Показатели расхода природных материальных ресурсов

Элементопотоки

Основой современного подхода как к оценке эффективности использования различного рода ресурсов, так и к оценке техногенного воздействия производств на окружающую природную среду (как это уже отмечалось ранее) является принцип построения циклов или круговоротов материалов. Такой подход позволяет наиболее четко проследить причинно-следственные связи многофакторных природно-техногенных процессов. В современный технический язык прочно вошли понятия: «ресурсный цикл», «энергопроизводственный цикл», «биосферный ресурсный цикл», «от колыбели до могилы». Некоторые из них широко используются средствами массовой информации и употребляются на бытовом уровне. После того, как были сформулированы понятия и рассчитаны круговороты ряда химических элементов – азота, серы, углерода и др., имеющих особое значение для органических процессов на нашей планете, следующим логическим шагом в этой тенденции является введение понятия «потока химического элемента» или «элементопотока»[1]. Необходимость такого подхода вытекает из следующих соображений. В современных условиях все большее, а часто и определяющее значение, как в вопросах формирования изделий влияния на качество продукции, так и при образовании выбросов суперэкотоксикантов, играют примесные или, иначе говоря, микроэлементы, присутствующие в техногенном материале иногда в количестве всего лишь нескольких граммов на тонну материала. Окружающая человека среда становится все более сложной по номенклатуре химических соединений и материалов, не свойственных среде природной, и этот процесс развивается все более стремительно. В этих условиях необходимо иметь не только максимально достоверную информацию о происходящих технологических процессах, но и надежную основу для анализа и прогноза возможных социальных последствий принимаемых технических решений. Надежность в подобном анализе может обеспечить только учет движения в рассматриваемой системе каждого химического элемента независимо от его количества, базирующийся на балансовом методе исследования и подтвержденный термодинамическими расчетами состава всех образующихся в системе фазовых составляющих. Количественная оценка этого движения отражается в виде элементопотока.

Таким образом, под техногенным элементопотоком мы будем понимать все количественно определенные параметры движения химического элемента по технологической цепочке, начиная от его извлечения из сплошной природной среды (недр), и включающие транспорт сырья и продукции, производство энергии и все технологические стадии производства и потребления продукта, все формы обращения с отходами производства и потребления, в том числе их рециклинг и депонирование, а также распространение исследуемого элемента с выбросами во все природные среды.

В самом общем виде элементопоток, на примере элемента, извлекаемого из природной среды в составе твердого минерала (такая форма извлечения является наиболее распространенной), может быть представлен следующим образом – см. рис. 3.5.

Данная схема элементопотока в самой полной мере отражает приведенное выше его определение и демонстрирует «глобальный» характер распределения элемента. Однако, в зависимости от цели и глубины проводимых исследований могут строить и другие схемы элементопотоков, например:

- для отдельных составляющих глобальной схемы: для стадии добычи и подготовки ресурсов к потреблению, для транспортной, производственной или бытовой сферы и т.п.;

- для различных географических регионов: добывающего, производственного, энергопроизводящего, для территорий, используемых для складирования отходов и т.д.;

- для конкретных производственных подразделений, в том числе для отдельных агрегатов и т.п.

В отличие от глобального элементопотока их можно определить как локальные (или региональные, если речь идет о построении его по географическому принципу). Кроме того, элементопотоки могут подразделяться с учетом временного фактора на: среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, «мгновенные» и т.п., интегральные за определенный период – например, за время функционирования какого-либо производственного предприятия, с момента основания какого-либо региона или промышленного центра и т.п.

Возможны различные формы представления элементопотока: графическая, табличная, аналитическая и т.п.

Остановимся еще на одном важном методическом вопросе о подразделении химических элементов на макро- и микроэлементы (см. рис.3.6). Как правило, к макроэлементам относят элементы, которые:

- определяют пространственное существо предмета своим количественным присутствием в нем;

- существенным образом влияют на ход процессов добычи, производства, потребления или эксплуатации предмета, определяя технико-экономические показатели упомянутых стадий техногенных преобразований природных ресурсов.

В количественном выражении можно принять, что к макроэлементам относятся те, содержание которых в рассматриваемом продукте (или системе) превышает около 0,01% (масс.). Если содержание элемента составляет менее 0,01% его можно условно отнести к категории микроэлементов. Отметим, что в специальной литературе микроэлементы часто подразделяются на «микропримесные» – существенным образом влияющие на свойства и количественные характеристики продукта, и «следовые» – содержание которых настолько незначительно, что их присутствие никак не влияет ни на какие из известных в настоящее время потребительских или токсических характеристик продукта.

Подразделение химических элементов

Рис. 3.6

Детальное рассмотрение элементопотоков проведем на примере индустрии черных металлов – отрасли отличающейся крупнейшими количествами перерабатываемых и производимых материалов, особой ролью готовой продукции – стали, чугуна и железа в существовании современной человеческой цивилизации, а также существенным, а в ряде случаев – определяющим, влияние микроэлементов на качество продукции и экологическое состояние металлургических регионов.

3.2.1.2. Принципы построения схемы движения элементов на примере черной металлургии

В зависимости от количества и роли, которую играет химический элемент в рассматриваемой металлургической системе его принято относить к элементам основы, макропримесям или микропримесям. Применительно к процессам металлургии железа мы в дальнейшем будем относить:

- к макроэлементам: железо, углерод, кислород, азот, водород, кальций, кремний, алюминий, магний, марганец, фосфор, серу, цинк, калий и натрий. Первые девять элементов этого перечня являются обязательными составляющими любой металлургической системы, и мы их будем также называть элементами «основы». Марганец, фосфор и сера представляют собой элементы, определяющие свойства готового металлопродукта и, поэтому, контролируются на всем протяжении технологического цикла и включаются во все виды стандартов или сертификатов на изделия из железа. Обычно марганец, фосфор и серу относят в черной металлургии к макропримесным элементам. Калий и натрий играют важнейшую роль в процессах формирования металлургических шлаков, а также, совместно с цинком, существенным образом влияют на показатели процессов производства первичного металла (главным образом чугуна) и стойкость огнеупоров доменных печей. В связи с этим, химическому анализу на цинк, калий и натрий, как правило, подвергаются все шихтовые материалы, поступающие на металлургическое предприятие (прежде всего: коксующиеся угли, железорудные материалы, флюсы).

- к микропримесям: все остальные химические элементы периодической системы. Установлено, что в металлургических материалах могут присутствовать в количестве от долей до десятков тысяч ppm (г/т материала) химические элементы всех групп и периодов периодической системы за исключением инертных газов и трансурановых элементов.

Вовлекаясь в металлургический передел в составе шихтовых материалов и газов и макро- и микроэлементы могут:

1. Переходить в готовые продукты металлургического производства – как собственно в изделия из железа, так и в «попутные» продукты, например, в металлургические шлаки, или материалы, получаемые в процессе коксохимического производства и т.п.

2. Попадать в отходы производства (в основном в золы и шламы тепловых электростанций (ТЭС), а также сталеплавильные шлаки и шламы), которые в настоящее время складируются, в условиях России, как правило, без сортировки, в золошламонакопителях.

3. Накапливаться в металлургических агрегатах в составе гарнисажа, настылей и т.п.

4. Переходить в шламы газоочисток, окалину и другие материалы с формированием контура циркуляции внутри металлургического цикла при утилизации этих материалов в агломерационном процессе ( а также и в доменном, конверторном и проч.).

5. Выноситься в окружающую среду (атмосферу) в виде газов или возгонов, неулавливаемых очистными устройствами.

Для микроэлементов существует также возможность накопления в так называемых «циркуляционных контурах», которые формируются во внутреннем пространстве металлургических агрегатов в результате возгонки элементов при высоких и последующей конденсации при низких температурах.

Основой для определения параметров элементопотока на стадии металлургических технологических операций является схема движения основных металлургических материалов (см. раздел 4.5).

Жизненный цикл изделия

Методики определения истинного расхода ресурсов начали разрабатываться еще в начале века, однако до настоящего времени, особенно в нашей стране, не существует директивного документа, определяющего «правила игры» в этом крайне важном для определения перспектив развития экономики процесса. В результате определение «ресурсосберегающая экологически чистая технология» без всяких расчетов неквалифицированно используют, не имея на это никаких обоснований. Эта ситуация особенно негативно сказывается на процедуре выработки государственной политики в области науки и техники, определении приоритетных направлений, имеющих право на государственную поддержку. Естественно, что это также приводит к девальвации самих понятий «ресурсосбережение», «экологически чистое производство».

Нетрудно убедиться в том, что имеющиеся национальные программы ориентируют российскую экономику на увеличение или сохранения ресурсопотребления в природной среде. При этом много лет существуют удивительные парадоксы. Россия является одним из крупнейших в мире производителем нефти. Однако, нередко простаивают самолеты и автомобильный транспорт, во время полевых работ

Между тем, в промышленно развитых странах достаточно длительное время и вполне успешно используется методика расчета затрат различных ресурсов на технологические процессы, в основе которой находится «анализ жизненного цикла» («Life Cycle Analysis») или принцип «от колыбели до могилы», впервые предложенный в США в 1960 г. Итог расчета «жизненного цикла» изделия представляют в виде «экобаланса».

В современном виде он заключается в расчете суммарной количественной оценки использованных для производства продукции энергии и материалов, а также суммарных выбросов в окружающую среду.

Стадии жизненного цикла:

1. Получение сырья:

добыча сырья (включая расход энергии на добычу сырья и выбросы при получении этой энергии);

добыча источника энергии;

переработка источника энергии в энергию;

транспортировка сырья и энергии.

2. Производство продукции:

подготовка сырья;

изготовление продукции;

производственный рециклинг (переработка собственных отходов)

упаковка и приведение в товарный вид;

транспортировка продукции;

производство попутной продукции.

3. Использование продукции

переработка потерявшего потребительские свойства изделия (отложенного отхода) («Глобальный рециклинг»).

Для всех стадий рассчитывают расходы энергии, материалов, транспортные издержки, выбросы в окружающую среду (воздух, вода, "техногенные месторождения" твердых отходов).

При оценке «жизненного цикла продукции» нетрудно обратить внимание на тот факт, что в четырехстадийной схеме цикла только одна стадия - «производство» - относится к отраслевой проблеме. Все остальные являются межотраслевыми задачами. Между прочим, из этого анализа неизбежно следует, что мероприятие, полезное для отрасли, не обязательно будет выгодным для народного хозяйства в целом, чаще случается как раз наоборот.

Уже стала привычной критика коксохимического производства, как отличающегося наиболее неблагоприятными выбросами. Не раз и не два раздавались и, к сожалению, продолжают звучать предложения о закрытии коксохимических цехов на металлургических предприятиях. Ставится задача использования технологических процессов получения черных металлов с применением некоксующихся углей и других видов топлив. Между тем этот путь является не просто неверным, но и весьма опасным. Во-первых, химическая часть коксохимического производства является источником и в ряде случаев - единственным, особо ценных продуктов, таких, как, например, группа важных медицинских препаратов, в т.ч. детских лекарств и др. Закрытие коксохимических производств возможно только после строительства и ввода в эксплуатацию специальных химических заводов, поисков нового сырья для них и строительства сырьевых предприятий, а также связано с новыми выбросами в ОС по всей цепочке производства. Во-вторых, использование угля в металлургических агрегатах означает неконтролируемый выброс летучих, что означает новую и более серьезную опасность для ОС и ресурсный провал из-за отсутствия возможности использования летучих веществ - этого исключительно ценного химического сырья.

Для расчета "жизненного цикла" продукции можно предложить следующие схемы. Расчет "жизненного цикла" продукции на действующем производстве.

Определение полного химического состава сырья.

Определение полного химического состава источника энергии.

Расчет выбросов и потерь при добыче сырых материалов.

Расчет транспортных выбросов при перевозке сырья.

Расчет выбросов в окружающую среду при производстве энергии.

Определение элементопотоков на предприятии.

Расчет объема техногенного месторождения.

Расчет выбросов при производстве продукции.

Расчет рециклинга "отложенного отхода" на собственном или другом предприятии.

Показатели расхода природных материальных ресурсов

1) , т/т или кг/т.

Показатель М₁ – «Удельный расход сырых материалов» отражает «природоемкость» технологий и характеризует затраты природного сырья, необходимого для производства готовой продукции (в данном случае – металлургической). В статистике иногда применяют и другой показатель, обратный коэффициенту природоемкости, называемый в этом случае «показателем природной ресурсоотдачи» (например, урожайность пахотных земель).

2) , т/т или кг/т.

Показатель М₂ – «Коэффициент сокращения сплошной природной среды» - характеризует общее количество природных материалов, извлекаемых из недр Земли, необходимых для производства всех видов основной и попутной продукции. Этот показатель, в отличие от предыдущего, учитывает общее количество горной породы (т.е. природной среды), подвергнутой техногенному воздействию. В рассматриваемых ниже примерах значение этого показателя не будут изменяться в существенных пределах, поскольку анализу подвергаются схемы, базирующиеся на одних и тех же исходных материалах, но при сопоставлении различных месторождений руды, угля и флюсов получаемые результаты могут значительно отличаться друг от друга.

Естественно, что значения этого показателя будут высоки для технологий производства дорогостоящих редких, рассеянных и драгоценных металлов и материалов, причем даже в случаях их (технологий) высокой экономической эффективности. В будущем разумное ограничение значений показателя М₂ сделает неизбежным развитие производства попутной продукции, что должно давать как общехозяйственные эффекты, так и эффект с точки зрения соблюдения «прав природы».

3) , т/т или кг/т.

Целесообразность применения показателя М₃ – «удельный расход сырых материалов для производства основной и попутной продукции» - следует из необходимости квалифицированной оценки эффективности многоцелевых технологий. Использование показателя М₃ должно наглядно иллюстрировать преимущества инженерных решений, предусматривающих получение побочной продукции.

4) «сквозной коэффициент извлечения основного элемента», измеряемый в долях от извлеченного из недр Земли количества элемента с твердыми шихтовыми материалами, %. В роли основного элемента в данном случае выступает железо.

5) · - коэффициент, измеряемый в долях железа, извлеченного из недр Земли с твердыми шихтовыми материалами. М₅ – «коэффициент потенциального техногенного накопления элемента» - показывает количество основного извлекаемого при реализации технологии металла или материала (основных металлов или материалов), которое попадает в техногенные грунты, для которых существует потенциальная возможность использования в будущем, как уже отторгнутых от природной среды участков. Значение данного показателя будет возрастать при оценке эффективности технологий переработки комплексных руд, когда на выходе технологической цепочки будут находиться сразу несколько продуктов переработки. В этом случае М₅ должен, по-видимому, определяться как средневзвешенное значение для всех потенциально извлекаемых компонентов комплексного природного материала.