Методика прогнозирования чрезвычайного загрязнения воздуха городов Арктической зоны автотранспортом

Во введении обоснована актуальность, цель и задачи работы, изложены
результаты исследования и положения, выносимые на защиту, их новизна, теоретическая и практическая значимость. Приводится аннотация работы и сведения об апробации и реализации результатов исследования.
Центра управления в кризисных ситуациях МЧС России по
Архангельской области
В первой главе «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» проанализирована роль автотранспорта в чрезвычайном загрязнении воздуха городов Арктической зоны РФ на примере Мурманска, Архангельска и Норильска, проанализированы расчетные методы определения выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств (АТС), изучены отечественные и зарубежные термокаталитические технологии снижения токсичности выбросов автомобилей и методы моделирования процессов каталитической конвертации опасных компонентов отработавших газов (ОГ) в системах выпуска АТС.
Результаты измерительного мониторинга свидетельствуют о том, что эпизоды чрезвычайного загрязнения воздушной среды в Мурманске и Архангельске приходятся преимущественно на зимний период: в январе 2018 г. среднемесячная концентрация бенз(α)пирена в Мурманске составила 2,5 ПДКСС, а в Архангельске высокие концентрации NO2, NO и СО с двухкратным превышением ПДКСС наблюдались с января по март 2019 г., в январе содержание бенз(α)пирена дважды достигало экстремально высоких значений – 13,9 ПДКМР. Норильск включен в список городов РФ с опасно высоким уровнем загрязнения атмосферы. По результатам мониторинга 2018-2019 гг.
среднегодовые концентрации NO2 и NO были самыми высокими в Красноярском крае и составили соответственно 2,38 и 1,31 ПДКСС. Во всех городах Арктической зоны РФ увеличивается роль автотранспорта в опасном загрязнении воздушной среды в связи с ростом численности АТС.
Наиболее высокие выбросы поллютантов характерны для нестационарных режимов пуска и прогрева двигателя и выпускной каталитической системы автомобиля. Следует учитывать, что катализаторы выходят на эффективный режим работы при температуре выше 300 оС. Высокая транспортная нагрузка в сочетании с экстремально низкими температурами, штилем, температурными инверсиями могут приводить к опасному загрязнению воздуха в зонах плотной жилой застройки. Для совершенствования методологического обеспечения для прогнозирования чрезвычайного загрязнения воздуха городов Арктической зоны РФ требуется изучение качественно-количественных характеристик выбросов современных АТС с учетом снижения эффективности каталитической трансформации поллютантов на режимах пуска и прогрева двигателя и выпускной системы ОГ при понижении температуры окружающей среды.
Во второй главе «Анализ типовой и возрастной структуры
автотранспортных средств в больших городах Арктической зоны
Мурманске, Архангельске и Норильске» проанализировано изменение состояния автомобильного парка в 2010-2019 гг. в соответствующих регионах с целью обоснования выбора типов автотранспортных средств для проведения теоретических и натурных экспериментальных исследований.
Рисунок 1 – Изменение числа АТС в Архангельской и Мурманской областях в 2010-2019 гг.

Анализ показал, что в Архангельской, Мурманской областях (Рисунок 1) и Красноярском крае с 2010 по 2019 год количество АТС в среднем увеличилось на 20-30 %, в основном, за счет роста численности легковых автомобилей классов Евро 4 – Евро 5. При этом в сегменте легкового автотранспорта доля АТС иностранного производства больше, чем отечественных, и составляет 62,4 % в Архангельской области, 63,0 % в Красноярском крае и 70,6 % в Мурманской области. В категории грузовых автомобилей, напротив, преобладают отечественные АТС: более 85 % в Архангельской области, более 75 % в Мурманской области и Красноярском
крае; в категории автобусов аналогично: более 90 % в Архангельской области, более 85 % в Красноярском крае, более 75 % в Мурманской области. Анализ структуры АТС по возрасту в изучаемых регионах подтвердил, что в сегменте грузового транспорта доля АТС старше 10 лет составляет 75-80 %, а в сегменте автобусов – 60-73 %. В сегменте легковых автомобилей доля АТС, удовлетворяющих стандартам Евро 4 – Евро 5, в Архангельской, Мурманской областях и Красноярском крае составляет соответственно около 48, 40 и 30 %. Натурные исследования структуры автотранспортных потоков свидетельствуют о том, что среди эксплуатируемых легковых АТС доля старых автомобилей экологических классов Евро 2 и ниже составляет не более 10 %.
На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимости теоретического и экспериментального изучения закономерностей выбросов поллютантов современными легковыми автомобилями классов Евро 3 – Евро 5 (как основных источников опасного загрязнения воздуха в жилых районах городов Арктической зоны) в условиях экстремально низких температур.
Третья глава «Модель каталитической нейтрализации отработавших газов для режимов пуска и прогрева двигателей автомобилей в условиях экстремальных отрицательных температур Арктики» посвящена
разработке соответствующей модели на основе фундаментальных представлений о теплофизических и химических процессах, протекающих в монолитных проточных термокаталитических нейтрализаторах.
Обобщение представлений о теплофизике и кинетике процессов, протекающих в катализаторе, позволило выразить тепловой и материальный баланс процессов в нижеописанных аналитических формах.
Тепловой баланс для газовой фазы:
̅ (1)
где ̅ – средняя скорость газового потока в канале, м/с; – плотность газа, кг/м3; – удельная теплоемкость газа, ; – температура газового потока, K; – температура твердой фазы, K; – коэффициент теплоотдачи,
; – эффективный диаметр канала.
Тепловой баланс для твердой фазы:
– эффективная толщина каталитически активного покрытия, м;
– эффективная толщина стенки, м; удельная теплоемкость покрытия,
– энтальпия реакции, ;
(2)
– плотность твердой фазы, кг/м3; – ; – теплопроводность твердой фазы, ;
– удельная каталитическая активность –
площадь каталитической поверхности на единицу объема пористого покрытия, м2/м3, – скорость реакции в единице объема покрытия; –
концентрация реагирующего вещества на границе раздела твердой и газовой фаз, моль/м3; – коэффициент эффективности.
Далее сформулируем уравнения материального баланса для газовой и твердой фазы:
̅() (3)
где – коэффициент массопереноса, моль/м2; – концентрация вещества в газовой фазе, моль/м3.
Концентрации реактантов в каталитически активном покрытии будут
определяться выражениями: C=CS при у= ,
а фактор эффективности –
при у=0
, 0