Основные направления безотходной и малоотходной технологии
При современном уровне развития науки и техники без потерь практически обойтись невозможно. По мере того как будет совершенствоваться технология селективного разделения и взаимопревращения различных веществ, потери будут постоянно уменьшаться.
Промышленное производство без материальных, бесполезно накапливаемых потерь и отходов уже существует в целых отраслях, однако доля его пока мала. О каких новых технологиях можно вести разговор, если с 1985 г. - начала перестройки и до нынешнего времени экономическое развитие при переходе к рынку идет на ощупь; доля износа основных производственных фондов все больше увеличивается, в отдельных производствах составляет 80-85 %. Техническое перевооружение производств приостановилось.
Вместе с тем, мы обязаны заниматься проблемой безотходного и малоотходного производства, ибо при нарастающих темпах накопления отходов население может оказаться завалено свалками промышленных и бытовых отходов и остаться без питьевой воды, достаточно чистого воздуха и плодородных земель. Топливно-промышленные комплексы Норильска, Североникеля, Нижнего Тагила и многих других городов могут расшириться дальше и превратить Россию в малоприспособленную к жизни территорию.
Всётаки, современная технология достаточно развита, чтобы в целом ряде производств и отраслей промышленности приостановить рост отходов. И в этом процессе государство должно взять на себя роль руководителя и в плановом порядке разработать и реализовать комплексную государственную программу внедрения безотходных производств и переработки скопившихся в Российской Федерации отходов.
Назовем основные имеющиеся направления разработки безотходной и малоотходной технологии в отдельных отраслях промышленности.
Энергетика
В энергетике необходимо шире использовать новые способы сжигания топлива, например, такие, как сжигание в кипящем слое, которое способствует снижению содержания загрязняющих веществ в отходящих газах, внедрение разработок по очистке от оксидов серы и азота газовых выбросов; добиваться эксплуатации пылеочистного оборудования с максимально возможным КПД, при этом образующуюся золу эффективно использовать в качестве сырья при производстве строительных материалов и в других производствах.
Горная промышленность
В горной промышленности необходимо: внедрять разработанные технологии по полной утилизации отходов, как при открытом, так и при подземном способе добычи полезных ископаемых; шире применять геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых, стремясь при этом к извлечению на земную поверхность только целевых компонентов; использовать безотходные методы обогащения и переработки природного сырья на месте его добычи; шире применять гидрометаллургические методы переработки руд.
Металлургия
В черной и цветной металлургии при создании новых предприятий и реконструкции действующих производств необходимо внедрение безотходных и малоотходных технологических процессов, обеспечивающих экономное, рациональное использование рудного сырья:
- вовлечение в переработку газообразных, жидких и твердых отходов производства, снижение выбросов и сбросов вредных веществ с отходящими газами и сточными водами; - при добыче и переработке руд черных и цветных металлов - широкое внедрение использования многотоннажных отвальных твердых отходов горного и обогатительного производства в качестве строительных материалов, закладки выработанного пространства шахт, дорожных покрытий, стеновых блоков и т. д. вместо специально добываемых минеральных ресурсов;
- переработка в полном объёме всех доменных и ферросплавных шлаков, а также существенное увеличение масштабов переработки сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии;
- резкое сокращение расходов свежей воды и уменьшение сточных вод путем дальнейшего развития и внедрения безводных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения;
- повышение эффективности существующих и вновь создаваемых процессов улавливания побочных компонентов из отходящих газов и сточных вод;
- широкое внедрение сухих способов очистки газов от пыли для всех видов металлургических производств и изыскание более совершенных способов очистки отходящих газов;
- утилизация слабых (менее 3,5 % серы) серосодержащих газов переменного состава путем внедрения на предприятиях цветной металлургии эффективного способа - окисления сернистого ангидрида в нестационарном режиме двойного контактирования;
- на предприятиях цветной металлургии ускорение внедрения ресурсосберегающих автогенных процессов и в том числе плавки в жидкой ванне, что позволит не только интенсифицировать процесс переработки сырья, уменьшить расход энергоресурсов, но и значительно оздоровить воздушный бассейн в районе действия предприятий за счет резкого сокращения объема отходящих газов и получить высококонцентрированные серосодержащие газы, используемые в производстве серной кислоты и элементарной серы;
- разработка и широкое внедрение на металлургических предприятиях высокоэффективного очистного оборудования, а также аппаратов контроля разных параметров загрязненности окружающей среды; быстрейшая разработка и внедрение новых прогрессивных малоотходных и безотходных процессов, имея в виду бездоменный и бескоксовый процессы получения стали, порошковую металлургию, автогенные процессы в цветной металлургии и другие перспективные технологические процессы, направленные на уменьшение выбросов в окружающую среду;
- расширение применения микроэлектроники, АСУ, АСУ технологическими процессами в металлургии в целях экономии энергии и материалов, а также контроля образования отходов и их сокращения.
Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность
В химической и нефтеперерабатывающей промышленности в более крупных масштабах необходимо использовать в технологических процессах: окисление и восстановление с применением кислорода, азота и воздуха; электрохимические методы, мембранную технологию разделения газовых и жидкостных смесей; биотехнологию, включая производство биогаза из остатков органических продуктов, а также методы радиационной, ультрафиолетовой, электроимпульсной и плазменной интенсификации химических реакций.
Машиностроение
В машиностроении в области гальванического производства следует направлять научно-исследовательскую деятельность и разработки на водоочистку, переходить к замкнутым процессам рециркуляции воды и извлечению металлов из сточных вод; в области обработки металлов шире внедрять получение деталей из пресс-порошков.
Бумажная промышленность
В бумажной промышленности необходимо в первую очередь внедрять разработки по сокращению на единицу продукции расхода свежей воды, отдавая предпочтение созданию замкнутых и бессточных систем промышленного водоснабжения; максимально использовать экстрагирующие соединения: содержащиеся в древесном сырье для получения целевых продуктов; совершенствовать процессы по отбеливанию целлюлозы с помощью кислорода и озона; улучшать переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами в целевые продукты; обеспечивать создание мощностей по переработке бумажных отходов, в том числе макулатуры.
1.4. Территориально-производственные комплексы и эколого-промышленные парки
Территориально-производственным комплексом (ТПК) называется такое экономическое (взаимообусловленное) сочетание предприятий в одной промышленной точке или в целом районе, при котором достигается определённый экономический эффект за счёт удачного (планового) подбора предприятий в соответствии с природными и экономическими условиями района, с его транспортным и экономико- географическим положением.
Экономическое развитие ТПК предусматривает создание эффективной структуры производства основных видов продукции, инфраструктуры для обеспечения выпуска этой продукции, охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. При размещении производительных сил необходимо:
- максимально сохранять природные условия на заповедных территориях;
- внедрять малоотходные и безотходные или чистые процессы и производства, потребляющие минимальное количество сырья и материалов;
- экономно использовать имеющиеся земли и, в первую очередь, плодородные;
- перераспределять природные ресурсы и промышленное сырье с целью создания условий для сохранения благоприятной природной среды;
- ограничивать или даже прекращать отдельные производства в некоторых районах (курортных или туристских зонах, заповедниках, зонах интенсивной жилой застройки и др.), а в ряде случаев, наоборот, создавать новые (например, предприятия по производству стройматериалов, на которых можно использовать большинство отходов).
Большое значение в деле охраны окружающей среды имеют разработка и строительство в населенных пунктах и на предприятиях очистных сооружений, переработка промышленных и коммунальных отходов, озеленение, создание санитарно-защитных зон и проведение некоторых других санитарно-гигиенических мероприятий.
Особое внимание следует уделять предприятиям, производящим строительные материалы, поскольку они могут использовать большое количество отходов, что дает возможность не только улучшить экономические показатели предприятий и региона в целом, но и весьма ощутимо уменьшить вредное воздействие промышленности на окружающую среду. Переработка многотоннажных отходов химических металлургических, энергетических и других производств в ценные строительные материалы и изделия позволяет высвободить дефицитные земельные угодья, отводимые под отвалы, весьма существенно уменьшить загрязнение окружающей среды и повысить степень обеспеченности народного хозяйства страны строительными материалами при минимальных издержках производства. Использование отходов способствует повышению рентабельности как предприятий, их производящих, так и предприятий, перерабатывающих отходы, снижению затрат на геологоразведочные работы и экономии природного сырья в целом, т. е. повышению эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.
Особое значение для экономики страны имеет интенсификация развития таких территориально-производственных комплексов РФ, как Курская магнитная аномалия, Оренбургский и Ангаро-Енисейский ТПК, Саянский, Братский, Усть-Илимский и Канско-Ачинский (КАТЭК) топливно-энергетические комплексы и др.
Основой для создания КАТЭК послужили огромные запасы каменного угля, залегающего вблизи поверхности земли и добываемого открытым способом. Благодаря высокой производительности труда и низким удельным капитальным затратам развитие КАТЭК может оказать значительное положительное влияние на общий топливно-энергетический баланс страны. Уголь невыгодно возить на большие расстояния из-за высоких транспортных издержек. Поэтому новые энергоёмкие производства необходимо размешать вблизи мест его добычи, где вводятся в действие мощные тепловые электростанции. Часть энергии этих станций будет передаваться также на европейскую территорию страны.
Сосредоточение ТЭС в районе КАТЭК осложняет экологическую обстановку, так как связано с выбросами в воздушный бассейн больших количеств пыли, диоксида серы и оксидов азота, поэтому должны быть внедрены эффективные системы предотвращения их образования или очистки. На Красноярской ТЭЦ-2 пущена первая установка по энерготехнологической переработке углей, при эксплуатации которой полностью исключаются выбросы в воздушный бассейн.
Эко-промышленный парк (ЭПП) — объединение производителей товаров и услуг, желающих улучшить экономическое и экологическое состояние путём совместного управления природными ресурсами (энергией, водой и материалами) и окружающей средой. Работая вместе, производители надеются получить коллективный эффект больше, чем они имели бы по отдельности.
Цель ЭПП — улучшить экономическое состояние участвующих производителей и уменьшить загрязнение окружающей среды. Данный подход включают планирование (или перепланирование) инфраструктуры парка, предотвращение загрязнения окружающей среды, повышение эффективности использования сырьевых и энергетических ресурсов и партнёрство между производителями товаров и услуг. Через взаимную кооперацию эти предприятия становятся промышленной экосистемой.
Контрольные вопросы
1. Какова динамика использования вторичного сырья в развитых странах?
2. Каковы масштабы негативного воздействия промышленного производства на окружающую среду?
3. Что изучает промышленная экология?
4. Каковы цели и задачи промышленной экологии?
5. Что такое “безотходная технология”?
6. Каковы принципы безотходных технологий?
7. Назовите требования, предъявляемые к безотходному производству?
8. Приведите примеры реализации безотходной технологии в различных отраслях промышленности?
9. Что такое ТПК?
10. Что такое эко-промышленный парк?
Глава 2. Защита атмосферы
2.1 Основные направления работ по снижению загрязнений воздушного бассейна
Среди многочисленных направлений работ по снижению загрязнения воздушного бассейна важнейшими являются следующие:
- внедрение эффективных экономических и моральных методов стимулирования деятельности по охране атмосферы, включая различные поощрения и плату за выбросы и т. д;
- сокращение выбросов от автомобильного транспорта за счет совершенствования двигателей и топливной аппаратуры, внедрение нейтрализаторов выхлопных газов, увеличение доли дизельных и работающих на газообразном топливе двигателей, прекращение выпуска этилированных бензинов, а также лучшей организации дорожного движения;
- внедрение малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов и производств, прежде всего в теплоэнергетике, чёрной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов и в других отраслях;
- оптимизация энергетического баланса страны (закрытие мелких и устаревших агрегатов, котельных и других установок, использование альтернативных ископаемым источников энергии и т.д.);
- внедрение экономически оправданных процессов сжигания топлива, а также предварительного обессеривания угля, нефти и газа, глубокой переработки угля и сланцев перед сжиганием (газификация, пиролиз);
- внедрение современных методов пылегазоочистки дымовых и других отходящих газов с высоким КПД и максимальным использованием продуктов очистки. Особое внимание следует уделить комплексной очистке отходящих газов от оксидов серы и азота, выделению и использованию углеводородов, сероводорода, соединений фтора, хлора, тяжелых металлов, обезвреживанию канцерогенных веществ;
- развитие эффективных систем контроля за загрязнением атмосферы, в том числе автоматизированных дистанционных систем.
2.2. Методы очистки и обезвреживания отходящих газов
Для обезвреживания азрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппараты отличаются друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запылённых газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных частиц азрозоля происходит на осадительных электродах.
Выбор метода и аппарата для улавливания аэрозолей в первую очередь зависит от их дисперсного состава (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость эффективности улавливания от фракционного состава твёрдых частиц и аэрозолей в газовом потоке для различных типов оборудования
| Тип оборудования | Общая эффективность, % | Эффективность улавливания, % | ||||
| <5 мкм | 5-10 мкм | 10-20 мкм | 20-40 мкм | >40 мкм | ||
| Пылеосадительная камера | 58,6 | 7,5 | ||||
| Цилиндрический циклон | 65,3 | |||||
| Конический циклон | 84,2 | |||||
| Электрофильтр | 97,0 | 94,5 | 99,5 | |||
| Форсуночный (полый) скруббер | 98,5 | |||||
| Скруббер Вентури | 99,5 | 99,5 | ||||
| Рукавный фильтр | 99,7 | 99,5 |
В процессе выбора оборудования необходимо учитывать степень неравномерности газового потока, так как 10%-ное отклонение от номинальных регламентированных значений является обычной нормой работы предприятий.
На выбор оборудования и материалов для его изготовления влияют химические и физические свойства загрязнителей. Еще одним важным критерием является концентрация загрязнителей в очищаемом газе, поскольку при высоких её значениях (выше 230 г/м3) обычно вводится стадия предварительной очистки. Необходимо принимать во внимание также температуру, давление, влажность газового потока, возможность остановки газоочистного оборудования для текущего ремонта и ряд других факторов.
С развитием техники происходит постоянное изменено отдельных характеристик газоочистного оборудования, поэтому детальное сравнение различных устройств следует проводить по данным соответствующих каталогов. Но общие, основные принципы подбора наиболее широко используемого оборудования неизменны.
Так, циклоны обычно используются в тех случаях, когда пыль крупнодисперсная, её концентрация превышает 2 г/м3 и не требуется высокой эффективности улавливания.
Скрубберы мокрого типа целесообразно использовать, если мелкие частицы должны улавливаться с относительно высокой эффективностью, желательно охлаждение газа, а повышение его влажности не служит препятствием, если газы представляют опасность в пожарном отношении и необходимо улавливать как твёрдые, так и газообразные вещества.
Тканевые фильтры (рукавные) используются в тех случаях, когда необходима очень высокая эффективность улавливания, пыль представляет собой ценный продукт, который необходимо собрать в сухом виде, температура газа всегда выше его точки росы, объёмы относительно невелики (хотя имеются рукавные фильтры на большую производительность), температура относительно низка (лимитирует термостабильность материала ткани).
Электрофильтры применяют, если для улавливания мелких частиц необходима высокая эффективность, обработке подлежат большие объёмы газа и необходимо утилизировать ценные продукты.
Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют методы абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические.
Для физической абсорбции на практике применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объёма и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производят на основании результатов технико-экономических расчётов.
Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами - адсорбентами. Процессы очистки проводят в периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком — невозможность очистки запылённых газов.
Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Их проводят в реакторах различной конструкции.
Термические методы (прямого сжигания) применяют для обезвреживания газов от легкоокисляемых токсичных, а также дурнопахнующих примесей. Методы основаны на сжигании горючих примесей в топках печей или факельных горелках. Преимуществом метода является простота аппаратуры, универсальность использования. Недостатки: дополнительны расход топлива при сжигании низкоконцентрированных газов, а также необходимость дополнительной абсорбционной или адсорбционной очистки газов после сжигания.
2.3. Очистка топочных газов от диоксида серы
Уменьшение содержания серы в топочных газах может достигаться разными методами: использованием малосернистых углей, предварительным удалением серы из угля, снижением количества серы, выделяющейся в газовую фазу (при связывании серы, например, в сульфат кальция), удалением серы из топочных газов, предварительной переработкой нефти, сланца в жидкое или газообразное горючее (с удалением серы).
Основными промышленными методами очистки газов от диоксида серы являются абсорбция и добавление сорбентов в зону горения. С помощью этих методов из топочных газов можно удалять более 90 % SO2. Для абсорбции могут быть использованы вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочноземельных металлов.