Раздел 3 Процедура создания экологически чистого производства
Лекция 12 Экобалансы – критерий перспективности промышленных технологий
12.1Понятие экобаланса
12.2Пример расчета экобаланса
Понятие экобаланса
Цель экологически чистого производства состоит в том, чтобы, во-первых,избежать образования отходов, аво-вторых,сократить использование сырья и энергии.
Термины «экологически чистое производство (ЭЧП)» и «ресурсосберегающая технология (РСТ)» широко вошли в технический, информационный, а затем и в бытовой лексикон в 1970 – 1980 годах. Наконец в начале 1990-ыхгодов была сформулирована концепция «устойчивого, экологически безопасного промышленного развития – Ecologically sustainable industrial development (ESID)». Программа ESID была разработана ЮНИДО – специализированной организацией ООН по промышленному развитию – в 1992г. и утверждена резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН.
Напомним, ESID – это промышленное развитие с целью удовлетворения
потребностей человека и будущих поколений без нарушения основных природных процессов (устойчивости биосферы). Ключевые положения в этом определении:
Удовлетворение потребностей человека и будущих поколений – цель;
Промышленное развитие – средство достижения цели;
Сохранение устойчивости экосистем – ограничение.
Применительно к производственным процессам ЭЧП означает сокращение материало-
иэнергозатрат, исключение из производственного процесса токсичных сырьевых материалов
иуменьшение количества и уровня токсичности всех выбросов и отходов до их выхода из производственного процесса.
Применительно к продукции ЭЧП означает уменьшение негативного воздействия в течение всего жизненного цикла изделия (ЖЦИ), начиная от добычи сырья для его производства и заканчивая удалением, когда продукция становится отходом.
Понятие ЖЦИ («Life Cycle Cmalysis») или принцип «от колыбели до могилы» был впервые предложен в США в 1960 году. Итоги расчета ЖЦИ представляются в видеэкобаланса. Стадии жизненного цикла изделия:
1 Получение сырья:
-добычасырья (включая расход энергии на добычу сырья и выбросы при получении этой энергии);
-добычаисточника энергии;-переработкаисточника энергии в энергию;-транспортировкасырья и энергии.
2 Производство продукции:-подготовкасырья;-изготовлениепродукции;-переработкаотходов упаковки;
-производственныйрециклинг (переработка собственных отходов);-упаковкаи приведение в товарный вид;-транспортировкапродукции;-производствопопутной продукции.
3 Использование продукции и утилизация связанных с ее эксплуатацией отходов.
4 Переработка потерявшего потребительские свойства изделия (отложенного отхода) («глобальный рециклинг»).
При составлении экобалансов для всех стадий ЖЦИ рассчитывают расходы энергии, материалов, транспортные издержки, выбросы в окружающую среду (воздух, вода, «техногенные месторождения» твердых отходов).
При оценке ЖЦИ обращает на себя внимание тот факт, что в четырехстадийной схеме цикла только одна стадия – «производство» - относится к отраслевой проблеме. Все остальные являются межотраслевыми задачами. Таким образом, мероприятие, полезное для отрасли, необязательно будет выгодным для народного хозяйства в целом, чаще случается как раз наоборот.
В последние годы выработаны некоторые методы оценок производств. В странах Запада уже в настоящее время технология, не прошедшая экспертизы на соответствие критериям «экологически чистого производства», не имеет перспектив в будущем. При лицензировании эксперты сравнивают предлагаемую для использования в производстве технологию с ВАТ («Best available technology») – лучшей из доступных технологий, а также с ВРТ («Best possible technology») – лучшей из возможных технологий. ВАТ в отличие от ВРТ осуществлена на практике, и именно ее показатели сравнивают с характеристиками предлагаемой технологии.
Действующие и проектируемые производства при экспертизе на соответствие критериям «экологически чистого производства» оцениваются:
-повеличине энергозатрат,-посбережению материалов и использованию различных вариантов рециклинга,
По величине выбросов в окружающую среду.
Наряду с этим принимаются во внимание уровень сертификации продукции и систем управления качеством, квалификация персоналии и др.
До настоящего времени в нашей стране не существует директивного документа, определяющего «правила игры» в этом крайне важном для определения перспектив развития экономики процессе. В результате определение «ресурсосберегающая экологически чистая технология» неквалифицированно используют без всяких расчетов, не имея на это никаких обоснований.
Совершенно очевидно, что ранее известных технико-экономическихпоказателей, использовавшихся для характеристики эффективности производства, для оценки параметров ЖЦИ недостаточно. Современный подход должен учитывать эффективность использования всех видов ресурсов, применяемых в каждом конкретном случае. Излагаемый ниже подход является первым опытом составления экобалансов, и отработан в Московском Государственном институте стали и сплавов в1990-2000гг.Подэкобалансом понимается
совокупность показателей, оценивающих эффективность производственного процесса
(технологии) с точки зрения:
1 расходования всех видов ресурсов, главным образом, материальных и энергетических;
2 учета последствий процесса для окружающей природной среды и общества: количество выбросов всех видов во все природные среды, глобальный рециклинг всех видов продукции процесса.
Особенно важно отметить, что в расчетах в обязательном порядке учитываются показатели добычи всех необходимых для реализации данной технологии ресурсов. Поэтому, например, учитывается не количество затраченной на реализацию тех или иных производственных процессов электроэнергии, а количество энергоносителей, которое необходимо извлечь из недр Земли для производства и транспортировки этой энергии потребителю (учитывая также затраты энергии и материалов на подготовку энергоносителей к их использованию).
Пример расчета экобаланса
Для лучшего понимания сущности методики составления экобалансов ниже приведены примеры расчета.
Для проведения расчетов в условиях любых промышленных технологий использование только фиксируемых в производстве показателей совершенно недостаточно. Составление экобалансов требует получения следующей объективной информации:
полный химический состав (желательно – содержание всех химических элементов в соответствии с таблицей Менделеева) всех веществ, поступающих на территорию предприятия;
материальный баланс веществ, производственных процессов (исходные вещества, конечная основная и попутная продукция, выбросы в окружающую среду);
полный химический состав основной и попутной продукции, отходов и выбросов в окружающую среду.
Знание полного химического состава веществ на входе и выходе из технологической цепочки процессов и производств, обеспечивающих получение конечной продукции, необходимо для оценки уровня комплексного использования сырья. Учет потерь компонентов сырья является обязательным условием при аттестации производств, претендующих на роль «экологически чистых».
На основании баланса веществ строится карта-схемадвижения веществ в структуре производства (межцеховые вещественные потоки). При анализе движения веществ выделяют основные (главные) химические элементы и рассчитывается движение этих элементов по территории предприятия(элементо-потоки).
При расчетах постоянно проверяются результаты их промежуточных стадий на соответствие технологическим показателям работы цехов предприятия. На основе термодинамического моделирования прогнозируется состав и количество выбросов в атмосферу и водоемы.
В качестве примера приводятся расчеты нескольких альтернативных схем производства прокатной продукции для условий Европейской части России.
Сталь представляет собой основной конструкционный материал нашего времени, при
еепроизводстве задействована длинная технологическая межотраслевая цепочка производств со значительным расходом природных ресурсов, поэтому выводы, сделанные при анализе экобалансов ее производства, имеют значимость для народного хозяйства в целом и являются особенно показательными.
В таблице 15 приводится схема расчета экологического баланса.
Таблица 15 - Принципиальная схема расчета экологического баланса металлургического производства
| Стадия | Основной расчет | Дополнительные и вспомогательные расчеты | |||
| расчета | |||||
| Определение | количества отходов | 1.1 | Расчет количества слябов МНЛЗ | ||
| производства, | образующихся при | ||||
| производстве проката | |||||
| 2.1 | Определение состава жидкой стали до ввода | ||||
| ферросплавов; | |||||
| 2.2Расчет необходимого количества | |||||
| Расчет количества жидкой стали и | ферросплавов; | ||||
| необходимых | для ее производства | 2.3Определение необходимого количества | |||
| первичного металла и лома «со | извести; | ||||
| стороны» | 2.4 | Определение состава сталеплавильного | |||
| шлака; | |||||
| 2.5 | Расчет состава и количества отходящих газов | ||||
| Определение параметров производства | 3.1 | Расчет химического состава железорудного | |||
| первичного металла (чугун, | концентрата; | ||||
| 3.2 | Расчет химического состава окускованного | ||||
| металлизованное сырье) | |||||
| сырья | |||||
Продолжение таблицы 15
| 4.1 Расчет количества угольного и железорудного | ||||||||
| концентратов, необходимых для производства | ||||||||
| кокса и окускованного сырья; | ||||||||
| 4.2 Определение количества попутной | ||||||||
| Определение параметров окускования | продукции, производимой на КХП, количества и | |||||||
| железорудного сырья | состава образующегося коксового газа; | |||||||
| 4.3 Расчет количества флюса, необходимого для | ||||||||
| получения доменного и сталеплавильного шлака. | ||||||||
| Определение количества и состава образующихся | ||||||||
| отходящих газов | ||||||||
| Расчет | потерь | металлургических | - | |||||
| материалов и выбросов, имеющих | ||||||||
| место при их транспортировке | ||||||||
| 6.1Расчет количества образующихся в результате | ||||||||
| Определение параметров добычи | обогащения хвостов; | |||||||
| 6.2Расчет количества образующейся вскрышной | ||||||||
| железной | руды, | металлургических | ||||||
| углей и флюса | породы; | |||||||
| 6.3Определение | количества | и | состава | |||||
| образующихся на ГОК· отходящих газов | ||||||||
| Расчет количества электроэнергии | 7.1Определение | потребности в | энергетических | |||||
| углях | ||||||||
В качестве базового был принят вариант производства проката по «классической» технологической схеме, включающей стадии последовательного получения железорудного концентрата, кокса, агломерата, чугуна и конвертерной стали, т.е. схема «кокс – агломерат – чугун – конвертерная сталь» («Кокс – А – Ч – К»).
При составлении экобаланса учитываются: баланс железа, баланс углерода и серы, баланс электроэнергии, выбросы пыли по всей технологической цепочке (при рассмотрении данного расчета они опускаются).
Проведем анализ экобалансов производства жидкой стали с применением кислородноконвертерного, мартеновского и электросталеплавильного процессов с использованием в сталеплавильной шихте чугуна или металлизованных окатышей (таблица 16). Для всех рассматриваемых вариантов, как уже отмечалось ранее, принимаются одинаковые параметры сталеплавильной шихты: 70% чугуна или металлизованных окатышей и 30% металлургического лома.
Таблица 16 - Варианты технологических схем с различными процессами производства жидкой стали
| Условное обозначение анализируемого | Краткая характеристика |
| варианта | |
| кокс – А – Ч – К | Железорудный концентрат окусковывается в процессе |
| (кокс - агломерат – чугун – конвертер) | агломерации, в ходе которого утилизируются все |
| возможные отходы производства | |
| кокс - А – Ч – М | В качестве исходных данных для мартеновского |
| (кокс - агломерат – чугун – мартеновская | производства приняты параметры работы агрегатов |
| печь) | ОАО «Северсталь» и ОАО ММК |
| кокс - А – Ч – ЭС | |
| (кокс - агломерат – чугун – | В качестве исходных данных для |
| электросталеплавильное производство) | электросталеплавильного производства приняты |
| параметры работы агрегатов ОАО «Северсталь» | |
| М.О. – К | |
| (металлизованные окатыши – конвертер) | В качестве исходных параметров приняты данные |
| М.О. – ЭС | работы ОАО ОЭМК, как по процессу производства |
| (металлизованные окатыши – | окатышей Midrex, так и по работе |
| электросталеплавильное производство) | электросталеплавильного цеха |
Для всех рассматриваемых технологических схем проводятся расчеты по основным показателям и заносятся в сравнительные таблицы (подробнее рассматривается на практическом занятии). Основные показатели экобалансов представлены в таблице 17.
Таблица 17 - Основные показатели экобалансов для различных схем производства проката
| Показатель | Варианты | ||||||
| Расход материалов, кг/т Fe проката: | |||||||
| Руда | 3283,4 | 3206,2 | 3246,3 | 3314,5 | 3277,8 | ||
| Флюс | 264,3 | 209,3 | 214,9 | 158,1 | 108,7 | ||
| Уголь | 944,6 | 918,0 | 1134,1 | 366,4 | 663,7 | ||
| Всего | 4492,3 | 4333,5 | 4595,2 | 3839,1 | 4050,2 | ||
| Вскрышная порода | 7643,6 | 7435,0 | 7734,0 | 7074,6 | 7273,6 | ||
| Всего | 12135,9 | 11768,5 | 12329,2 | 10913,7 | 11323,8 | ||
| Производство попутной продукции, кг/т Fe проката: | |||||||
| Продукция КХП | 23,9 | 23,1 | 23,7 | 0,0 | 0,0 | ||
| Доменный шлак | 159,7 | 153,7 | 157,9 | 0,0 | 0,0 | ||
| Сталеплавильный шлак | 102,5 | 161,6 | 81,2 | 103,7 | 81,2 | ||
| Всего попутной продукции | 286,1 | 338,3 | 262,8 | 103,7 | 81,2 | ||
| Материалосбережение: | |||||||
| Коэффициент природоемкости, т/т | 4,36 | 4,20 | 4,46 | 3,73 | 3,93 | ||
| (удельный расход сырых материалов) | |||||||
| Коэффициент сокращения сплошной | 9,22 | 8,60 | 9,53 | 9,62 | 10,18 | ||
| природной среды, т/т | |||||||
| Удельный расход сырых материалов | |||||||
| для производства основной и попутной | 3,41 | 3,17 | 3,55 | 3,38 | 3,64 | ||
| продукции, т/т | |||||||
| Сквозной коэффициент извлечения | 74,6 | 75,4 | 74,9 | 73,2 | 73,6 | ||
| железа, % | |||||||
| Коэффициент потенциального | 5,35 | 4,84 | 4,79 | 6,74 | 6,79 | ||
| техногенного накопления элемента | |||||||
| (FeXB+FeЗШН) | |||||||
| Энергосбережение: | |||||||
| Общий расход энергоносителей, | 869,0 | 946,6 | 1033,1 | 795,1 | 1048,0 | ||
| кг у.т./т проката | |||||||
| Общие затраты энергии на | 25,4 | 27,7 | 30,2 | 23,3 | 30,7 | ||
| производство проката, ГДж/т проката | |||||||
| Расход электроэнергии, кВт·час/т Fe | 804,6 | 792,9 | 1215,3 | 768,9 | 1392,5 | ||
| проката | |||||||
| в т.ч. за счет сжигания энергетического | 377,7 | 382,0 | 793,1 | 768,9 | 1392,5 | ||
| угля, кВт·ч | |||||||
| % | 46,9 | 48,2 | 65,3 | 100,0 | 100,0 | ||
| Расход углерода, кг/т проката | 708,7 | 736,5 | 818,2 | 566,3 | 757,7 | ||
| Выбросы в окружающую среду: | |||||||
| Суммарное количество выбросов в ОС, | 321,7 | 296,6 | 360,3 | 187,4 | 245,0 | ||
| кг/т проката, в т.ч.: | |||||||
| Пыль | 124,3 | 127,0 | 154,7 | 123,3 | 166,6 | ||
| СО | 126,1 | 130,6 | 131,4 | 51,8 | 62,8 | ||
| SO2 | 71,3 | 73,5 | 74,2 | 12,2 | 15,5 | ||
| Коэффициент депонирования | 76,06 | 61,57 | 116,85 | 140,81 | 202,06 | ||
| мелкодисперсных отходов, | |||||||
| кг/т проката | |||||||
| Вскрышная порода+хвосты+ЗШН*, т/т | 9,91 | 9,63 | 10,01 | 9,35 | 9,59 | ||
| проката | |||||||
| Показатель эмиссии СО2, кг/т проката | 587,0 | 603,7 | 705,0 | 317,1 | 492,9 | ||
| Примечание - Золошлаконакопители | |||||||
В результате анализа полученных результатов можно сделать выводы:
-по параметрам материалосбережения безусловно лучшим является вариант «Кокс – А
–Ч – М»;
-по удельному расходу металлургических материалов на единицу готовой продукции лучшим оказывается вариант «“М.О – К»;
-по всем показателям энергосбережения лидером является схема «М.О – К», далее следуют варианты «Кокс – А – Ч – К» и «Кокс – А – Ч – М». Отставание схем с электросталеплавильными технологиями обусловлено высокими потерями энергии (и, соответственно, высоким расходом энергоносителей) в ходе ее преобразования из одного вида в другой: тепло – электричество – тепло (еще необходимо учесть, что в реальных российских условиях имеют место большие потери при передаче электроэнергии).
-минимальные выбросы дают технологические схемы «М.О. – К» и «А – Ч – М». Таким образом, суммируя приведенные выше результаты, следует признать
наилучшими параметры экобаланса технологической схемы «М.О. – К». К сожалению, ее реализация возможна лишь в случае сочетания благоприятных сырьевых условий: наличия богатых по содержанию железа и чистых по примесям или легкообогатимых руд и относительно дешевого природного газа. Перспективы этой схемы связаны с разработкой технологий замены природного газа другими восстановительными агентами и эффективных способов утилизации железосодержащих отходов процесса (для увеличения сквозного коэффициента извлечения железа). Очевидно, что эта схема непригодна для регионов, где основу железорудных запасов составляют труднообогатимые руды.
Общие выводы:
1 Анализ эффективности производственных технологий с помощью экобалансов показывает, что технологические схемы, обладающие лучшимиресурсо-экологическимипоказателями, далеко не всегда являются лучшими вариантами с точки зрения экономической эффективности производства (например, мартеновское производство в сравнении скислородно-конвертернымили электросталеплавильным).
2 Общий расход энергии для производства 1 т железа проката с учетом затрат на добычу, подготовку к металлургическому переделу и транспортировку всех видов твердых шихтовых материалов, кроме ферросплавов (но без учета затрат на добычу, подготовку и транспортировку природного газа и нефтепродуктов) составляет в условиях Европейской части России 23-30ГДж. На передовых предприятиях металлургической отрасли в других странах мира расход энергии достигает18-20ГДж/т железа проката.
3 Особую ценность приобретают производства, позволяющие осуществлять рециклинг заводских отходов (например, аглопроизводство на металлургическом предприятии).
4 Учет экобалансов промышленных производств в рамках реализации концепции устойчивого развития цивилизации требует принципиально новых форм управления экономическими процессами. Проведенный анализ показывает, что стоимостное выражение ценности различных ресурсов не всегда соответствует их значимости с точки зренияресурсо-экологическихперспектив развития цивилизации.
5 Оценку перспективности технологий нельзя проводить без анализа экобалансов производств.