Безотходные технологии и малоотходные производства

Термин «безотходная технология» был предложен академиками Н.Н. Семяковым и И.В. Петряновым-Соколовым и приобрел широкое распространение в России и за рубежом. Однако сама идея безотходной технологии была изложена еще в 1885 г. Д.И. Менделеевым в статье «Письма о заводах» опубликованной в журнале «Новь». Он писал: «множество технологических производств имеют так называемые отбросы, то есть совершенно пренебрегаемые в экономическом отношении результаты химических превращений, которые, однако, сами по себе иногда становятся со временем исходною точкою нового производства весьма большой важности. Если непрерывность есть первый принцип заводского дела, то вторым должно считаться, по моему мнению, отсутствие выбросов…». Теория безотходных технологических процессов базируется на двух предпосылках:

а) природные ресурсы должны добываться один раз для комплексного производства всех возможных продуктов, а не каждый раз для получения каждого из них;

б) создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая позволила бы после использования по прямому назначению рентабельно превращать их в исходные элементы нового производства.

Однако каждый новый тип технологии по принципу сырье – готовы продукт – сырье связан с износом материалов и требует новых затрат энергии и, следовательно, дополнительных природных ресурсов вне замкнутой системы. Таким образом, признавая прогрессивность концепции безотходной технологии, следует учитывать ее условный характер, способность сократить загрязнения окружающей среды, но не исключить его полностью. Под безотходной технологией понимается идеальная модель производства, и теоретический предел, который может быть реализован лишь частично.

Отходы образуются в основном за счет присутствия в сырье примесей, которые не используются в данном процессе для получения готового продукта: побочных химических реакций, приводящих к образованию неиспользуемых веществ; неполноты протекания процесса и расхода полезного компонента в сырье. Уменьшить количество образующихся отходов можно за счет использования чистого, концентрированного сырья. При этом увеличивается скорость протекания процесса и повышается производительность труда. Такой же эффект дает снижение скорости протекания побочных реакций, например, за счет увеличения селективности процесса, увеличения полноты протекания процесса путем подбора оптимальных катализаторов и т.д. При этом не только уменьшается количество отходов, но и повышается эффективность производства. Создание безотходных технологических процессов предполагает как разработку рациональных способов и приемов выделения примесей из газов, так и принципиальное изменение технологического процесса или отдельных его частей. Изменение технологии должно идти по пути уменьшения количества выбросов и сокращения затрат на очистку газов, циркулирующих в системе. Примером такого изменения технологии может служить переход от очистки конвертированных газов аммиачного производства медно-аммиачными растворами к промывке газа жидким азотом (чтобы выделить СО). Применение этого способа очистки позволило отказаться от дорогого и сложного узла, повысить общую производительность труда в аммиачном производстве. Одновременно отпала необходимость в очистке от аммиака газов и сброса циркулирующих в системе инертных газов, а значит и их очистки.

Как положительный факт, следует отметить, что часть отходящих газов, содержащих сернистый ангидрид, которые раньше выбрасывались в атмосферу без очистки, в настоящее время используется в цветной металлургии для производства серной кислоты. Количество получаемой при этом серной кислоты составляет около 30% от общей выработки серной кислоты в России. Стоимость этой кислоты на 30% дешевле получаемой в химической промышленности.

Разработан метод очистки вентиляционных выбросов вискозного производства от сероводорода с получением серы. Предлагаемый метод очистки предусматривает обработку газов в насадочных или полых абсорберах слабощелочным раствором катализатора окисления. При этом одновременно с поглощением сероводорода происходит его окисление и образование элементарной серы, отделяемой от раствора в специальном аэраторе-флотаторе. Осветленный раствор возвращается в абсорбцию, а сера плавится в автоклаве или используется для получения коллоидной серы.

Существенное снижение выбросов может быть обеспечено созданием новых процессов, при которых уменьшается образование выбросов в атмосферу. Например, в черной металлургии создан безкоксовый метод получения продукции непосредственно восстановлением железорудных концентратов водородом. При таком способе из ранее известной технологической цепочки исключен доменный передел, а также производство кокса. В качестве исходного сырья применяется руда или концентрат, переработанные в окатыши, которые далее восстанавливаются водородом или газовой смесью водорода и окисью углерода при температуре 1000-1300 ⁰С. Полученное губчатое железо с содержанием основного компонента до 95% после охлаждения переплавляется в электродуговых печах до получения кондиционного металла. Опыт производства стали, по данной технологии, обеспечивает резкое снижение выбросов с одновременным возвратом в цикл используемых газов и шлама газоочистных установок.

Большие промышленные выбросы в атмосферный воздух – это точный индикатор несовершенства технологии. В настоящее время широко применяется частичная рециркуляция, то есть повторное использование отходящих газов. Так, на ТЭЦ и в двигателях внутреннего сгорания при сжигании топлива, таким образом, подавляется образование азота. К технологическим мероприятиям относятся также замена вредных веществ в производстве безвредными или менее вредными, очистка сырья от вредных примесей (удаление серы из топлива), замена сухих способов переработки пылящих материалов новыми (мокрый помол), замена пламенного нагрева электрическим, прерывистых процессов непрерывными. На современном этапе развития промышленного производства возникла необходимость установления жестких норм герметичности для каждого вида химического оборудования.

Необходимо, чтобы санитарно-гигиенические требования, предъявляемые к оборудованию, установленному открыто, были такими же, как и при установке этого оборудования внутри производственных помещений. Аппаратура также должна быть непрерывно действующей и герметичной. Герметичными являются машины и арматура без сальников. Если имеются места выбросов (протечек), то их следует оборудовать местными отсосами, а выбрасываемый воздух должен проходить очистку.

Доставка сырья должна осуществляться любым видом транспорта, удобным для погрузки и разгрузки, исключающим возможность загрязнения почвы и воздуха не только территории производства, но и трассы транспортировки. Для перевозки жидких и сжиженных токсических веществ и газов в больших количествах следует использовать специальные (герметичные) железнодорожные и автомобильные системы. Воздух, вытесняемый из цистерн при сливе и переливании токсических, летучих веществ (хлор, бензол) необходимо очищать от паров этих веществ в рекуперационных установках или методом химического поглощения. Порошковые материалы следует хранить в закрытых, защищенных от ветра складских зданиях и специальных сооружениях (бункерах, силосах). Жидкие токсические и едкие вещества в разовых количествах > 400 кг необходимо подавать со складов в цехи по трубопроводам, изготовленным из металлов стойких к действию этих веществ.

Согласно определению Европейской экономической комиссии ООН безотходная технология – это практическое применение знаний, методов и средств для обеспечения в рамках человеческих потребностей наиболее рационального использования природных ресурсов и энергии, а также защиты окружающей среды.

Малоотходная технология является промежуточным этапом создания безотходной, составными элементами которой являются:

-комплексная переработка сырья с использованием всех его компонентов;

-уменьшение или полное исключение загрязнения окружающей среды промежуточными продуктами, отходами производства и потребления путем переработки и получения из них товарной продукции;

-создание замкнутых систем (циклов) производственного водоснабжения.

Созданию замкнутых систем водного хозяйства на предприятии (или их группе) способствуют следующие технические и организационные мероприятия:

-применение безводных или маловодных техпроцессов, аппаратов воздушного охлаждения;

-последовательность водообеспечения различных производств в виде многократного использования воды;

-совершенствование технологических процессов, уменьшающих водопотребление, загрязнение промстоков и утилизацию твердой фазы;

- рациональная система водоотведения, обеспечивающая наилучшие условия совместной или раздельной очистки разных категорий сточных вод;

-применение современных высокоэффективных технологий очистки и обеззараживания сточных вод, утилизация шламов.

Выбор оптимальных технологических схем очистки вод и замкнутых систем обеспечения обосновывается технико-экономическими расчетами. При этом даже при экономической нецелесообразности в первую очередь следует принимать проекты и технологии, обеспечивающие улучшение санитарно-гигиенических и экологических условий на предприятии.

Безотходная технология – это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, ТПК), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные ресурсы, таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.

Здесь выделяется три основных положения.

1.Подчеркивается необходимость использования сырьевых ресурсов в цикле, включающем также и сферу потребления, а это значит, что такой замкнутый цикл может быть только на уровне ТПК.Þ т.е. безотходное производство должно быть практически замкнутой системой, организованной по аналогии с природными экосистемами.

2. Обязательное включение в производство и потребление всех компонентов сырья. При этом должно быть обеспечено максимально возможное использование и потенциала энергетических ресурсов, естественно ограниченное вторым законом термодинамики. Здесь также проводится прямая аналогия с природными экосистемами, которые, будучи практически замкнутыми, не являются изолированными, т.к. через них проходит поток энергии.

3. Сохранение (с учетом возможного теплового загрязнения) сложившегося экономического равновесия. Другими словами, ущерб окружающей среде, наносимый производством, не должен быть выше допустимого уровня.

В широком смысле понятия «безотходная технология» касается не только технологических процессов, но и совокупности организационных и управленческих мероприятий, проектных и научно-исследовательских работ.

Создание безотходных технологий – длительный процесс, поэтому в качестве промежуточного этапа для практических целей допустимо использование малоотходного производства. Малоотходное производство - это такой способ производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, при этом по техническим, организационным, экономическим или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение.

Необходимо подчеркнуть, что главное в безотходном производстве не переработка отходов, а организация производства таким образом, чтобы в самом процессе переработка сырья использовались все его компоненты. Безотходные технологические процессы существуют, но это большая редкость, безотходные производства встречаются чаще, а безотходный ТПК может быть организован практически всегда, но не на любой территории. Количественными оценками безотходности производства является степень использования в технологических процессах сырья и материалов (общего критерия нет). В угольной промышленности введен коэффициент безотходности производства (%):

К_б=0,33 (К_т+К_ж+К_г), (3)

где К_т – коэффициент использования породы (%), образующийся в результате горных работ;

К_ж – коэффициент использования попутно забираемой воды (%), образующийся при добыче угля;

К_г – коэффициент использования пылегазовых отходов (%).

В случае использования наряду с вновь образующейся породой также отвалов прошлых лет коэффициент безотходности может быть >100%. В химической промышленности также введен коэффициент безотходности, разработана и введена в действие специальная методика его определения и отнесения соответствующих технологических процессов и категории безотходных, малоотходных и рядовых. Коэффициент безотходности характеризует полноту использования в производстве материальных и энергетических ресурсов, а также интенсивность воздействия этого производства на окружающую среду:

К_б=f ∙К_м∙К_э∙К_а , (4)

где К_б – коэффициент безотходности, безразмерная величина 0≤К≤1;

f –коэффициент пропорциональности, определяемый эмпирически;

К_м – коэффициент полноты использования материальных ресурсов;

К_э – коэффициент полноты использования энергетических ресурсов;

К_а – коэффициент соответствия экологическим требованиям.

В соответствии с этой методикой к малоотходным относятся производства, характеризующиеся величиной К_м, равной не менее 0,8-0,9 (в зависимости от мощности предприятия), а к безотходным не менее 0,9-0,98 (в зависимости от их мощности).

Для практических целей значение коэффициента безотходности, равное 75-90%, можно принять в качестве количественного критерия малоотходного, а 90-98% - безотходного производства.

С целью обобщения и систематизации особенностей безотходного производства можно выделить ряд взаимосвязанных принципов, лежащих в его основе:

-принцип системности (учитывает взаимосвязь производственных, социальных и природных процессов);

-принципы комплексного использования сырьевых и энергетических ресурсов (имеют экологическое и экономическое значение);

-принцип цикличности материальных потоков (важнейшие из них – замкнутые водооборотные циклы).

-принцип экологической безопасности (важнейшее его следствие – сохранение здоровья населения);

-принцип рациональной организации (при этом подразумевается, что увеличение объема производства и расширение номенклатуры выпускаемой продукции не приводят к не восполненным потерям природных ресурсов в регионе).

Создание безотходных технологий на любом уровне требует одновременного соблюдения всех перечисленных принципов, при этом важнейшим условием существования его остается система обезвреживания, хранения и захоронения отходов, в первую очередь токсичных. При организации малоотходных и безотходных производств большое значение имеет их комбинирование и межотраслевое кооперирование на базе комплексной переработки сырья и утилизации отходов. Примерами такого комбинирования может служить создание производства карбамида, образующегося на основе диоксида углерода при производстве аммиака.

Создание малоотходных и безотходных производств является весьма сложной задачей, выдвигающей особые требования.

К технологическим процессам:

1. Разработка принципиально новых процессов, при внедрении которых ущеественно снижается или практически исключается образование отходов и отрицательное воздействие на окружающую среду.

2. Комплексное использование всех компонентов сырья и максимально возможное использование потенциальных энергоресурсов.

3. Возможность максимальной замены первичных сырьевых и энергетических ресурсов вторичными.

4. Внедрение непрерывных процессов.

5. Интенсификация, автоматизация процессов.

6. Создание энерготехнологических процессов и т.д.

К сырью, материалам, энергоресурсам:

1. Обоснованность их качества.

2. Предварительная оценка и деление сырья и топлива на нетрадиционные, местные, полезно добываемые.

К готовой продукции:

1.Обеспечение возможности и условий возвращения продукции в производственный цикл после физического и морального износа.

К обезвреживанию и ликвидации неутилизируемых отходов:

1.Обоснование конкретных способов обезвреживания и ликвидации, включая конструкции установок и сооружений.

2. Оценка возможного воздействия на окружающую среду в зависимости от способа обезвреживания и ликвидации.

К организации производства:

1. Цикличность потоков вещества (замкнутые циклы).

2. Возможность комбинирования производств на основе комплексного использования сырья и энергоресурсов.

3. Возможность отраслевой кооперации производств на основе переработки и утилизации вторичных ресурсов.

4. Обоснованность района и площадки строительства с учетом фонового загрязнения окружающей среды, перспектив развития данного производства и др. производств в районе.

5. Разработка нормативов, ограничивающих воздействие на окружающую среду.

6. Учет неорганизованных, залповых и др. кратковременных выбросов.

7. Организация непрерывного контроля состояния окружающей среды в районе предприятия.

8. Совершенствование экологической службы промышленных предприятий.

К экономической деятельности:

1.Учет стоимости дополнительно производимой продукции, сэкономленных природных ресурсов и предотвращаемого народно-хозяйственного и экономического ущерба.

2. Загрязнение окружающей среды приводит к возникновению 2-х типов затрат в народном хозяйстве: - затраты на предупреждение воздействия (ущерба) загрязненной среды на отдельные виды объектов (обычно называемых реципиентами) и затрат, вызываемых самим воздействием (ущербом, причиняемым окружающей среде соответствующими выбросами).

Литература

1. Андреева Е.С., Андреев С.С. Промышленная экология. Санкт – Петербург, 2005. –С.27-42.

2. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. –М.: Логос, 2001. – С. 96-102; 208-225.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается смысл понятия «безотходная технология»?
2. Перечислите, пожалуйста, три составных элемента безотходной технологии.
3. Какой коэффициент считается количественной оценкой безотходности производства? Различаются ли методы определения коэффициента безотходности для различных отраслей промышленности?