сотрудник
сотрудник
сотрудник
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
аспирант
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
В статье приводится обзор состояния вопроса, связанного с выбросом в атмосферу парниковых газов при работе мобильных машинно-тракторных агрегатов в аграрном секторе экономики. Рассмотрены источники выброса парниковых газов. Выявлено, что огромное количество парниковых газов выделяется в атмосферу из-за интенсивной обработки почвы, при этом выброс СО2, NOX и СН4 многократно превышает выброс этих газов от сжигания топлива в двигателях машинно-тракторных агрегатов. Однако, с учетом больших площадей пашни в Российской федерации - снижение выброса парниковых газов с отработанными газами (ОГ) двигателей является актуальной задачей. В статье рассмотрен состав выхлопных газов дизельного двигателя и способы связывания экологически вредных веществ, рассмотрены пути снижения выброса токсичных составляющих ОГ. Выявлено, что из газов способствующих образованию парникового эффекта на земле, в ОГ до 10% содержится диоксид углерода. В связи с этим анализируются пути снижения выброса диоксида углерода двигателями машинно-тракторных агрегатов, ставятся задачи исследований по связыванию СО2 в почве и растениями, путем использования в качестве заменителей некоторых химических удобрений, для подогрева почвы в момент посева и активации жизнедеятельности полезных микроорганизмов в ней. Констатируется, что одним из способов уменьшения выброса СО2 в атмосферу является поиск путей снижения прямых и косвенных энергетических затрат при работе машинно-тракторных агрегатов, в том числе за счет понижения потерь урожая из-за неверно выбранных параметров тракторов и сельскохозяйственных машин отработанными газами топлива в двигателях машинно-тракторных агрегатов с СО2 и СН4.
Карбоновый след, отработанные газы двигателя, трактор, агрегат, технологические операции, связывание СО2 в почве
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. Энергоэффективная Россия. Пути снижения энергоемкости и выбросов парниковых газов.-2009.- 160 с. www.mckinsey.com (Дата обращения 10.08.2021г.
2. Четвертый двухгодичный доклад Российской Федерации представленный в соответствии с решением 1/СР.16 Конференции Сторон Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. М. - 2019. - 54 с. www.unfccc.int (Дата обращения 18 августа 2021 г.)
3. Global Carbon Atlas. - 2021. www.alcarbonatlas (Дата обращения 18 августа 2021 г.)
4. Технологии для смягчения последствий климата. Сельскохозяйственный сектор. Центр ЮНЕП - 2012. www.unepdtu.org (Дата обращения 17 августа 2021 г.).
5. Хафизов К.А. Пути снижения энергетических затрат на производственных процессах в сельском хозяйстве - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2007. - 272 с.
6. Рейкоски, 2001 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. p. 3-12.
7. Жозе Р. Бенитес и Ане Рей. Доклад FAO. Преимущества сберегающего земледелия для: почвы, воды, питательных веществ, окружающей среды. 2002г.
8. Орехов С.В., Халиуллин Ф.Х. Совершенствование конструкции электрогидравлических форсунок для CR / В сборнике: Внедрение результатов инновационных разработок: проблемы и перспективы. Сборник статей Международной научно-практической конференции: в 3 частях. 2017. С. 85-87.
9. Optimization of main parameters of tractor and unit for deep processing of soil according to criterion - total energy costs/ C. Khafizov, R. Khafizov, A. Nurmiev, R. Usenkov// Engineering for Rural Development : 19, Jelgava, 20-22 мая 2020 года. - Jelgava, 2020. - P. 603-608. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF134.
10. G. JENNINGS, “Exhaust technology at the cutting edge,” SANTFA The Cutting Edge , Mallee, 2012. . [Электронный ресурс]: https://www.ijraset.com/fileserve.php?FID=12508. (дата обращения 15.10. 2021).
11. D. P. W. a. M. Plunkett, Major and micro nutrient advice for productive agricultural crops, Wexford: Teagasc, Johnstown Castle, Co, 2016, pp. 8-16.
12. C. Harper, “ExhaustivE growth,” Exhaust FErtilisEr :TECH & GEAR, pp. 32-34, 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, pp. 1-6, 2013.
14. Теоретические предпосылки повышения сепарирующей системы машины для уборки корнеплодов тепловой энергией системы отработавших газов / А.С. Дорохов, А.Г. Аксенов, А.В. Сибирёв, [и др.]. // Вестник Казанского ГАУ № 1(61) 2021. C.48-54.
