Малоотходных производств

В целях обеспечения комплексного решения проблемы защиты от загрязнений окружающей среды и повышения технико-экономической эффективности производства необходимо рассматривать современные технологические процессы как открытую систему, а, кроме того, обобщить основные принципы рекуперации сырья, материалов и вторичных энергоресурсов. Существует два принципиально различных пути борьбы с загрязнениями.

Первый путь – очистка вредных выбросов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, направляемых в окружающую среду (не позволяет решить проблему кардинально, т.к. в процессе очистки часто один вид загрязнений превращается в другой). Например, замена сухих пылеуловителей влажными повышает степень очистки атмосферного воздуха, но усиливает одновременно загрязнение водных стоков. Однако, этот путь, на сегодняшний день, является наиболее приемлемым для предприятий, имеющих достаточно старое промышленное оборудование и не имеющих возможности полностью его модернизировать. И все-таки этот путь является реальной альтернативой существующей сегодня тенденции штрафных выплат. Технологические процессы и механизмы, используемые в этом случае, являются предметом изучения курса «Экологически безопасные технологии»

Второй путь – более радикальный и, в то же время, более экономичный. Он заключается в разработке таких технологических процессов производства, которые бы в максимальной степени имитировали природные процессы. Этот путь и является предметом изучения курса «Экологически чистые технологии». Речь идет о создании безотходных (на первом этапе малоотходных) технологий, которые максимально экономили бы исходное сырье, топливо, материалы и обеспечивали бы безопасность ОС. При этом безотходные технологии используются и в первом, и во втором случаях, хотя и обеспечиваются разными способами.

Технология - наука, изучающая способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства (готовую продукцию). Она традиционно делится на механическую и химическую. В механической технологии рассматриваются процессы, в которых изменяется форма или внешний вид материалов, а в химической – процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества.

Термин «безотходная технология» впервые был предложен академиками Н.Н. Семеновым и И.В. Петряновым-Соколовым. В настоящее время принята такая формулировка понятия безотходная технология (БОТ):

- безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить, в рамках человеческих потребностей, наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и обеспечить защиту ОС.

3.2 Принципы организации экологически чистых и комплексных малоотходных технологий

Понятия безотходного и малоотходного производства тесно связаны с загрязнением окружающей среды. Безотходное производство (технология) – представляет собой такой способ производства продукции, при котором все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные ресурсы, а любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования [5]. Таким образом, теория безотходных технологических процессов базируется на двух основных предпосылках:

- исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных, а не каждый раз для отдельных продуктов;

- создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая позволила бы после использования по прямому назначению относительно легко превращать их в исходные элементы нового производства.

Однако, такая схема практически неосуществима. Каждый этап технологии по принципу «сырье - готовый продукт – сырье» требует дополнительных затрат энергии, а ее производство (на современном этапе) связано с потреблением природных ресурсов вне замкнутой системы. Вторым принципиальным препятствием к созданию замкнутого цикла является износ материалов. Таким образом, признавая прогрессивность «безотходной технологии», следует учитывать ее ограниченность. Она позволяет сократить загрязнение ОС, но не исключает его полностью.

Представить себе абсолютно безотходное производство невозможно, поэтому в качестве промежуточного этапа рассматривается малоотходное производство, под которым понимается такой способ производства, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами. При этом часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение. Рассматривая концепцию безотходного производства, необходимо выделить три основных положения.

1. Безотходное производство – это замкнутая система, организованная по аналогии с природными экологическими системами. Его основу должен составлять сознательно организованный человеком круговорот сырья, продукции и отходов.

2. При организации производства обязательно включение в него всех компонентов сырья и максимально возможное использование энергии (ограниченное вторым законом термодинамики). Таким образом, экологически чистые производства нужно называть малоотходными и ресурсосберегающими.

3. Малоотходное производство обеспечивает сохранение нормального функционирования окружающей среды и сложившегося экологического равновесия. Критерии качества окружающей среды в настоящее время – ПДК и рассчитанные на их основе ПДВ и ПДС

Если рассмотреть более детально эти концептуальные положения теории безотходных производств, то можно выделить ряд взаимосвязанных принципов, необходимых для их разработки и внедрения [4].

1. Принцип системности, в соответствии с ним каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы – ТПК в регионе и эколого-экономической системы в целом. Таким образом, принцип системности должен учитывать существующую взаимосвязь производственных, социальных и природных процессов.

2. Принцип комплексного использования ресурсов, требует максимального использования всех компонентов сырья, сопутствующих элементов, максимально возможной замены первичных сырьевых и энергетических ресурсов на вторичные.

3. Принцип цикличности материальных потоков (замкнутые водо- и газооборотные циклы), должен привести к формированию в отдельных регионах и во всей техносфере сознательно организованного и регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним превращений энергии.

4. Принцип ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду (атмосферный воздух, воду, поверхность земли, рекреационные ресурсы и здоровье населения) в первую очередь связан с планомерным и целенаправленным ростом объемов производства и его экологического совершенства.

5. Принцип рациональности организации производства предполагает оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Основным путем достижения этой цели являются разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств.

Лекция 11

3.3 Требования, предъявляемые к безотходным

технологическим процессам и аппаратам

Для совершенствования существующих производств и разработки принципиально новых технологических процессов (ТП) необходимо соблюдение ряда общих требований:

- минимизация числа технологических единиц (стадий и аппаратов) производственного процесса с целью уменьшения отходов и потерь сырья на промежуточных стадиях процесса;

- применение непрерывных схем процессов и технологий (замкнутых технологических циклов);

- комплексность использования всех компонентов сырья и энергетических ресурсов;

- увеличение единичной мощности агрегатов;

- максимальное использование вторичного сырья и замена первичного сырья на вторичное;

- интенсификация производственных процессов, их автоматизация и оптимизация;

- использование энерготехнологических процессов (использование энергии химических превращений):

- разработка и внедрение высокоэффективных методов очистки,

принципиально новых аппаратов, совмещающих в себе ряд процессов;

- оптимизация их размеров и производительности;

- использование новых конструктивных материалов, позволяющих увеличить долговечность аппаратов.

3.4 Требования, предъявляемые к сырью, материалам и энергоресурсам. Виды «чистой» энергии

При организации безотходного или малоотходного производства необходимо полноценное использование сырья и энергоресурсов, поэтому к ним также предъявляются определенные требования:

- адекватность качества сырья и материалов уровню технологического процесса;

- предварительное обезвреживание сырья и топлива;

- замена высокотоксичных веществ (например тяжелых металлов) менее токсичными;

- замена традиционных видов сырья и энергоресурсов на нетрадиционные.

Рассмотрим подробнее эти виды экологически чистых видов энергии.

1. Использование энергии атома. Существует три возможности получения атомной энергии:

- деление ядер,

- использовании реакций, при которых ядра одного делящегося вещества превращаются в ядра другого делящегося вещества;

- синтез легких ядер.

В качестве делящегося вещества используются обычно изотопы урана ₉₂U²³³, ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁸ и изотопы тория ₉₀Th²³², а также изотопы плутония ₉₄Pu²³⁹, ₉₄Pu²⁴⁰, ₉₄Pu²⁴¹. Но применение процессов деления не решает долговременных энергетических проблем, так как при этом используются только малая часть радиоактивного оксида урана, а его запасы не так уж и велики.

Вторая возможность получения атомной энергии основана на использовании реакций, при которых ядра одного делящегося вещества превращаются в ядра другого делящегося вещества. В этих реакциях количество воспроизводимого делящегося изотопа превышает количество первоначального изотопа. В бридерных реакторах (вторая возможность) воспроизводимое и первоначальное вещества представляют собой изотопы одного и того же химического элемента: " сжигается" U²³⁵, воспроизводится U²³³; и др.

Третий путь использования энергии атома – это синтез легких ядер. Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах
(~ 10⁷ – 10⁹ К) и продолжаются самопроизвольно за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции называются термоядерными. Основная проблема – это трудность реализации этой идей, связанная с тем, что процесс синтеза не удается стабилизировать в связи с огромными температурами реакции.

Важно отметить, что атомная энергия считается " чистой" энергией, но в связи с проблемой захоронения ядерных отходов атомная энергия не может считаться экологически " чистой", за исключением, по-видимому, только реакции синтеза.

Следующие виды " чистой" энергии могут считаться экологически " чистыми", так как при их производстве практически не причиняется ущерба окружающей среде: энергия Солнца, энергии системы океан – Солнце, энергии ветра, или системы Солнце – гравитация, энергии приливов и отливов -гравитационной энергии.

2 .Солнечная энергия. На Землю поступает от солнца примерно
1, 7·10¹⁷ Вт солнечной энергии. Если использовать около 1% поверхности Земли для улавливания этой энергии с помощью коллекторов излучения, то можно будет собрать ~10¹⁴ Вт энергии. Собираемой энергии вполне хватило бы для всего населения Земли. Этот расчет служит только некоторой оценкой, поскольку многие существующие коллекторы солнечного излучения имеют эффективность преобразования ниже 10%. С другой стороны, продолжительность светового дня ограничена, солнечное излучение не всегда падает перпендикулярно поверхности Земли, солнце может быть затенено облаками, пылью и т.д.. Учет всех этих факторов, естественно, повышает размеры площади поверхности Земли, используемой для улавливания солнечной энергии примерно в три раза. Кроме того, стоимость производства электроэнергии с помощью солнечных батарей превосходит стоимость производства электроэнергии на ТЭС, работающих на ископаемом топливе.

3.Энергия ветра. Заключенная в ветре механическая энергия может быть использована ветроэлектрическими станциями с КПД около 40% для выработки электроэнергии и приведения в действие различных бытовых механизмов (водяных насосов, мукомольных мельниц и др.), а также для освещения помещений. Установлено, что технически надежными и рентабельными в районах с постоянными ветрами являются электростанции мощностью от 50 до 100 кВт с высотой башни 15 – 25 м. По расчетам, большинство европейских стран, имеющих большую протяженность береговой линии, могли бы покрывать всю потребность в электроэнергии за счет ветровой энергии. Хотя ветер, как источник энергии, имеет непостоянный характер, однако это вполне надежный источник, если суммировать его действие в течение года, поскольку " роза ветров" (или средняя повторяемость всех направлений ветра за год) достаточно стабильна для любого места в мире.

4. Энергия приливов-отливов. Приливные электростанции (гидроэлектрические станции) используют гравитационную энергию в виде энергии приливов и отливов, возникающих под действием сил притяжения Луны и Солнца и вращательного движения Земли. С этой целью весь морской залив отделяется от моря плотиной. Устремляющаяся в залив и из него вода приводит в движение турбины, которые вырабатывают электроэнергию. Сегодня единственная на Земле действующая приливная электростанция находится в устье реки Ранс в Бретани (запад Франции, полуостров).

Все рассмотренные чистые источники электроэнергии (атомная
энергия – с оговорками) являются возобновимыми источниками энергии, то есть постоянно возобновляются за счет естественных поставщиков энергии, прежде всего Солнца, и поэтому неисчерпаемы.