерный более темный цвет по сравнению с незагрязненными почвами, большая плотность, наличие маслянистых и радужных пленок. В таких почвах преобладают черные, серо - коричневые оттенки и ржаво - бурые пятна. Изменение морфологических свойств почвы влечет за собой и изменение физических свойств. Под влиянием нефтепродуктов увеличивается количество водопрочных агрегатов.

Изменение физических свойств почвы при загрязнении приводит к вытеснению воздуха, нарушения поступления воды, питательных веществ, что является главной причиной торможения развития растений и их гибели. Такие почвы теряют способность впитывать и удерживать влагу.

Воздействие нефтепродуктов на комплекс почвенных микроорганизмов весьма неоднозначен. С одной стороны загрязнение стимулирует рост определенных видов, с другой - ингибирует. При таком загрязнении увеличивается численность и активность углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), осуществляющих подготовительный этап метаболизма углеводородов. Именно они наиболее специфично реагируют на загрязнения нефтепродуктами почвы.

В результате обволакивания нефтепродуктами почву ухудшается доступ кислорода. Понижение концентрации кислорода способствует развитию анаэробных микроорганизмов. Развитие анаэробной микрофлоры, например грибов, затормаживается.

Для разработки научно обоснованных мероприятий для очистки загрязненных почв активизировались исследования микробиологического расщепления нефти и нефтепродуктов.

Разложение органического вещества, поступающего в почву, состоит из двух основных этапов - минерализации и гумификации. Результатом первого этапа является постепенное исчезновение органических и образование минеральных соединений, включающихся в биологический круговорот. Второй завершается консервацией органического вещества и вновь образованных устойчивых к разложению гумусовых соединений.

При работе двигателей автомобилей в воздух с газообразными компонентами попадают аэрозольные и пылевидные частицы, среди которых, прежде всего, соединения свинца, а так же углерода (сажи) составляют основную долю.

Наибольшее загрязняющее воздействие на почву во время эксплуатации автомобильной дороги оказывает свинец. Свинец оседает на придорожной полосе при работе двигателей, заправленных этилированным бензином. Считается, что около 20% общего количества свинца разносится с газами в виде аэрозолей, 80% выпадает в виде твердых частиц размером до 25 мкм и водорастворимых соединений на землю. Свинец накапливается в почве на глубине пахотного слоя или на глубине фильтрации воды атмосферных осадков. Накопление свинца может происходить при передаче его по трофическим цепям, что представляет угрозу экосистеме, а также здоровью человека при употреблении продуктов питания.

Предельно допустимая концентрация соединений свинца в почве по общесанитарному показателю составляет 32 мг/кг.

Для активизации микробиологических процессов разложения нефти и нефтепродуктов и ускорения самоочищения почвы эффективным средством является внесение в почву растворимых азотных и фосфорных удобрений; при сильном загрязнении целесообразно вносить поверхностно-активные вещества.

3.2.2 Воздействие на атмосферу

Значительное загрязнение атмосферного воздуха парами нефтепродуктов на АЗС происходит при заполнении и опорожнении резервуаров, при так называемых "дыханиях" резервуаров и при заправке автомашин.

Потери углеводородов при "больших дыханиях" вызваны сжатием паровоздушной смеси (ПВС) в газовом пространстве (ГП) резервуара поступающим в него жидким нефтепродуктом. Когда давление в ГП достигнет некоторого предельного значения, происходит выброс части ПВС в атмосферу через специальный "дыхательный" клапан. Среднегодовые потери от "больших дыханий" составляют около 0,14 % от объема хранимого нефтепродукта.

Также выброс нефтепродуктов происходит при отпуске топлива в момент заправки автомобиля из его топливного бака за счет вытеснения находящегося в нем воздуха.

Потери бензинов от испарения сопровождаются загрязнением атмосферы парами топлив. Обычно рассматривают два возможных источника загрязнения атмосферы углеводородами:

1) низкокипящие углеводороды, испаряющиеся в процессах транспортирования, хранения и применения нефтепродуктов;

2) отработавшие газы двигателей.

Состав и свойства углеводородов, поступающих в атмосферу с продуктами сгорания топлива, определяются главным образом организацией процесса сгорания, конструктивными особенностями топочных устройств и лишь в небольшой степени зависят от испаряемости топлива. Углеводороды, попадающие в атмосферу с продуктами сгорания, могут обладать не только токсичностью, но и канцерогенностью.

Атмосфера загрязняется углеводородами не только в результате испарения низкокипящих фракций при транспортировании и хранении, но и в процессе применения топлив. Борьба с испарением топлив и особенно бензинов в условиях хранения и транспортирования ведется давно. В последние годы все больше внимания уделяется борьбе с испарением бензинов в условиях применения. При эксплуатации автомобилей бензин испаряется в топливных баках и карбюраторе. Образующиеся пары углеводородов загрязняют. Как уже указывалось, низкокипящие углеводороды обладают определенной токсичностью, а некоторые олефиновые углеводороды способны к химическим реакциям с другими загрязнениями, содержащимися в атмосфере. При больших концентрациях олефиновых углеводородов с участием углеродистых частиц, оксидов азота и других загрязнений. Под действием солнечного света происходит фотохимическая реакция образования так называемого фотохимического смога. При появлении смога снижается прозрачность атмосферы, возникает неприятный запах, появляются ощущение удушья, раздражение глаз. Смог не только воздействует на человека, он вызывает разрушение резиновых и текстильных изделий, некоторых красок, быструю порчу продуктов и гибель растений.

Для уменьшения попадания углеводородов в атмосферу при испарении бензина из бензобака разработаны различные конструкции систем улавливания паров. Применение находят различного рода адсорберы и конденсаторы. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, вспененный полиуретан и другие материалы. Адсорбированные углеводороды десорбируются воздухом или отработавшими газами и сжигаются в двигателе или нейтрализаторе (дожигателе) отработавших газов.

Воздействие на атмосферный воздух также оказывает автотранспорт. Основными ингредиентами выхлопных газов являются диоксид азота и оксид углерода. Величина эмиссии зависит от конкретных параметров дорожного движения - скорости потока, продольного профиля дороги, интенсивности и состава транспортного потока и т. п.

Характеристика выбросов в атмосферу

При работе автотранспорта выделяются загрязняющие вещества:

· оксид углерода,

· оксиды азота,

· сажа,

· ангидрид сернистый,

· бенз/а/пирен

· и керосин.

Выбросы от автотранспорта (двигатели внутреннего сгорания) связаны с въездом и выездом автомобилей по территории АЗС. Данные по выбросам каждого из перечисленных веществ приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2 Выбросы от транспорта на АЗС.

Автомобильные выбросы распространяются и трансформируются в атмосфере таким образом.

Твердые частицы размером более 0,1 мм оседают на подстилающих поверхностях в основном из-за действия гравитационных сил.