Russian Federation
Russian Federation
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The article provides an overview of the state of the art related to the emission of greenhouse gases into the atmosphere during the operation of mobile machine-tractor units in the agricultural sector of the economy. Sources of greenhouse gas emissions are considered. It was revealed that a huge amount of greenhouse gases are emitted into the atmosphere due to intensive soil cultivation, while the emission of CO2, NOX and CH4 is many times higher than the emission of these gases from fuel combustion in the engines of machine and tractor units. However, taking into account the large areas of arable land in the Russian Federation, reducing the emission of greenhouse gases with exhaust gases (OG) of engines is an urgent task. The article discusses the composition of the exhaust gases of a diesel engine and methods of binding environmentally harmful substances, considers ways to reduce the emission of toxic components of exhaust gas. It was revealed that of the gases contributing to the formation of the greenhouse effect on the ground, up to 10% of exhaust gases contain carbon dioxide. In this regard, the ways of reducing the emission of carbon dioxide from the engines of machine-tractor units are being analyzed, the tasks of research on the binding of CO2 in soil and plants are set, by using some chemical fertilizers as substitutes, for heating the soil at the time of sowing and activating the vital activity of beneficial microorganisms in it. It is stated that one of the ways to reduce CO2 emissions into the atmosphere is to search for ways to reduce direct and indirect energy costs during the operation of machine-tractor units, including by reducing crop losses due to incorrectly selected parameters of tractors and agricultural machines, neg
Carbon footprint, engine exhaust gases, tractor, aggregate, technological operations, binding of CO2 in the soil
Введение: По данным различных источников Россия по объему выбросов парниковых газов находится на четвертом месте в мире [1, 2, 3].
Примерная доля различных отраслей по их вкладу в этот процесс следующая [1]:
– 60% выбросов результат сжигания органического топлива в отраслях энергетики и транспорта;
– 35% приходится на сельское и лесное хозяйство;
– 5% приходится на промышленность.
К газам, создающим парниковый эффект в сельском хозяйстве относятся оксиды азота NYOX, в основном закись азота N2O, метан СН4 и диоксид углерода СО2.
В сельскохозяйственном производстве оксиды азота в большинстве выделяются из почвы при использовании химических и органических удобрений для повышения ее плодородия. Метан является побочным продуктом животноводства и интенсивной обработки почвы с высоким содержанием органических веществ. Диоксид углерода является продуктом естественного разложения органических веществ в почве за счет действия микробиологических процессов и элементом антропогенного воздействия средств механизации сельскохозяйственного производства, в частности он является продуктом сжигания углеводородного топлива мобильными машинно-тракторными агрегатами.
В процентном соотношении выбросы этих газов в сельскохозяйственном производстве составляют [4]:
N2O – 46 %;
СН4 – 45 %;
СО2 – 9 %.
Все газы переводят в условный газ, потенциал влияния которого на потепление равно 1 ед. и оно обозначается как СО2е. Такое влияние на потепление оказывает диоксид углерода СО2. Потенциал метана в этом плане равен 25 ед., а потенциал закиси азота составляет 298 ед., т.е. они оказывают значительно большее влияние на процесс потепления.
Доля выбросов газов АПК РФ на 2005 год составлял 6% от общего выброса парниковых газов или 130 млн. т. СО2е (11% было в 1990 г. и это считается точкой отсчета), будет 165 млн.т. в 2030 году по данным McKinsey&Company [1].
Условия, материалы и методы.
Для выяснения направлений дальнейших исследований по снижению выброса парниковых газов в атмосферу имеется необходимость анализа состояния вопроса, выявления основных источников загрязнения окружающей среды парниковыми газами в аграрном секторе экономики, выяснения роли машинно-тракторных агрегатов в этом процессе на производственных процессах в растениеводстве. Поэтому используемыми методами исследования являются – анализ, синтез и обобщение.
Результаты и обсуждение.
Рассмотрим источники выброса парниковых газов, связанных с антропогенными энергозатратами в технологиях возделывания различных культур в растениеводстве.
До недавнего времени сельскохозяйственное производство для увеличения урожайности и валового сбора продукции требовало все большее количество дополнительных энергетических затрат, связанных с повышением интенсивности механического воздействия на почву, необходимостью производства, транспортировки, хранения и внесения минеральных удобрений и других химических веществ [5]. Как результат уровень содержания органического вещества в почве существенно снизился. [6]. При снижении уровня содержания органического вещества в 30 см слое почвы на 1%, с одного га земли в атмосферу выделяется около 45 тонн углерода или 166 тонн углекислого газа. Это свидетельствует о том, что одним из важных факторов выброса парниковых газов являются технологии обработки почвы, приводящие к уменьшению уровня органического вещества в почве.
Использование топлива для сельскохозяйственной техники часто считается одним из главных источников выброса CO2, но не учитывается тот факт, что сжигание соломы, а также высвобождение углерода в почве с помощью интенсивной обработки причиняют гораздо больший вред, что отражено на рис. 1 [7].
Из рисунка 1 исходит, что переход на технологию no-till приводит к сокращению выброса СО2 в атмосферу на 2,85 т с одного га площади пашни, при этом в почве остается до 0,77 т/га связанного углерода вместе с растительными остатками. Одновременно происходит экономия топлива в размере 44,2 л/га, что равносильно снижению выброса СО2 в размере 133,9 кг/га. Как видим доля снижения выброса диоксида углерода от сжигания дизельного топлива в двигателях машинно-тракторного агрегата значительно меньше, чем доля его снижения при переходе от обычной многооперационной технологии на технологию прямого посева с отказом от технологических процессов основной и предпосевной подготовки почвы и прикатывания посевов.
Однако, с учетом большой площади пашни, которую необходимо, по крайней мере, посеять, а затем убрать, снижение выброса диоксида углерода двигателями мобильных машин в сельскохозяйственном производстве или его частичная или полная нейтрализация является актуальной задачей.
Для снижения выбросов парниковых газов машинно-тракторными агрегатами необходимо:
– совершенствовать процессы горения в двигателях внутреннего сгорания (многократный впрыск топлива за рабочий цикл, подача дополнительного воздуха, рециркуляция отработавших газов, использование активаторов горения, автоматическое изменение параметров двигателя – степени сжатия, угла опережения подачи топлива и воздуха и др.);
– совершенствовать системы питания двигателей топливом, воздухом и утилизации отработавших газов и выбрасываемой с ними тепловой энергии, которая доходит до 30-33% от общего количества энергии, выделяемой топливом в двигателе (повышать давление впрыска топлива, использовать электронные системы управления подачей топлива и воздуха в зависимости от режимов работы двигателя, вида и качества топлива, параметров воздуха и др.)[8];
– выявить способы эксплуатации машинно-тракторных агрегатов, позволяющие снизить прямые затраты энергии через топливо и косвенные энергетические затраты (через обоснование оптимальных параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов – оптимальных ширины захвата агрегата и его рабочей скорости, обоснование способов движения МТА на поле, принятие мер по повышению коэффициента использования времени смены, использование самозатачивающихся и самоочищающихся рабочих органов сельскохозяйственных машин и др.) [5];
– обосновать и использовать в составе машинно-тракторных агрегатов тракторы с такими параметрами (масса трактора, мощность двигателя, параметры движителя и др.) которые обеспечат меньшие затраты топлива и нанесут меньший вред росту и развитию растений [9];
– использовать отработавшие газы для: подогрева почвы при посеве зерновых культур; обработки посевного материала непосредственно на сеялках прямого посева; закачивания в почву с целью их задержки и связывания в почве (предпосылка – полуторное превышение молярной массы диоксида углерода над молярной массой воздуха); связывания в скрубберах и других устройствах с последующим использованием для питания растений [10- 14];
Рассмотрим качественный и количественный состав выхлопных газов дизельных двигателей и возможные пути нейтрализации их вредного воздействия на экологию.
Когда дизельный двигатель сжигает 1 кг топлива, то в атмосферу выбрасывается 15-16 кг различных газов с температурой на выходе из выхлопной трубы двигателя 150-300°С в зависимости от режимов работы двигателя.
Состав этих газов зависит от характеристик применяемого топлива, режимов работы двигателя внутреннего сгорания, типа конструкции и состояния системы питания двигателя, конструкции и состояния системы управления двигателем, но всегда включает в себя, правда незначительно отличающиеся по содержанию, следующие вещества см. таблицу 1.
Как видно из таблицы 1, большинство вредных компонентов выхлопных газов могут быть связаны растениями, или за счет химических реакций их можно привести в форму, усваиваемую растениями. В случае, если молярная масса вещества больше молярной массы воздуха (29 ед.), то возможно ее закачивание в почву с целью дальнейшей переработки микроорганизмами.
Задача агроинженерной науки – нейтрализация вредного действия компонентов выхлопных газов ДВС на человека и природу, и получение при этом эффекта за счет повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
В связи с актуальностью проблемы, незавершенностью проведенных изысканий, планируется проведение ряда теоретических и экспериментальных исследований.
Планируемые направления исследований:
– использование выхлопных газов в качестве химического удобрения для растений;
– использование выхлопных газов для подогрева почвы в период посева зерновых культур с целью получения более ранних всходов, что важно в условиях засухи в первую половину лета (пример 2021 год - есть тенденция);
– использование выхлопных газов для активации жизнедеятельности азотофиксирующих и др. бактерий почвы и грибков.
В области экспериментальных исследований необходимо выявление эффективности закачивания выхлопных газов в почву и в массу растений от ряда факторов:
– типа почвы;
– выявление реакции различных сельскохозяйственных культур на оксиды азота и диоксид углерода в почве;
– отзывчивость современных агротехнологий с пониженным карбоновым следом (опыты с использованием выхлопных газов на фоне технологий минимальной и нулевой обработки почвы);
– типа топлива (дизельное топливо, биодизельное топливо, природный газ, использование активаторов горения);
– типа системы питания (экологический уровень ДВС).
В связи с этим возникает необходимость разработки конструкции для эффективного охлаждения и внесения отработанных газов в почву с обработкой посевного материала.
Теоретические исследования включают выявление:
– возможности замены отработанными газами (ОГ) с включением в них различных добавок, некоторых используемых сегодня химических и хелатных удобрений;
– возможности, при внесении в почву ОГ, связывания диоксида углерода во временные соединения, распадающиеся за период вегетации растений на диоксид углерода для постоянного потребления растениями.
Выводы:
1. Наибольшее влияние на выброс парниковых газов в аграрном секторе экономики оказывают технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Однако свою весомую долю вносят и отработанные газы двигателей машинно-тракторных агрегатов.
2. Снижение выброса диоксида углерода на технологических операциях в сельском хозяйстве напрямую связано со снижением прямых и косвенных энергетических затрат, в том числе за счет снижения потерь урожая из-за негативного влияния тракторов на почву и условия развития растений, а также нарушения агротехнических сроков выполнения технологических операций машинно-тракторными агрегатами.
3. Невозможно полностью избавится от выброса СО2 – конечного продукта окисления топлива двигателями тракторов в атмосферу, поэтому необходимо решить задачу связывания этого газа путем внесения ее почву в качестве удобрений для дальнейшего использования в процессе фотосинтеза корневой системой растений и поверхностью листьев, нагрева почвы в момент посева зерновых культур и активации полезных микроорганизмов в ней.
4. Необходимо разработать технологию и конструкцию эффективного внесения ОГ двигателей машинно-тракторных агрегатов в почву, провести многофакторные лабораторные и лабораторно-полевые исследования эффективности разработанных технологии и конструкции.
1. Energy efficient Russia. Ways to reduce energy intensity and greenhouse gas emissions. [Internet]. 2009. 160 p. [cited 2021, October 08]. Available from: www.mckinsey.com
2. Fourth biennial report of the Russian Federation submitted in accordance with 1/SR.16 decision of Conference of the parties to the United Nations Framework Convention on climate change. [Internet]. Moscow. 2019; 54 p. [cited 2021, August 18]. Available from: www.unfccc.int
3. Global carbon atlas. - 2021. [cited 2021, August 18]. Available from: www.alcarbonatlas
4. Technologies for climate mitigation. Agricultural sector. [Internet]. UNEP Center. 2012; [cited 2021, August 17]. Available from: www.unepdtu.org
5. Khafizov KA. Puti snizheniya energeticheskikh zatrat na proizvodstvennykh protsessakh v sel'skom khozyaistve. [Ways to reduce energy costs in production processes in agriculture]. Kazan': Izd-vo Kazan. un-ta. 2007; 272 p.
6. Reicosky D. (2001). Conservation agriculture: Global environmental benefits of soil carbon management. In: Garcia-Torres, L.; Benites, J.; Martínez-Vilela, A. (eds.) Conservation agriculture - a worldwide challenge. 3-12 p.
7. Zhoze R, Benites i Ane Rei Doklad FAO. Preimushchestva sberegayushchego zemledeliya dlya: pochvy, vody, pitatel'nykh veshchestv, okruzhayushchei sredy. [FAO report. Benefits of conservation agriculture for: soil, water, nutrients, environment]. 2002.
8. Orekhov SV, Khaliullin FKh. Sovershenstvovanie konstruktsii elektrogidravlicheskikh forsunok dlya CR. V sbornike: Vnedrenie rezul'tatov innovatsionnykh razrabotok: problemy i perspektivy. Sbornik statei Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii: v 3 chastyakh. [Improvement of the design of electro-hydraulic injectors for CR. In the collection: Implementation of the results of innovative developments: problems and prospects. Collection of articles of International scientific and practical conference: in 3 parts]. 2017; 85-87 p.
9. Khafizov K, Khafizov R, Nurmiev A, Usenkov R. Optimization of main parameters of tractor and unit for deep processing of soil according to criterion - total energy costs. Engineering for rural development: 19, Jelgava, 20-22 maya 2020 goda. - Jelgava, 2020. - 603-608 p. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF134.
10. Jennings G. Exhaust technology at the cutting edge.” [Internet]. SANTFA. The cutting edge. Mallee. 2012. [cited 2021, October 15]. Available from: https://www.ijraset.com/fileserve.php?FID=12508.
11. D.P.W. a. M. Plunkett, Major and micro nutrient advice for productive agricultural crops. Wexford: Teagasc, Johnstown Castle. Co. 2016; 8-16 p.
12. C.Harper. Exhaustive growth. Exhaust fertiliser:TECH&GEAR. pp. 32-34 p. sep 2014.
13. H.R. Rashid Gholami. An experimental investigation of exhaust emission from agricultural tractors. International journal of energy and environment. Vol. 4, No. 4. 1-6 p. 2013.
14. Dorokhov AS, Aksenov AG, Sibirev AV. [Theoretical prerequisites for increasing the separating system of the machine for harvesting root crops with the thermal energy of the exhaust gas system]. Vestnik Kazanskogo GAU. 1 (61). 2021; 48-54 p.
