Сжигание с целью получения энергии

Инженерная экология

Краткие исторические сведения

Анализ истории взаимодействия человека с природой и вопросы происхождения проблемы охраны окружающей чреды связаны с существованием 4-х периодов в истории развития человека. Сейчас наблюдается переход к 5-му этапу.

1. Каменный век, первобытнообщинный строй. Деятельность человека ограничивалась рыболовством, охотой. Было активное влияние человека на растительный мир. Социальный аспект взаимодействия человека и природы характеризуется преклонением человека перед обожествленными им силами природы

2. Связан с началом землепользования 7-15вв. н.э. – период рабовладельческого феодального общества, активного развития скотоводства, земледелия, создаются ирригационные системы, началось создание систем использования подземных вод. Использование древесины в качестве основного энергетического источника, что приводило к изменению площади лесных массивов. Происходило расширение морского промысла, прежде всего китов, в связи с чем стадо сокращается и они уходят от берегов, освоенных человеком

3. Охватывает 16-19 вв н.э. Период становления капитализма, характеризуется концентрацией производственных сил, развитием частного предпринимательства, постоянными захватническими войнами, приведшими к разделу мира. Характеризуется активным освоением минерально-сырьевых ресурсов, развитием горного дела, металлургии, добычи угля, который стал энергетическим источником взамен дерева. Развитие горнодобывающей и перерабатывающей промышленности привело к перераспределению химических элементов между недрами земли и её поверхностью, т.е. к нарушению геохимического баланса биосферы. Начался интенсивный процесс урбанизации в районе промышленных освоений, что приводит к деградации растительных покровов. Это приводит к быстрому загрязнению воздушной среды, речных систем. Нарушение природных ландшафтов в промышленных и городских районах распространяется на все большей территории. Таким образом, именно в период становления и развития капитализма появилось противостояние между человеком и природой

4. 20 век – период империализма, т.е. концентрации производства, организации крупных промышленных объединений, охватывающих многие районы мира. Происходит расширение сфер влияния на окружающую среду, которые имеют не только региональный, но и глобальный характер. Период характеризуется:

· значительно увеличилась добыча нефти и газа, которые становятся энергетическим и химическим сырьем, нуждаются в переработке и транспортировке, что способствует загрязнению среды, особенно океанов

· возросла интенсивность горных разработок, как следствие – преобразование горных ландшафтов, перераспределение горной массы на поверхности земли способствовало развитию в земной коре гравитационных напряжений, в результате действие которых приводит либо к медленным, но непрерывным процессам оседания почвы, либо к быстрым и взрывным процессам – землетрясение

· создание обширных водохранилищ, что приводит к изменению уровня грунтовых вод и изменению водно-солевого баланса окружающих территорий. В настоящее время отмечается значительное влияние на окружающую среду в районах интенсивной застройки и промышленных освоений, на территории крупных городов, городских агломераций, урбанизированных зон

В этот период изменилось геохимическое воздействие человека на природу по трем причинам:

1. синтез множества веществ, отсутствующих в естественных условиях и обладающих качествами, не свойственными природным соединениям (например пм)

2. строительство широкой сети коммуникаций: линии электропередач и связи, жд, шоссе, что привело к рассеиванию загрязняющих веществ, задымлению атмосферы, выбросам теплоэлектостанций, нефтеперегонных, металлургических заводов, авто- и авиационного транспорта

3. интенсификация производства с-г продукции, привело к массовому применению удобрений, гербицидов, пестицидов, отрицательное воздействие которых на окружающую среду выявилось через определенное время

4. непомерное потребление энергии привело к тепловому загрязнению гидро- и атмосферы

5. развитие транспорта, в частности авиационного, различного рода радиотехнических устройств, ветроэнергетики, привело к повышению уровня шума, возникновению очагов шума, превышающих допустимые нормы для человека и фауны

В связи со всем этим перед человечеством возникла задача рационального природоиспользования, позволяющего удовлетворять жизненные потребности людей в сочетании с охраной и воспроизводством природной среды.

Инженерная экология – наука, разрабатывающая способы и средства достижения экологически разумного компромисса между человеком и природой, т.е. это наука, которая занимается вопросами разумного развития науки и техники в экологически оптимальном смысле.

Теоретические основы инженерной экологии

Основные понятия инженерной экологии

Центральным понятием и.э. является экологическая система, которая относится к классу сложных систем, т.к. невозможно строго математическое описание такой системы, поскольку она характеризуется многозвенностью структурного состава и многосвязностью составляющих структурных единиц.

Особенностями экосистем, отличающих их от технических систем, являются:

· неадекватность поведения естественных и искусственных объектов, составляющих экосистему

· многомерность протекающих в системе формирующих и деградационных процессов

· неприменимость традиционных методов оптимизации по экономическим критериям

Вторым понятием по значимости является биогеоциноз - совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений атмо-, гидро-, лито- и биосферы. Эта совокупность имеет специфику взаимодействия и определенные закономерности своего развития.

Экосистемы характеризуются надежностью. Это понятие связано со следующими характеристиками экосистем:

1. устойчивость – внутренне присущее экосистеме свойство, характеризующее её способность выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями (например техногенные воздействия на природный ландшафт; оказывать сопротивление внешним (техногенным) воздействиям; обнаруживать способность к восстановлению или самовосстановлению экосистемы

2. равновесие – свойство экосистемы сохранять устойчивость в определенных приделах при антропогенных воздействиях

3. живучесть – свойство, характеризующее действительные показатели эко защиты экосистемы и проявляющееся в способности к самовосстановлению

4. безопасность – свойство, определяющее риск потерь устойчивости, равновесия и живучести экосистемы

Существует структурная взаимосвязь. Все эти понятия характеризуются количественными показателями.

Схема взаимосвязи надежности экосистемы

Основным природоохранным объектом является природный ландшафт. Рассматривается:

1. элементарный природный ландшафт, т.е. идеальный

2. реальный ландшафт, который формируется в результате промышленного техногенеза

Популяционная экология занимается обоснованием норм жизнеобеспеченья более чем двух миллионов видов растительного и животного мира, существующих на Земле. Инженерная экология, опираясь на эти нормы в виде ПДК и воздействий ПДФ, определяет эффективные способы и средства охраны окружающей природной среды. Методологической основой научного поиска, обоснования и разработки таких способов и средств является система инженерно-экологического обеспечения производства.

Охрана окружающей среды является практической реализацией целенаправленных действий, которые формируются в таких науках как популяционная и инженерная экология.

Природотехнические геосистемы(ПТГ)

Это образования, которые возникают в любом регионе в связи с происходящей в нём хозяйственной деятельности и приходят на смену природным геосистемам, существовавшим там до внедрения людей и техники в природную среду.

Таким образом, ПТГ – совокупность природных и искусственных объектов, формирующаяся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природными объектами (геологические тела, почва,растительный покров, рельеф, водные источники, атмосфера, фауна, социум).

Существующие на сегодняшний день ПТГ показывают, что существует диспропорция между инженерными, расчетно-теоретическими и экспериментальными обоснованиями факторов техногенного воздействия на окружающую среду. Такая неадекватность расчетных моделей реальной экологической обстановки в зоне промышленного освоения территорий приводит к невосполнимым потерям биогеоцинозов природного ландшафта.

В практике расчетов и проектирования промобъектов и организации трудовых процессов используются принципы одностороннего учета влияния внешних нагрузок со стороны окружающей среды на создаваемые объекты. Влияние этих нагрузок учитывается при проектировании объектов и выборе режимов их функционирования, но это является причиной необратимых деградационных процессов в создаваемых ПТГ.

Классификация факторов техногенного воздействия на природные среды

Классификации могут быть различные:

1. по номенклатурному составу техногенных факторов

2. по интенсивности их воздействия

Они имеют количественные и качественные показатели.

Признаки и показатели антропогенного изменения природных ландшафтов в промышленных регионах зависят от характера взаимодействия естественных свойств окружающей среды, характеризуемых устойчивостью и исскуственно созданныхформ техногенного воздействия.

Выбор экологической модели прогноза регионального уровня взаимодействия проектируемого объекта с окружающей средой зависит от особенности природных ландшафтов. Существующие нормативно-технические требования не всегда учитывают зональные принципы в нормировании требований к формированию объектов путем введения критериев техногенного воздействия на окружающую среду.

Природные ландшафты по этому принципу могут быть разделены на следующие:

Ø ландшафты, обладающие высокими рекреационными показателями. Сохранность таких ландшафтов должна обеспечиваться инженерным обустройством, восстановлением растительных покровов, локализацией очагов повышенной нагрузки, регулярным уходом за насаждениями

Ø ландшафты, содержащие в своих недрах месторождение полезных ископаемых. Обеспечение их сохранности связанного с повышенными требованиями к надежности сооружаемых объектов

Ø сельхоз и лесные ландшафты. Их охрана состоит в рациональном технологическом и экологическом грамотном использовании

Ø ландшафты, которые малопригодны для сельского хозяйства, создания рекриационных зон, не содержат полезных ископаемых. Именно они предпочтительны для промышленного и гражданского строительства.

Определенные ограничения по созданию ПТГ связаны с географическим районированием.

Рассмотренные классификации могут быть использованы при разработке нормативных требований, учитывающих реальное экологическое состояние ПТГ.

Экологическое равновесие в природно-технических геосистемах

Общий принцип охраны природы с позиции инженерной экологии заключается в минимизации интегральных потерь неживой и живой природы выражается в виде:

1. абсолютных невосполнимых потерь связанных с уничтожением биологических популяций (происходит изменение биогеоцинозов) за пределами границ само восстанавливаемости

2. качественные потери неживой природы в первоначальных количественных пропорциях: ухудшение плодородной структуры почвы, изменение гидрогеологического режима течения, деградация почв в наиболее экологически уязвимых районах и т.д.

3. обратимые потери живой природы в границах само восстанавливаемости или восстанавливаемости при содействии человека

Процесс функционирование экосистемы человек-природа(ПТГ) условно можно разделить на три стадии:

1. развитие процесса – происходит закономерное использование природных ресурсов в результате взаимонаправленного взаимодействия человека с окружающей средой. Эта стадия характеризуется условным максимумом, совпадающей с наиболее активной фазой производственного цикла

2. процесс переходит на вторую стадию, которая в случае отсутствия восстановительных мероприятий характеризуется периодом устойчивого состояния с сохранением потерь

3. на этой стадии развитие процесса протекает по одной из двух возможных форм:

a) естественное восстановление (самовосстановление) частично утраченного экологического потенциала

b) смешанного или комплексного восстановления, включающего в себя ряд специальных восстановительных мероприятий, которые в сочетании с естественными процессами самовосстановления дает наибольший эффект сохранности и воспроизводимости природных ресурсов

Понятия экологического равновесия ПТГ должны опираться на систему научных знаний и представлений о состоянии и свойствах биогеоцинозов. Это понятие должно быть связано с предельно-допустимыми нормами по всех экологическим критериям. Понятие предельно допустимых норм должно быть обосновано с точки зрения:

· локального экологического сказка (интенсивности местных потерь данного вида)

· возможности развития необратимых смещений экологического равновесия

· характера экологического противодействия(реакции) на функционирующий объект

· обоснования потенциальных технических резервов при взаимодействии технических объектов с окружающей средой

Источники загрязняющей среды

Они могут классифицироваться по:

1. происхождению: искусственные, антропогенные (их удельный вес составляет до 90% общего объема), естественные

2. месту поступления: континентальные, морские, атмосферные

3. временному признаку: постоянные, эпизодические, разовые, случайные

4. по пространственно0временному признаку: фиксированные, нефиксированные

Подобные классификации позволяют исследовать любые региональные ПТГ.

Инженерные задачи эколологии пкм

Экологическое обеспечение изготовлекния изделий из пкм

Экологическое обеспечение должно осуществляться на каждой стадии производства изделий, т.е. на стадии проектирования, изготовления. Особенностью этих материалов является то, что должно быть обеспечены их экологические свойства на стадии эксплуатации, а также утилизации или уничтожения.

Экологическое обеспечение на стадии проектирования заключается в выбове материала наиболее соответствующего условиям эксплуатации имеющего при этом высокие санитарно-гигиенические свойства. В армированных пластиках армирующие волокна и структуры из них обладают высокими экологическими свойствами(СВ, УВ, БВ). Основные антропогенные факторы связаны с выбором пм связующего. Для пкм на основе термопластичной матрицы важно выбрать материал не только удовлетворяющий условиям эксплуатации, но и обладающий достаточной тепло- и термостойкостью. На этой стадии желательно произвести экологический аудит проекта с учетом существования всех стадий существования изделий из пкм. Также выбирается метод переработки материала в изделия, который должен быть экологически обоснованным. Выбранный материал и технология должны обеспечивать высокие экологические параметры изделия на стадии эксплуатации. При проектировании изделия должны быть обоснованы методы утилизации или уничтожения изделия из пкм.

На стадии производства должны быть разработаны технологии переработки материала в изделия, раны основные технологические параметры, которые должны обеспечивать минимальное попадание летучих продуктов, твердых отходов в окружающую среду. Важным показатель – температура производственных процессов, т.к. при превышении Тдеструкции в окружающую среду будет попадать большое количество газообразных продуктов. При производстве армированных пластиков Т процессов не должна приводить к повышенной эмиссии вредных веществ в окружающую среду, к самовозгоранию изделий и т.д. Для термопластичных пкм Т переработки пкм в изделие должна быть меньше Тдеструкции пм матрицы. Сложность выбора Тпереработки заключается в том, что разница между Тт и Тд очень небольшая.

На стадии эксплуатации должны быть обеспечены высокие сан-гиг характеристики изделий из пкм. Необходимо обеспечивать при эксплуатации изделий минимальное содержание мономерных включений в структуру материала (см. конспект предыдущего семестра).

Стадия утилизации или уничтожения изделий из пкм. Наиболее рациональным методом является утилизация.

Экологические проблемы отходов пм и материалов на их основе

Твердые бытовые отходы

Это материалы и предметы, которые остаются в результате жизнедеятельности человека, что делает необходимы организацию их сбора, сортировки, очистки, транспортировки, обработки, складирования, дальнейший переработки или ликвидации. Отходы подразделяются на несколько видов:

1. бытовые (квартирный мусор, магазины, предприятия обслуживания)

2. промышленные отходы (отходы промышленных предприятий)

В городах в среднем на одного человека приходится порядка 350 кг твердых бытовых отходах, ежегодный прирост 5% в год, что приводит к быстрому росту организованных и не организованных мусорных хранилищ. Свалки приводят к значительному ухудшению окружающей среды, происходит загрязнение воздуха, почв, грунтовых вод метаном, диоксидом серы, тяжелыми металлами и др. вредными веществами. Происходит непродуктивное использование земельных участков. В первую очередь под свалки используют зеленые зоны, пригородные места отдыха. Транспортирование ТБО на свалки связано с дальнейшим загрязнением территории выхлопными газами транспортных средств.

В ТБО отходы пм и материалов на их основе, в первую очередь упаковочных материалов составляют значительную часть (в разных странах от 10 до 60%). Сортность(морфология) пм отходов следующая:

· 60% полиолефины(ПЭ и ПП),

· 10-15% ПС,

· 10-13% ПВХ,

· 10% ПЭТФ,

· 5-10% остальные пм.

В принципе насчитывается 150 различных пластмасс, которые используются, 30% из их числа – смеси различных пм. Пм, попадая в естественную окружающую среду являются источником загрязнения, так как медленно разлагаются.

Основными способами уничтожения ТБО является захоронение и сжигание.

Захоронения занимают значительные площади и на них вывозятся ценнейшее вторсырье (стекло, макулатура, металл, пластмассы), которые могут быть использованы в дальнейших производственных циклах.

Сжиганию подвергаются твердые и жидкие отходы, метод не является рациональным и экономичным, так как при сжигании происходят быстрый износ оборудования мусоросжигательных печей. Происходит выделение вредных веществ, попадание токсичных солей тяжелых металлов в почвы, водную среду, а значит в организм человека. Качественные установки для сжигания мусора представляют собой сложные дорогостоящие сооружения, так ка они должны быть оснащены эффективными фильтрами, газоуловителями. Поэтому данный метод не рекомендуется для уничтожения ТБО, но все еще используется.

На сегодняшний день для ТБО осуществляется раздельный сбор – металл, бумага, стекло, пм. Для этого уже на стадии изготовления товары маркируются с целью упрощения их дальнейшей сортировки. Во-первых, указывается, возможна ли вторичная переработка, на изделиях из пм указывается также процентное содержание пм. Вследствие наличия маркировки, отсортированные ТБО могут подвергаться не уничтожению, а утилизации различными методами. Отходы потребления и промышленные отходы пм, пригодные к дальнейшей переработке называют вторичным пм-сырьем, к которому относятся пм и материалы их основе, смесовые композиции…

Форсированным способом уничтожения пм отходов является радиационный способ, в котором используется γ-излучение, нейтроны,β-частицы, энергия которых в значительной степени превосходит энергию химической связи макромолекул. В следствии радиодеструкции пм образуются низкомолекулярные или олигомерные свободные радикалы, которые взаимодействую с кислородом воздуха, инициируя цепные реакции термо- или фотодеструкции, приводящие к разрушению пм. Дальнейшее действие природных и техногенных факторов приводит к распаду пм на более низкомолекулярные продукты, которые вовлекаются в природные биологические циклы.

Промышленные отходы

На сегодняшний день производственные отходы по возможности утилизируются непосредственно на предприятиях или поставляются в специализированные пункты приемы данного вида отходов для дальнейшей утилизации.

В цехах по переработке термопластов имеющиеся пм отходы подвергаются вторичной переработке путем добавления к первичному сырью в кол-ве 20%. В цехах по производству изделий из реактопластов отходы представляют собой неиспользованное связующее, края изделий, которые подвергаются механической обработке. Количество отходов должно быть минимальным, так как это экономически нецелесообразно.

Утилизация вторичного пм сырья

В настоящее время существует следующие пути полезного использования ВПС:

Сжигание с целью получения энергии

Сжигание отходов в мусоросжигательных печах не является рентабельным способом, т.к. должна происходить предварительная сортировка мусора, происходит потеря хим. Сырья, происходит загрязнение окружающей среды дымовыми газами

2. Термическое разложение – пиролиз, деструкция, разложение до исходных мономеров

При утилизации ВПС используется методы термического разложения как методы преобразования ВПС в низкомолекулярные соединения – методы рециклинга.

Пиролиз – термическое разложение органических веществ с целью получения необходимых органических продуктов. При т до 600⁰С образуются жидкие органические соединения, выше 600 – газообразные. Например пиролиз ПВХ с добавление ПП, ПС при Т=350 и давлении до 30 атм в присутствии катализаторов и водорода, получается большое количество ценных химических продуктов – бензол, толуол, пропан, метан, хлористый водород и т.д. с выходом до 45%

Каталитический термолиз позволяет производить процесс разложения при более низких температурах, что возможно за счет применения специальных катализаторов. Т.к. осуществляется при более щадящих режимах могут быть получены исходные мономеры, в котором в дальнейшем используются в качестве сырья для процессов полимеризации и поликонденсации – рециклинг. Таким методам утилизации подвергаются ПЭТФ бутылки.