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 зренияих 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;

W_y - поток уловленных отходов;

Р - поток готовой продукции.

Незамкнутому производственному процессу (рис. 10.2, А) соответствует следующее уравнение материально-технического баланса:

R = Р + W = (R – W_y) + W.(10.1)

Скобки в уравнении указывают на единство потока (ресурсов и отходов). «Отходность производства» можно оценить по коэффициенту К_отх ⁼ W/R. Соответственно коэффициент безотходности К_б = Р/R. Производственный процесс, предусматривающий очистку загрязняющих потоков, представлен схемой 10.2, Б, а при использовании уловленных веществ W_y в качестве вторичного сырья - схемой 10.2, В. В последнем случае материально-технический баланс описывается системой уравнений:

(R + W_y) = (R + W_y - W)+W;

W = (W - W_y) + W_y.

В замкнутом производственном цикле (рис. 10.2, Г) происходит полная переработка и утилизация потока отходов W_y, который вновь возвращается в сферу производства. Здесь потоки Wи W_y 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