Взаимодействие хозяйственной деятельности человека с ресурсами окружающей среды происходит на нескольких уровнях: технологический процесс = установка – производство – предприятие – отрасль производства (обжиг сырья – вращающаяся цементная печь – производство цемента – цементный завод – стройматериалы).
Наиболее характерным звеном, определяющим условия взаимодействия, является производство, т.к. рассматривая отдельные производства можно учесть различные взаимодействия технологических процессов и установок, входящих в производство, а, рассматривая совокупность производств с учетом взаимных связей, можно определить их суммарное воздействие в масштабах отрасли или региона.
Каждое производство взаимодействует со множеством ресурсов окружающей среды.
Направление взаимодействий. Все виды взаимодействий ведут к изменениям обеих сторон, участвующих во взаимодействиях. В целях упрощения решения практических задач часто изменениями одной из сторон пренебрегают.
К числу наиболее характерных воздействий относят:
- загрязнения твердыми, жидкими или газообразными отходами,
- изменения температуры, влажности, распределения в пространстве, изменения состава и структуры,
- возбуждение колебаний, излучений,
- радиоактивное воздействие и т.д.
Загрязнение ОС – это любое внесение в ту или иную экологическую систему несвойственных ей живых или неживых компонентов физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается ее продуктивность.
Антропогенные загрязнители делятся на:
- материальные (пыль, зола, шлаки и др.),
- физические или энергетические (тепловая энергия, электрические и электромагнитные поля, шум, вибрация и т.д.)
Материальные загрязнители подразделяются на:
- механические (пыль и аэрозоли атмосферного воздуха, твердые частицы в воде и почве),
- химические (различные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу, гидросферу и/или литосферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой – кислоты, щелочи, диоксид серы, эмульсии и т.д.),
- биологические (все виды организмов, появляющиеся при участии человека и наносящие вред – грибы, бактерии и т.д.).
Количественно показателями воздействий являются отклонения фактических значений показателей (Аф) от естественных значений (Ае):
Вабс = Ае – Аф
Отношение абсолютного отклонения к нормируемому характеризует относительное воздействие:
Вотн = Вабс/Ае
Суммарный показатель воздействия для одного итого же вида ресурсов определяется как сумма относительных отклонений по всем учтенным:
ΣВ = ΣВотн·τ,
где τ – длительность воздействия.
Классификация воздействий. Различают естественные и антропогенные воздействия.
К естественным относят все виды воздействий и процессы, возникновение которых не вызывается человеческой деятельностью (землетрясения, цунами, пожары, вызванные молниями, извержения вулканов, сели, а также все естественные процессы биологического обмена, включая функционирование живых организмов и растений).
Антропогенные воздействия подразделяют на преднамеренные, которые предусмотрены технологией производства (потребление ресурсов и отходы производства) и непреднамеренные (аварийные и вторичные, происходящие в ОС вследствие воздействия производств).
По масштабам различают локальные, региональные и глобальные воздействия.
По длительности они подразделяются на мгновенные (разовые) и долговременные; периодические и постоянные.
Распространено также деление воздействий на количественное (расходы ресурсов в локальном и глобальном масштабе, выбросы, сбросы, твердые отходы) и качественное (изменения характеристик ресурсов – качества воды в Днестре).
Этапы воздействий. Рассмотрим характер воздействий на невозобновляемые ресурсы. в общей схеме воздействий на них выделяются три характерные этапа:
на 1 этапе от начала освоения ресурсов, характеризующимся моментом времени τ0 до начала их интенсивного использования τ1 – прирост доказанных ресурсов превышает их выработку (расход, потребление), (τ0 – τ1):
dPд/dτ › dРв/dτ;
на 2 этапе – в период интенсивного использования ресурсов (τ1 – τ2):
dPд/dτ ≈ dРв/dτ,
т.е. прирост доказанных ресурсов примерно обеспечивает растущий расход ресурсов;
на 3 этапе – период «сверхинтенсивного» использования (τ2 – τ3) расход ресурсов превышает их прирост:
dPд/dτ ‹ dРв/dτ,
что неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов.
Количественным показателем перехода от одного этапа к другому является изменение коэффициента кратности данного вида ресурсов:
К = Рд/ΔРв,
где ΔРв – среднегодовой расход ресурсов.
Для отдельного региона, страны
Кс = Рд с/ΔРв с,
для мира в целом
Км = Рд м/ΔРв м.
Очевидно, что Кс и Км определяет число лет, на которое обеспечены потребители ресурсов при среднегодовом потреблении ΔРв. На 1 этапе К растет, на 2 – примерно не изменяется, на 3 – стремится к нулю.
В реальных условиях взаимодействие с ресурсами отличается от общей схемы. Н-р, по мере снижения концентрации ресурсов неизбежно возрастает стоимость, усложняется технология извлечения. На 3 этапе неизбежно наступают условия, при которых произойдет отклонение от экспоненциального стремления к достижению критической точки М – полного исчерпания ресурсов. Точка м – реальная зависимость.
Одним из важных понятий в общей схеме воздействия на ресурсы является знак воздействия. Если ресурсы расходуются непосредственно на осуществление технологического процесса, в котором они изменяются и утрачивают свои свойства (из-за физико-химических превращений), считается, что воздействие несет положительный знак. Во многих случаях расход ресурсов связан с косвенными воздействиями на них вследствие осуществления других технологических приемов (н-р, загрязнение воды или воздуха, попадание в отходы производства). Во всех этих случаях ресурсы также утрачивают свои качества, но при этом расходуются не на удовлетворение потребностей человека. Т.к.расход ресурсов бесполезный, считается, что процесс имеет отрицательный знак.
Можно выделить несколько характерных этапов уровней загрязнения ОС:
1 этап – безопасный уровень загрязнения – насыщение воздействием (выбросы или темпы роста последствий) меньше скорости их нейтрализации:
dВ/dτ ‹ dН/dτ,
где В – воздействия, их поступление в ОС (выбросы),
Н – нейтрализация воздействий.
2 этап – опасный уровень воздействия:
dВ/dτ ≈ dН/dτ,
3 этап – критический уровень воздействия:
dВ/dτ › dРв/dτ.
Началом воздействия на экологические ресурсы является начало воздействия на взаимосвязанные с ними компоненты ОС. Если естественные процессы нейтрализации воздействия протекают интенсивнее, чем воздействия, т.е.накопления воздействий не происходит, имеет место безопасный уровень воздействия на экологические ресурсы. Аналогично определяются опасный и критический уровни расхода экологических ресурсов или их изменений.
Перераспределение загрязнений. Суммарное поступление i-го загрязняющего вещества в ОС от всех видов хозяйственной деятельности:
,
где втi – среднее поступление i-го вещества от однотипных технологических процессов,
l – количество однотипных процессов в одной отрасли,
к – количество отраслей, в которых имеются технологические процессы, связанные с данным видом воздействий.
Суммарный выброс i-го вещества от разных производств распределяется на атмосферу, гидросферу, литосферу. При квазиустановившемся состоянии суммарное загрязнение каждой геосферы i-ым веществом определяются с учетом его перераспределения в процессах взаимодействия геосфер:
Эти выражения определяют взаимосвязь с ОС всех источников (производств) по i-му виду воздействия с учетом его распространения (перераспределения) в ОС.
Критерий экологичности производства.
Если в рассматриваемой системе прямыми связями считать связи и взаимодействия, которые приводят к изменениям в ОС, то в качестве обратных связей следует рассматривать влияние ОС на мощность и производительность предприятий, на выбор технологии производства.
Для некоторых видов производства эти связи очевидны и учитывались на разных стадиях проектирования и эксплуатации, н-р, для добывающей отрасли. Но для большинства производств эти аспекты предстоит решать с развитием как отрасли, так и большой системы «Антропосфера». Н-р, с ростом мощностей ТЭС и по мере исчерпания водных ресурсов, условия ОС вынуждают отходить от прямоточного водоснабжения и создавать значительно более дорогие системы оборотного водоснабжения.
Необходим единый показатель, который позволил бы оценивать степень совершенства технологии производства с точки зрения взаимодействия с ОС.
Наиболее представительным и удобным критерием экологичности является коэффициент экологического действия (КЭД), т.е.степень совершенства технологии производства по каждому отдельному взаимодействию:
К = Вт/Вф = Вт/(Вт + Вп),
где Вт – теоретическое воздействие (изменение), необходимое для производства,
Вф – фактическое воздействие,
Вп – воздействие, определяемое конкретным производством.
По аналогии с КПД коэффициент экологического действия для изменений в пределах одного производства определяется их произведением:
К = К1·К2·К2·…·Кп,
где п – число изменений в пределах одного конкретного производства.
Максимальное значение КЭД, равное 1, определяется условием Вф = Вт, т.е. когда фактическое воздействие соответствует необходимому уровню, который определяется законами сохранения вещества и энергии.
Н-р, для производства единицы товарной продукции, состоящей из элементов Хт, Ут,…, которые должны быть извлечены из ресурсов ОС с теоретически необходимыми затратами энергии на их добычу Эдт, переработку Эпт, изготовление продукции Эит и т.д., в сумме
Э = Эдт + Эпт + Эит + …
В реальных условиях извлекают Хф, Уф,… и затрачивают Эдф, Эпф, Эиф,…
Доля полезного использования элемента Х, т.е.КЭД по Х составит:
К(Х) = Хт/Хф
Аналогично можно записать КЭД для всех других элементов (веществ, соединений).
По использованию энергии КЭД также определяется соотношением
К(Э) = Эт/Эф,
а КПД установок преобразования энергии можно считать частным случаем КЭД. Чем ниже значения КЭД, тем менее совершенно производство с точки зрения воздействия на ОС.
Если Вф ›› Вт, то К → 0, т.е. данное производство абсолютно не учитывает требований со стороны ОС.
Вф
   Вт
| Вп | |
       
| Впр | Вэкспл |
где Вф – фактическое воздействие,
Вт – теоретическое воздействие,
Вп – воздействие, определяемое конкретным производством,
Впр – технологическое воздействие, определяющее степень совершенства производства,
Вэкспл – эксплуатационное воздействие, определяющее степень внедрения мероприятий по снижению уровня отрицательных воздействий на ОС.
Технологические пути снижения вредного антропогенного воздействия промышленности:
· совершенствование с точки зрения экологии существующих технологических процессов;
· создание малоотходных (в идеале — безотходных) производств;
Инструментальные пути снижения вредного антропогенного воздействия промышленности:
· рециклинг, утилизация или очистка вредных выбросов, сбросов и отходов.
Наиболее простым и дешевым (хоть и не самым эффективным) является первый путь. Совершенствование существующих технологий должно проходить по всем направлениям производства, но главным образом это касается самого технологического процесса, аппаратуры, сырья, продукции и организации ее производства.
Совершенствование технологического процесса включает в себя:
· комплексное использование сырьевых и энергетических ресурсов. Как правило, более 30% стоимости сырья приходится на сопутствующие элементы. Например, в нефтеперерабатывающем производстве нефть очищается от серы, которая должна использоваться в химической промышленности; целесообразно использовать тепло уходящих из печей газов в котлах-утилизаторах для получения горячей воды или пара (в зависимости от нужд предприятия, и не только технологических). Использование ВЭР приносит двоякую экологическую пользу: снижает тепловое загрязнение атмосферы и косвенно уменьшает степень загрязнения окружающей среды за счет того, что для получения необходимого количества тепла и электроэнергии не требуется сжигать топливо с выбрасыванием в атмосферу СО2 и NOх;
· снижение количества стадий при проведении технологических процессов, так как на каждой стадии переработки сырья происходит его потеря и образуются отходы (чаще всего токсичные). Например, объединение при получении бензина нескольких процессов в одной ректификационной колонне приводит к экономии сырья и повышению экологичности процесса;
· внедрение непрерывных процессов, позволяющее снижать расход сырья и тепла. Например, при использовании непрерывного процесса разливки стали экономится более 30 % тепла, так как не требуется постоянно охлаждать и нагревать металлургические печи;
· автоматизацию и компьютеризацию производственных процессов. Это позволяет проводить процесс в узких рамках оптимальных технологических параметров, что, с одной стороны, сводит к минимуму потери сырья и топлива, а с другой — обеспечивает безопасность производства. В частности, при переработке нефти работа вручную не только не эффективна, но и невозможна;
· интенсификацию технологических процессов, позволяющую экономить время и энергоресурсы (без снижения качества выпускаемой продукции);
· создание комплексных энерготехнологических процессов. При увеличении производительности процесса это позволяет экономить сырье, материалы и энергоресурсы;
· максимально возможную замену первичных материальных и энергетических ресурсов на вторичные.
Для усовершенствования аппаратуры используются:
· разработка комбинированных аппаратов (например, многофункциональных ректификационных колонн). Это позволяет снизить расход материалов на их изготовление и экологизировать процесс;
· уменьшение габаритных размеров аппаратов при увеличении их производительности за счет оптимизации технологического процесса. Такие аппараты занимают меньшую производственную площадь, что снижает расходы на строительство производственных зданий;
· изготовление аппаратов повышенной герметичности, в частности, автоклавов (аппаратов, работающих под давлением). Во многих производствах (в том числе и при переработке нефти) утечка сырья и продукта может привести к экологической катастрофе;
· применение новых конструкционных материалов, позволяющих увеличить срок службы аппаратов за счет снижения скорости коррозии и уменьшить их габаритные размеры и массу.
Усовершенствование сырья, материалов и энергоресурсов включает в себя:
· научно-практическое обоснование качества ресурсов. Например, в производстве бензина не обязательно применять питьевую воду, ее можно заменить технической и использовать многократно;
· предварительную подготовку сырья и топлива. Это мероприятие удешевляет и улучшает технологический процесс, а также снижает его экологическую опасность (например, после извлечения серы из сырой нефти обессеривание мазута, подаваемого в котлы и печи, способствует резкому снижению выбросов SO2 в атмосферу);
· замену высокотоксичных материалов (ртути, кадмия, свинца) на менее ядовитые (при производстве красителей, катализаторов, электролита);
· замену привозного сырья на местное (например, добываемое попутно).
Усовершенствование готовой продукции включает в себя:
· обеспечение безопасности продукции в соответствии с нормами;
· увеличение срока службы продуктов производства;
· обеспечение регенерации (восстановления) и утилизации продукции;
· обеспечение удобства использования продукции.
СЫРЬЕ, ВОДА И ЭНЕРГИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Сырье – это вещества природного и искусственного происхождения, используемые в производстве промышленной продукции, один из важнейших элементов любого технологического процесса. Это сырой материал, предмет труда, на добычу или производство которого был затрачен труд (железная руда, хлопок, зерно и т.д.). Его качество, доступность и цена в значительной степени определяют основные показатели производственно-хозяйственной деятельности (прибыль, себестоимость, качество продукции и т.д.).
Ценность сырья зависит от уровня развития потребности техники (редкоземельные металлы, уран).
Первичное сырье – предмет, на который труд был затрачен впервые.
Вторичное сырье – отходы производства, физически или морально устаревшие предметы труда, подлежащие переработке.
Классификация сырья по различным признакам:
1. По составу:
а) органическое,
б) неорганическое (минеральное):
- рудное (рудные породы или минералы, содержащие металлы, которые целесообразно получать в технически чистом виде при существующем уровне развития техники и технологии).
Металлические руды имеют следующую классификацию:
- по количеству содержащихся металлов:
- монометаллические (целесообразно получать только один металл),
- биметаллические (возможно извлечение обоих металлов),
- полиметаллические (извлекаются более, чем два металла),
- по химическому составу минерала (в рудах металлы входят в состав различных химических соединений – оксидов, сульфидов, сульфатов, арсенатов и др.),
- по химическому составу пустой породы,
- по содержанию целевого компонента руды разделяют на руды черных, цветных и редких металлов;
- нерудное (все неорганическое сырье, использующееся в производстве химических (неметаллов – серы, фосфора и др., солей, минеральных удобрений), строительных и других неметаллических материалов, и не являющееся источником получения металлов, хотя металлы в своем составе содержит – апатиты, фосфориты, алюмосиликаты),
- топливное (органические природные ископаемые – уголь, торф, нефть и др., - которые используются как источник получения тепловой энергии (горючее) или как сырье в химической промышленности).
2. По происхождению:
а) природное сырье:
- органическое,
- минеральное,
б) искусственное сырье:
- органическое,
- минеральное.
3. По агрегатному состоянию:
- твердое (уголь, руды, торф, сланцы, древесина),
- жидкое (вода, нефть, соляные рассолы),
- газообразное (воздух, природные и промышленные газы).
Вода используется фактически во всех технологических процессах: в ряде производств является сырьем и реагентом, непосредственно участвующим в основных химических реакциях (производство водорода, хлора, гидроксида натрия, в реакциях гидролиза и т.д.). Во многих производствах химической, металлургической, пищевой, легкой промышленности вода используется как растворитель жидких, твердых и газообразных веществ.
Вода применяется для многих технологических целей: промывание твердых материалов, обогащение сырья флотацией и т.д.
Вода используется как теплоноситель (как нагревания, так и для охлаждения).
В некоторых производствах вода не потребляется, а образуется вследствие основных реакций (надсмольная вода при коксовании углей, при сухой перегонке древесины), при сжигании топлива, при окислении аммиака и других водородсодержащих веществ.
Для промышленных и бытовых нужд используется пресная вода (3% от общих запасов). Дефицит ее обусловлен:
- интенсивным развитием новых водопотребляющих производств,
- увеличением расхода на бытовые нужды.
Например, в традиционном производстве 1т стали используется 600м3 воды в производстве синтетических волокон – в 8 раз больше, завод капронового волокна расходует воды столько же, сколько город с населением 120 тыс.чел. Суточный расход воды на 1 человека в крупных городах равен 600-700л, в развивающихся странах – 50л.
К воде, используемой в технике и быту, предъявляются определенные требования по составу и свойствам. Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристиками:
- жесткость – содержание в воде солей Са и Мg. Различают три вида жесткости: временную, постоянную и общую. Временная (устранимая) обусловлена наличием в воде бикарбонатов Са и Мg. Эти соли сравнительно легко удаляются кипячением. Постоянная жесткость обусловлена наличием в ней хлоридов, сульфатов, нитратов Са и Мg;
- общее солесодержание или сухой остаток – масса солей, оставшихся после испарения воды и высушивания остатка при 105 –110˚С до постоянной массы. Сухой остаток выражается в мг на 1 л воды;
- прозрачность – определяется толщиной слоя воды, через который можно различить с или без помощи фотоэлемента определенное изображение;
- окисляемость – определяется массой КМпО4, взаимодействующего с 1 л воды при ее кипячении в течение 10 мин;
- кислотность и щелочность – характеризуется концентрацией водородных ионов или величиной рН;
- токсичность примесей;
- количество микроорганизмов, содержащееся в единице объема.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ.
Энергетические ресурсы (экономический термин) – это запасы природной энергии, которые при данном уровне техники и технологии экономически эффективно эксплуатировать в промышленных масштабах.
Все технологические процессы связаны с потреблением или выделением энергии или с превращением энергии одного вида в другой. Энергия необходима для проведения самого технологического процесса, для транспортировки сырья и готовой продукции, вспомогательных операций (сушка, дробление, фильтрование и т.д.), поэтому предприятия потребляют значительные количества энергии. В структуре себестоимости, например, химической продукции затраты энергии составляют около 10%, что свидетельствует о высокой энергоемкости.
В промышленности используются как возобновимые виды энергии, так и невозобновимые:
- электрическая,
- ядерная,
- тепловая,
- химическая (энергия экзотермических реакций, энергия гальванических элементов и аккумуляторов) и другие виды энергии,
- световая - используется в промышленности для создания фотоэлементов, фотоэлектрических датчиков, а также для реализации большого количества фотохимических процессов в технологии синтеза НСl, реакциях хлорирования, бромирования. Фотоэлектрические процессы, связанные с преобразованием световой энергии в электрическую, используются в системах управления и контроля технологических процессов.