Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин
Экология. Природа - Человек - Техника
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.
Глава 10. Экологизация производства
10.1. Принципы и технологии экологизации производства
Основные направления.
Начиная с 60-х годов экологическая ситуация и возрастание (в основном через
экономику и законодательство) экологических требований к ведению хозяйства
привели в разных странах к ряду изменений в промышленном производстве,
энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных
функций. Прежде часто беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства,
не подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось более
организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных
полигонов и хранилищ. Во многих случаях эта деятельность носила стихийный
характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения. Примером
может служить домпинг - «утопление» в водоемах, морях вредных химических
и радиоактивных отходов в емкостях или просто «навалом».
По
существу концентрированно и перемещение вредных веществ в пространстве или, наоборот,
их разбавление в больших объемах транспортирующих сред - воздуха и воды - до
сих пор остаются главными способами «охраны окружающей среды», хотя с
экологической точки зрения представляют собой «заметание сора под лавку». В
последние десятилетия это направление дополнилось довольно циничной
«экологической геополитикой», при которой опасные агенты экспортируются в
слаборазвитые страны - как в виде строительства там высокоотходных предприятий,
так и в форме натурных загрязнителей.
Более
прогрессивное направление - очистка выбросов и стоков от загрязнителей - по
мере совершенствования соответствующих технологий постепенно переходит к
улавливанию отходов уже в виде вторичного сырья, полезных материалов. Циклы
реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание
органических отходов с получением полезной энергии, переработку мусора в
компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий и др. Переориентация
различных производств на малоотходные циклы основана на создании совершенного
очистного и средозащитного оборудования, «экологизированной» техники,
мусороперерабатывающих агрегатов и предприятий. В ряде развитых стран такая
«экологическая промышленность» оказывается в ряду лидирующих производств,
заметно расширяет сферу занятости и приносит немалую прибыль. Возникает
ситуация, при которой экологические требования не противоречат экономическим
интересам, когда капитал приобретается не за счет ухудшения состояния среды, а
благодаря решению экологических проблем. Другими словами, происходит экологическая
конверсия производства.
Экологизация промышленного производства нацелена на одновременное повышение эффективности и
снижение его природоемкости. Она предполагает формирование прогрессивной
структуры общественного производства, ориентированной на увеличение доли
продукции конечного потребления при снижении ресурсоемкости и отходности
производственных процессов. Существует несколько принципиальных направлений
снижения природоемкости:
- изменение
отраслевой структуры производства с
уменьшением относительного и абсолютного количества природоемких высокоотходных
производств и исключением выпуска антиэкологичной продукции;
- кооперирование
разных производств с целью
максимального использования отходов в качестве вторичных ресурсов; создание производственных
объединений с высокой замкнутостью материальных потоков сырья, продукции и
отходов;
- смена
производственных технологий и
применение новых, более совершенных ресурсосберегающих и малоотходных
технологий;
- создание
и выпуск новых видов продукции с
длительным сроком жизни, пригодных для возвращения в производственный цикл
после физического и морального износа; сокращение выпуска расходных материалов;
- совершенствование
очистки производственных эмиссии и
транспортирующих сред от техногенных примесей с одновременной детоксикацией и
иммобилизацией конечных отходов; разработка и внедрение эффективных систем
улавливания и утилизации отходов.
Каждое из этих направлений в отдельности способно
решить лишь локальную задачу. Для снижения природоемкости производства в целом
необходимо объединение всех этих способов. При этом центральное место занимают
проблемы технологического перевооружения, внедрения малоотходных технологий,
экономического и технического контроля экологизации.
Экологизация энергетики
помимо требований, относящихся к промышленному производству, предполагает
осуществление разнообразных мер, которые направлены на:
- постепенное
сокращение всех способов получения энергии на основе химических источников,
т.е. с помощью экзотермических химических реакций, в том числе окислительных и
электрохимических, и в первую очередь - сжигания любого топлива;
- максимальную
замену химических источников природными возобновимыми источниками энергии,
среди которых ведущая роль должна принадлежать солнечной энергии.
О
соответствующих ресурсах и технических возможностях уже говорилось (гл.5). В
идеале единственным действительно экологичным химическим топливом может стать
только водород, полученный на основе ге-лиоэнергетического фотолиза воды. Что
касается ядерной, в том числе и будущей термоядерной энергетики (на основе того
же водорода, но в существенно меньшем количестве), то даже при абсолютном
устранении всех форм радиационного загрязнения (что весьма проблематично) ocraeft ся неустранимое тепловое загрязнение экосферы.
Экологизация
энергетики в рамках преобразования ее топливных ресурсов содержит множество
резервов и принципиальных технических решений - от общего сокращения объема
энергетики на основе всех форм экономии энергии до изменения структуры
использования топлив и технологий преобразования энергии. Сейчас уже и
энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации
энергетики является не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько
требования глобальной экологии.
Экологизация транспорта
предполагает:
- включение
экологических требований в организацию транспортных потоков с целью уменьшения
транспортного загрязнения за счет сокращения холостых пробегов и рационализации
маршрутов;
- подавление
тенденции индивидуализации транспортных средств и содействие развитию
комфортного и экономичного общественного транспорта с целью уменьшения общего
числа транспортных единиц:
- создание
новых транспортных средств и замена одних средств транспорта другими, более
экологичными, а также создание новых, более экологичных двигателей для
имеющихся транспортных средств;
- разработка
и применение более безопасных топлив или других энергоисточников; замена
вредных топливных присадок каталитическими средствами оптимизации сжигания;
дожигание и очистка выхлопов двигателей внутреннего сгорания;
- пассивная
и активная защита от шума.
Все
эти меры очень важны, так как без них общая природоемкость транспорта в скором
времени может превзойти природоемкость стационарной энергетики и промышленного
производства.
Экологизация сельского хозяйства еще в недавнем прошлом казалась бы излишним требованием, так как
неиндустриализированное земледелие и животноводство были по существу самой
экологичной областью хозяйственной деятельности человека. Однако в XX веке
произошло быстрое превращение сельского хозяйства в агропромышленное
производство со всеми последствиями механизации и химизации. Индустриализация
агрокомплексов и ферм, широкое применение минеральных удобрений и ядохимикатов
повысили удельную продуктивность агроценозов, но снизили их экологичность и
экологические качества сельскохозяйственной продукции. Для преодоления этой
тенденции необходим комплекс мер, который помимо требований экологизации,
характерных для промышленности, включает также:
- ограничение
использования солевых форм минеральных удобрений и замена их специально
трансформированными органическими удобрениями и колловдированными
органоминеральными смесями (эту технологию иногда обозначают как
«биологическое» или «органическое» земледелие);
- минимизацию
применения пестицидов и максимальную замену их биологическими средствами борьбы
с вредителями;
- исключение
гормональных стимуляторов и химических добавок при кормлении животных;
- предельную
осторожность в использовании трансгенных форм сельскохозяйственных растений и
других продуктов генной инженерии;
- применение
наиболее щадящих методов обработки земли. Дальнейшее изложение касается в
основном средств экологизации промышленного производства.
Модели производственных процессов с точки зрения экологии. Любой производственный процесс представляет собой
некоторую систему, органически связанную с внешней средой. Такая
производственная система получает из окружающей среды исходное сырье,
материалы, энергию, а отдает в нее готовую продукцию и всевозможные отходы.
Функционирование системы осуществляется благодаря потоку энергии, подводимой
извне (электрической, солнечной и т.п.) либо генерируемой внутри системы за
счет физико-химических процессов. К отходам относятся все вещества и материалы,
тепловые выбросы, физические и биологические агенты, которые попадают во
внешнюю среду и в дальнейшем уже не участвуют в получении продукции или
энергии.
Рис.
10.1. Принципиальные модели технологических процессов:
А - незамкнутый; Б - замкнутый; В - изолированный
Если
пользоваться представлениями термодинамики, то, как и все системы,
технологические процессы в принципе подразделяются на три категории:
незамкнутые (открытые), замкнутые и изолированные. Они представлены на рис.
10.1 в виде блоковых моделей. Абсолютное большинство реальных технологических
процессов относятся к категории незамкнутых (рис. 10.1, А). Замкнутыми
считаются такие системы, у которых отсутствует обмен с внешней средой
веществом, но возможен обмен
энергией.
Технологическим аналогом замкнутой системы может служить такой процесс, в
котором полностью отсутствуют отходы химических веществ - твердые, жидкие и
газообразные выбросы (рис. 10.1, Б). Например, конечная сборка изделия из
готовых деталей. При этом обмен с внешней средой исходным сырьем и готовой
продукцией во внимание не принимается, хотя продукцию также можно рассматривать
как отложенный отход. Теоретически возможны и изолированные процессы,
которые не дают ни материальных, ни энергетических отходов (рис. 10.1, В).
В
общем случае все технологические процессы можно рассматривать с точки зрения
их экологического соответствия. Относительно экологичными можно
считать такие технологические процессы и производства, воздействие которых на
окружающую среду в рамках определенных количественных соотношений не нарушает
нормального функционирования природных экосистем. Неэкологичные
техпроцессы создают повышенную техногенную нагрузку и оказывает негативное
воздействие на состояние окружающей природной среды.
Неэкологичным
может быть любой технологический процесс. Так, замкнутый техпроцесс, не имеющий
отвода химических веществ в окружающую среду, нельзя считать экологичным, если
он сопровождается вредными физическими воздействиями: тепловыми выбросами,
шумами, электромагнитными полями и т.п.
Экологичность
производственных процессов можно оценить с помощью метода сырьевых балансов,
который основан на законах сохранения: масса всех используемых ресурсов
(сырья, топлива, воды и т.п.) в конечном итоге равна массе готовых продуктов и
промышленных отходов. Рассмотрим схемы материальных потоков в производствах
разной степени замкнутости (рис. 10.2). Приняты следующие обозначения:
R - поток ресурсов (исходное сырье, основные и
вспомогательные материалы, полуфабрикаты);
W - поток отходов (химические вещества и энергия),
загрязняющий среду и уносящий определенную часть полезных ресурсов;
Wy - поток уловленных отходов;
Р
- поток готовой продукции.
Незамкнутому производственному процессу (рис. 10.2, А)
соответствует следующее уравнение материально-технического баланса:
R = Р + W = (R – Wy) + W. (10.1)
Скобки
в уравнении указывают на единство потока (ресурсов и отходов). «Отходность
производства» можно оценить по коэффициенту Котх = W/R.
Соответственно коэффициент безотходности Кб = Р/R. Производственный
процесс, предусматривающий очистку загрязняющих потоков, представлен схемой
10.2, Б, а при использовании уловленных веществ Wy в
качестве вторичного сырья - схемой 10.2, В. В последнем случае
материально-технический баланс описывается системой уравнений:
(R + Wy) = (R + Wy - W)+W;
W = (W - Wy) + Wy.
В
замкнутом производственном цикле
(рис. 10.2, Г) происходит полная переработка и утилизация потока отходов Wy, который
вновь возвращается в сферу производства. Здесь потоки W и Wy количественно равны, а поток готовой продукции Р соответствует
потоку R.
В
ряде работ рассматриваются математические модели экологичности техпроцессов с
различными схемами входных, промежуточных и выходных потоков. В качестве
характеристик потоков принимаются не только массовые расходы вещества, но и его
концентрации, температура, давление, расход тепла и другие физические
параметры, связанные между собой балансовыми уравнениями. Методы моделирования
производственных процессов оказываются полезными при решении задач оптимизации
технологий по экологическим критериям.
Рис. 10.2. Материальные потоки в производственных
процессах различной степени замкнутости
|