/
Автор: Кривошеин Д.А. Дмитренко В.П. Федотова Н.В.
Теги: человек и окружающая среда экология человека охрана природы экология экологическая безопасность техника безопасности учебное пособие для вузов
ISBN: 978-5-8114-1816-9
Год: 2015
Текст
• САНКТ-ПЕТЕРБУРГ •
•МОСКВА*
•КРАСНОДАР•
2015
Д. А. КРИВОШЕИН,
В. П. ДМИТРЕНКО, Н. В. ФЕДОТОВА
ОСНОВЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВ
ДОПУЩЕНО
УМО вузов по университетскому
политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлению «Техносферная безопасность»
(квалификация (степень) «бакалавр», «магистр»)
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ • МОСКВА • КРАСНОДАР
2015
ББК 20.1я73
К 82
Кривошеин Д. А., Дмитренко В. IL, Федотова Н. В.
К 82 Основы экологической безопасности производств:
Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань»,
2015. — 336 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специ¬
альная литература).
ISBN 978-5-8114-1816-9
Учебное пособие создано в соответствии с требованиями Феде¬
рального государственного образовательного стандарта по направ¬
лению «Техносферная безопасность» (квалификация «бакалавр»).
Изложены основы курса «Основы экологической безопасно¬
сти производств».
Предлагаемое пособие обобщает и систематизирует понятия
опасности и безопасности в экологической сфере, инженерные
методы обеспечения экологической безопасности, критерии бе¬
зопасности, безотходности и экологичности производств, термо¬
динамический подход к оценке техногенного воздействия на ок¬
ружающую среду и технологические основы экологической безо¬
пасности.
Для студентов учреждений высшего профессионального об¬
разования.
ББК 20.1я73
Рецензенты:
Г. П. ПАВЛИХИН — доктор технических наук, профессор кафед¬
ры «Экология и промышленная безопасность» МГТУ им. Н. Э. Бау¬
мана; Е. В. СОТНИКОВА — кандидат химических наук, про¬
фессор кафедры «Экологическая безопасность автомобильного
транспорта» Московского государственного университета маши¬
ностроения (МАМИ); Н. И. КУЖАНОВА — доктор педагогичес¬
ких наук, зав. кафедрой «Техносферная безопасность» Псковс¬
кого государственного университета.
Обложка
Е. А. ВЛАСОВА
Охраняется законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение всей книги или любой ее части
запрещается без письменного разрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
© Издательство «Лань», 2015
© Д. А. Кривошеин, В. П. Дмитренко,
Н. В. Федотова, 2015
© Издательство «Лань», художественное
оформление, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Экологическая безопасность — это совокупность действий,
состояний и процессов, прямо или косвенно не приводя¬
щих к жизненно важным ущербам (или угрозам таких
ущербов), наносимых природной среде, отдельным людям
и человечеству. Обеспечение экологической безопасности
включает систему мер и действий по предотвращению раз¬
вития экологически опасных ситуаций и ликвидации их
последствий.
В учебном пособии рассмотрены как теоретические,
так и технологические основы обеспечения экологичес¬
кой безопасности. Приведены объекты и уровни безопас¬
ности в экологической сфере, обзор инженерных методов
обеспечения экологической безопасности, рассмотрена
оценка их эффективности с применением различных спо¬
собов, включая термодинамический. В технологической
части значительное место уделено различным видам ре-
циклинга материалов, а также термическому уничтоже¬
нию отходов.
Содержание книги является основой курсов «Теоре¬
тические основы экологической безопасности», «Эколо¬
гическая экспертиза, ОВОС и сертификация», «Эксперти¬
за безопасности», «Организация работ по экологической
стандартизации, аудиту и сертификации», подготовлен¬
ных на основе длительного преподавания МАТИ — РГТУ
имени К. Э. Циолковского. Система изложения данного
6
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
материала отражает методику чтения лекций на кафедре
«Промышленная экология и безопасность производства»
при подготовке бакалавров и магистров по направлению
«Техносферная безопасность».
Авторы надеются, что учебное пособие будет полезно
не только студентам экологических специальностей, но и
инженерно-техническим работникам машиностроитель¬
ных предприятий, работникам природоохранных органов,
а также сотрудникам органов муниципального, региональ¬
ного и отраслевого управления.
Авторы с благодарностью примут замечания и поже¬
лания читателей.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ
В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
l.i.
ПОНЯТИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОПАСНОСТЕЙ
Опасность — это явления, процессы, объекты, способные
в определенных условиях наносить ущерб здоровью чело¬
века непосредственно или косвенно, т. е. оказывать неже¬
лательные последствия:
• процессы, явления, предметы, оказывающие негатив¬
ное воздействие на жизнь и здоровье человека;
• негативные свойства системы «человек — среда обита¬
ния» , способные причинять ущерб и обусловленные энер¬
гетическим состоянием среды и действиями человека.
В последнем определении понятие «среда обитания»
идентично понятию «окружающая среда», включающе¬
му в себя термины «биосфера» и «техносфера»*.
Приведенные определения достаточно полно характе¬
ризуют термин «опасность», однако хотелось бы указать
еще одну особенность опасности: при действии на среду
обитания она приводит к увеличению степени беспорядка
(хаоса) в биосфере и техносфере, снижая существенную
упорядоченность (разрушая структуру). Здесь под упоря¬
доченностью понимается взаимная корреляция (связь)
элементов био- и техносферы, образующая структуру, спо¬
собную функционировать в пространстве и во времени.
* Биосфера — нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и нижняя
часть литосферы, населенная живыми организмами, а техносфера —
часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в тех¬
нические и техногенные объекты (здания, сооружения, дороги и т. д.).
8
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
При действии опасности происходит частичное или полное
разрушение структуры, уменьшается ее упорядоченность,
снижается или прекращается способность к функциони¬
рованию. Пример такого уменьшения упорядоченности
структуры — состояние города или региона, подвергше¬
гося воздействию стихийного бедствия или техногенной
(экологической) катастрофы.
Оценить состояние упорядоченности указанных сис¬
тем возможно с использованием понятия энтропии* при
ее расширенном толковании. Исходя из вышеизложенно¬
го, опасность — это процесс, явление, объект, антропоген¬
ное воздействие** или их комбинация, нарушающие или
способные нарушить устойчивое состояние среды обита¬
ния, снизить ее упорядоченность, а также угрожающие
здоровью и жизни человека. Под устойчивым состоянием
среды обитания здесь понимается сохранение ее структу¬
ры и возможности функционирования как в пространстве,
так и во времени.
Кроме того, опасность можно трактовать как состоя¬
ние, при котором возможность осуществления некоторых
условий наступления неблагоприятных событий и процес¬
сов становится реальной. С понятием опасности, особенно
при рассмотрении вопросов техногенной, экологической или
национальной безопасности, связано понятие угрозы. В ши¬
роком смысле под угрозой понимается возможная опасность
или возможная реализация той или иной опасности. В кон¬
тексте национальной безопасности — это объективно суще¬
ствующая возможность нанесения какого-либо ущерба лич¬
ности, обществу, государству. Объединяя два приведенных
понятия, можно говорить об угрозе той или иной опаснос¬
ти, а при возникновении опасности — об угрозе жизненно
важным интересам личности, общества, государства.
Опасностью обладают все системы, имеющие энергию,
химически или биологически активные компоненты, а так¬
же характеристики, не соответствующие условиям жизне¬
деятельности (т. е. повседневной деятельности) человека.
* Энтропия — это функция состояния системы, являющаяся мерой
ее неупорядоченности.
** Антропогенное воздействие связано с деятельностью человека.
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
9
Достаточно полной классификации и систематизации
опасностей в настоящее время не существует, однако опас¬
ности делятся:
• по источнику происхождения — на природные, тех¬
нические, антропогенные, экологические, смешанные.
Различают физические, химические, биологические и
психофизические группы опасностей;
• по времени проявления негативных последствий опас¬
ности — на импульсные (действия проявляются сра¬
зу) и кумулятивные (их отрицательные последствия
накапливаются);
• по месту действия (локализации) — на действующие в
литосфере (твердой оболочке Земли), гидросфере (ее вод¬
ной оболочки), в атмосфере и космосе.
Последствия действия опасностей — ухудшение состо¬
яния или разрушение среды обитания, а также негатив¬
ные воздействия, оказываемые на людей, проявляющие¬
ся в утомлении, заболеваниях, травмах и летальных ис¬
ходах.
Опасности могут проявляться в окружающей природ¬
ной среде, в процессе трудовой деятельности человека,
в быту, чрезвычайных ситуациях и других сферах.
По структуре опасности можно подразделять на про¬
стые (элементарные) и производные (комбинированные),
появляющиеся вследствие возникновения простых.
По характеру воздействия на человека различаются
активные и пассивные опасности. Первые из них оказыва¬
ют воздействие на человека за счет своей внутренней энер¬
гии (например, различные стихийные бедствия), а вторые
активизируются за счет энергии, носителем которой выс¬
тупает сам человек (например, неподвижные колющие и
режущие предметы, гололед и другие помехи при ходьбе
человека и др.).
Многие из опасностей носят скрытый (потенциальный)
характер и их необходимо обнаружить (идентифициро¬
вать). Под идентификацией опасностей понимают процесс
обнаружения и установления количественных, времен¬
ных, пространственных и иных характеристик, необхо¬
димых и достаточных для разработки профилактических
10
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
и оперативных мероприятий, направленных на обеспече¬
ние безопасной жизнедеятельности. Потенциальные опас¬
ности реализуются в определенных условиях, которые
называют причинами. Причины характеризуют совокуп¬
ность обстоятельств, в результате которых опасности про¬
являются и вызывают те или иные нежелательные послед¬
ствия, например экологический или экономический ущерб,
травмы, заболевания и др.
Превращение потенциальной опасности в реальную про¬
исходит в результате протекания процесса «опасность —
причины — нежелательные последствия». Например:
(опасность)
(причина)
(нежелательные
последствия)
Чаще всего нежелательные последствия вызывает ком¬
бинация нескольких опасностей. Нередко одна и та же
опасность может реализовываться в нежелательное собы¬
тие через разные причины.
Важную роль при изучении данного курса играют по¬
нятия техногенной и экологической опасностей.
Под техногенной опасностью понимается такое состо¬
яние техногенных комплексов и их составляющих, при
котором возможны аварии и катастрофы на промышлен¬
ных и других объектах и угроза жизненно важным эле¬
ментам личности, обществу и окружающей природной
среде становится реальной.
Основные источники техногенной опасности:
1) хозяйственная деятельность человека, направленная
на получение разнообразной продукции и энергии, разви¬
тие энергетики, промышленности, транспорта и т. д.;
2) объективный рост сложности производства, обуслов¬
ленный внедрением новых технологий, требующих высо¬
ких концентраций энергий, опасных для жизни человека
веществ и материалов, оказывающих ощутимое воздей¬
ствие на компоненты окружающей природной среды;
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
11
3) утрата надежности оборудованием, транспортными
средствами, несовершенство и устаревание технологий,
снижение технологической и трудовой дисциплины;
4) опасные природные процессы и явления, способные
вызвать аварии и катастрофы на промышленных и дру¬
гих объектах.
Для России, в силу ее особенностей, связанных со струк¬
турными изменениями в экономике, источниками техно¬
генной опасности выступают:
1) остановка ряда производств, нарушение хозяйствен¬
ных связей, разрыв технологических цепочек;
2) прогрессирующий уровень износа основных произ¬
водственных средств, по ряду отраслей достигающих 80%
и более;
3) накопление отходов производства и энергетики, в том
числе и радиоактивных, являющихся источником распро¬
странения вредных веществ в окружающей среде;
4) снижение требовательности и эффективности рабо¬
ты надзорных органов и государственной инспекции;
5) отсутствие или недостаточный уровень предупреди¬
тельных мероприятий по уменьшению масштабов послед¬
ствий чрезвычайных ситуаций, снижению риска их воз¬
никновения.
Перечисленные причины повышают риск возникнове¬
ния в России аварий и катастроф техногенного характера
во всех сферах хозяйственной деятельности.
Реализация техногенных опасностей в первую очередь
наносит ущерб окружающей среде. Таким образом, фак¬
торы техногенной опасности служат источниками возник¬
новения экологической опасности.
Экологическую опасность можно определить как со¬
четание компонентов окружающей природной среды,
природно-хозяйственных и иных подобных комплексов,
природных образований и экосистем, подвергшихся ан¬
тропогенным и природным воздействиям, при которой
возникает угроза интересам личности, общества и госу¬
дарства в экологической сфере.
Источники экологической опасности можно подразде¬
лить на прямые и косвенные.
12
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Прямые источники — это прежде всего разного рода
критические состояния природной среды, возникшие ес¬
тественным путем, которые способны вызвать видовые,
структурные изменения в экосистемах, нарушение их рав¬
новесий и прочие негативные последствия. К ним могут
быть отнесены изменения климатических условий, исто¬
щение озонового слоя, парниковый эффект и др.
Косвенные источники экологической опасности фор¬
мируются за счет техногенных, военных, социально-эко¬
номических и природных факторов опасности. Например,
возникшее при техногенной аварии радиоактивное или
химическое загрязнение окружающей среды становится
в свою очередь источником экологической опасности.
В монографии А. А. Быкова и Н. В. Мурзина представ¬
лены альтернативные определения терминов «опасность»,
«техногенная опасность» и «экологическая опасность».
Под термином «опасность» понимается любой фактор,
воздействие которого может привести к неблагоприятно¬
му отклонению здоровья человека или состояния окружа¬
ющей среды от их среднестатистических значений. При¬
рода этих факторов связана как с причинами естественно¬
го, природного характера (с природными катастрофами,
недостаточным уровнем питания, здравоохранения, обра¬
зования и т. д.), так и с причинами техногенного характе¬
ра (с повышенным уровнем загрязнения окружающей сре¬
ды в результате производственной деятельности, с авари¬
ями на производстве и т. д.).
Техногенная опасность — любой фактор техногенного
действия, который может привести к нарушению жизне¬
деятельности человека, общества и окружающей среды.
Экологическая опасность — любой фактор экологи¬
ческого воздействия, в результате которого могут произой¬
ти изменения в окружающей среде и вследствие этого из¬
менятся условия существования человека и общества.
Экологическая опасность в нашей стране связывается
также с угрозой истощения природных ресурсов и ухуд¬
шением в связи с этим экологической ситуации. Кроме
того, в последнее время нарастает тенденция использова¬
ния территории России в качестве места захоронения опас¬
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
13
ных для окружающей среды материалов, веществ и отхо¬
дов, в том числе радиоактивных, а также размещение на
российской территории вредных производств.
Центральное место в учении об опасности занимает
аксиома о потенциальной опасности деятельности, бази¬
рующаяся на опыте человечества: любая деятельность по¬
тенциально опасна; ни в одном виде деятельности невоз¬
можно достичь абсолютной безопасности. Из этой аксио¬
мы вытекает важный для практики вывод: не существует
абсолютно безопасного вида деятельности человека.
Кроме того, в результате действия опасности уменьша¬
ется упорядоченность среды обитания, а с нарастанием бес¬
порядка увеличивается энтропия. Рассмотренная концепция
основана на эмпирических данных и не противоречит вто¬
рому началу термодинамики, которое формулируется сле¬
дующим образом: естественные процессы сопровождаются
возрастанием энтропии Вселенной (принцип энтропии).
Согласно Г. Николису и И. Пригожину, величину из¬
менения энтропии dS в открытой системе за интервал вре¬
мени dt можно записать в виде
dS = deS + dtS, (1.1)
где deS — поток энтропии, обусловленный обменом энер¬
гией и веществом с окружающей средой; dtS — производ¬
ство энтропии внутри системы, обусловленное необрати¬
мыми естественными процессами.
Известно, что dtS > 0 (в изолированной системе dtS = 0).
Величина deS не имеет определенного знака; за счет зат¬
рат вещества и энергии возможно создать отрицательный
поток энтропии извне (deS < 0) и добиться локального
уменьшения энтропии в системе (при |deS| > \dtS\).
В процессе своей жизнедеятельности человек создает
в определенной системе (среде обитания) упорядоченные
структуры (в первую очередь предметы материальной де¬
ятельности), затрачивая энергию, необходимую для об¬
разования локального отрицательного потока энтропии
извне. Однако использование энергии, особенно высоко¬
концентрированной (и вещества для ее производства), по¬
тенциально опасно.
14
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
1.2.
ПОНЯТИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Понятие «безопасность» в современной литературе
характеризуется по-разному.
Так, под безопасностью понимается состояние деятель¬
ности, при которой с определенной вероятностью исклю¬
чаются потенциальные опасности, влияющие на здоровье
человека.
Безопасность — это свойство системы «человек — сре¬
да обитания» сохранять условия взаимодействия с мини¬
мальной возможностью возникновения ущерба людским,
природным и материальным ресурсам. Это состояние объек¬
та защиты, при котором воздействие на него всех потоков
вещества, энергии и информации не превышает макси¬
мально допустимых значений. Системы безопасности по
объектам защиты делятся на: систему личной и коллек¬
тивной безопасности человека в процессе жизнедеятель¬
ности, систему техногенной безопасности, систему эколо¬
гической безопасности, систему национальной безопасно¬
сти, систему глобальной безопасности.
Экологическая безопасность — состояние защищенно¬
сти жизненно важных интересов личности, общества, за¬
щищенности окружающей природной среды от угроз, воз¬
никающих в результате антропогенных и природных воз¬
действий на нее.
Экологическая безопасность предполагает, что такие
жизненно важные интересы, как совокупность потребнос¬
тей, удовлетворение которых обеспечивают само существо¬
вание и возможность прогрессивного развития личности,
общества, государства, в экологической сфере гарантиро¬
ванно обеспечивается благоприятным состоянием окружа¬
ющей природной среды, при котором достигаются:
• максимально высокие показатели здоровья людей;
• полное удовлетворение всех потребностей человека и
живых организмов;
• максимально возможная величина интегрального по¬
казателя качества здоровья — среднестатистической
ожидаемой продолжительности жизни.
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
15
Обеспечение экологической безопасности включает
систему мер и действий по предотвращению возникновения
и развития экологически опасных ситуаций и ликвидации
их последствий, в том числе и отдаленных, по защите жиз¬
ни и здоровья граждан, а также окружающей природной
среды. К числу приоритетных направлений обеспечения эко¬
логической безопасности относятся: борьба с загрязнения¬
ми природной среды за счет повышения степени безопаснос¬
ти технологий, связанных с захоронением и утилизацией
промышленных и бытовых отходов; борьба с радиоактив¬
ным загрязнением окружающей среды; создание эколо¬
гически чистых технологий, транспорта и энергетики;
рациональное использование природных ресурсов и др.
Графическое представление понятий «опасность» и
«безопасность» в экологической сфере и связанных с ними
терминов представлено на рисунке 1.1.
Как следует из представленного рисунка, при рассмот¬
рении вопросов техногенной и экологической безопаснос¬
ти существенными являются взаимозависимые и комплек¬
сные воздействия на окружающую среду и возникающие
при этом синергетические и кумулятивные эффекты.
Например, авария на промышленном предприятии мо¬
жет привести к прямому действию поражающих факторов
на население, природные объекты, на другие предприятия.
Одним из важнейших объектов экологической безо¬
пасности является предприятие, а другим — природные
объекты, пользование которыми осуществляет предпри¬
ятие в процессе своей деятельности.
Проблема безопасности в экологической сфере может
быть решена только при комплексном применении мер
правового, организационного, эколого-экономического,
инженерно-технического и иного характера обеспечения
(по А. Н. Никитину и С. А. Степанову):
• промышленной (а точнее, техногенной безопасности
самого предприятия от внутренних угроз);
• техногенной безопасности окружающей среды (в част¬
ности, от угроз техногенного характера со стороны
предприятия);
• экологической безопасности предприятия.
16
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 1.1
Опасность и безопасность в экологической сфере
Следует указать, что здесь техногенная безопасность
окружающей среды рассматривается как состояние ее за¬
щищенности от негативного воздействия деятельности
предприятия.
Объекты и уровни безопасности в экологической сфе¬
ре представлены на рисунке 1.2.
Исходя из этой классификации, в данном учебном по¬
собии будут подробно рассмотрены вопросы локальной
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
17
Рис. 1.2
Объекты и уровни безопасности в экологической сфере
18
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
безопасности в экологической сфере как конкретных пред¬
приятий, так и природных объектов.
Укажем также, что в законодательстве РФ и в других
юридических документах экологически безопасными счи¬
таются деятельность, промышленно-производственный
объект, его продукция, работа или услуги, удовлетворяю¬
щие экологическим требованиям, закрепленными юриди¬
ческими нормами.
Так, Законом «Об охране окружающей природной сре¬
ды» принятие предприятиями, организациями, учрежде¬
ниями, гражданами эффективных мер по соблюдению
технологического режима, установленных нормативов
качества окружающей среды на основе использования ут¬
вержденных технологий, надежной и эффективной рабо¬
ты очистных устройств и т. д. является основанием для
констатации наличия «экологически безопасных техно¬
логий и производств», «экологически безопасных видов
топлива», «экологически безопасного удаления, перера¬
ботки либо захоронения коммунально-бытовых отходов»,
«экологически безвредных химических веществ» и т. д.
Федеральный закон «Об экологической экспертизе»
закрепляет экологические требования к намечаемой хо¬
зяйственной и иной деятельности в виде одного из прин¬
ципов экологической экспертизы — презумпции потенци¬
альной экологической опасности деятельности (ст. 3). При
этом предполагается, что соответствие намечаемой хозяй¬
ственной и иной деятельности экологическим требовани¬
ям свидетельствует о ее экологической безопасности.
В документе «О государственной стратегии РФ по ох¬
ране окружающей среды и обеспечению устойчивого раз¬
вития» (1994) основные направления деятельности пре¬
дусматривают «экологически обоснованное размещение
производительных сил, экологически безопасное разви¬
тие промышленности, энергетики, транспорта, комму¬
нального хозяйства, сельского хозяйства» и т. д.
Приведенные формулировки допускают неоднознач¬
ность их толкования: под этим понимается либо размеще¬
ние, развитие промышленности и других отраслей, при
котором исключается негативное воздействие предприя¬
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
19
тий на окружающую среду, либо обеспечение состояния
защищенности промышленных объектов от угроз со сто¬
роны загрязненных природных объектов.
В указанных выше нормативных правовых актах эко¬
логические требования предъявляются к источникам
техногенной опасности. Слово «экологические» означа¬
ет лишь то, что соблюдение этих требований ориентиро¬
вано на недопущение антропогенного воздействия на ок¬
ружающую среду, т. е. на недопущение возникновения ис¬
точников техногенной опасности: промышленной, при
использовании атомной энергии, радиационной, пожар¬
ной, технологической, технической и иных видов.
1.3.
ФАКТОРЫ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Понятие экологической безопасности тесно связано с
термином антропогенного воздействия на окружающую
среду. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Современные количественные и качественные измене¬
ния в состоянии окружающей среды и ее природных ре¬
сурсов, происходящие под влиянием хозяйственной дея¬
тельности, в основном определяются рядом факторов, ко¬
торые перечислены ниже.
1. Добыча углеводородного топлива, рудных и инерт¬
ных материалов, забор воды, заготовка древесины, охот¬
ничий и рыболовный промыслы, сбор дикорастущих пло¬
дов и растений, выпас скота на естественных пастбищах и
многое другое, связанное непосредственно с изъятием при¬
родных ресурсов.
2. Ведение строительных, геологоразведочных, водо¬
хозяйственных, мелиоративных, агротехнических и дру¬
гих сельскохозяйственных работ, транспортировка грузов
и ряд других направлений деятельности, связанной со
строительной индустрией и транспортом.
3. Переработка полезных ископаемых, лесной и сель¬
скохозяйственной продукции, выработка тепловой и элек¬
трической энергии и ведение других видов промышленной
20
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
деятельности, сопровождаемых поступлением в природ¬
ную среду газообразных, жидких и твердых отходов, а так¬
же избыточного тепла.
4. Размещение отходов добычи, переработки и исполь¬
зования природного сырья, а также продуктов промыш¬
ленности и сельского хозяйства.
5. Воздействие химических средств защиты растений,
минеральных и других удобрений, электромагнитных из¬
лучений и полей, шума, вибрации, ионизирующих излу¬
чений и других видов загрязнения окружающей среды.
Последствия техногенного, агрохимического и других
видов антропогенного пресса на природную среду чаще
всего проявляются в форме нарушения равновесия при¬
родных экосистем, их загрязнения, обеднения видового и
популяционного разнообразия, снижения их способности
к самовосстановлению и эффективности функционирова¬
ния в процессе поддержания качества пресных и морских
вод, воздуха и почв.
Сегодня можно смело сказать, что природа преобразо¬
вана уже в той ее части, что доступна при данном разви¬
тии производительных сил. Сохранилось не так уж много
территорий, где нет следов деятельности человека. Явное
присутствие людей не отмечено примерно на 1/3 площади
суши. При этом доля свободной от людей территории в
Северной Америке составляет 37,5%, в странах СНГ —
33,6%, в Австралии и Океании — 27,8, в Африке — 27,5,
в Южной Америке — 20,8, в Азии — 18,6 и в Европе —
2,8%; Антарктида практически не затронута человеком.
Сегодня достаточно сложно ранжировать хозяйствен¬
ную деятельность по степени ее экологической опасности
для окружающей среды — это зависит от очень многих
факторов и носит ярко выраженный региональный харак¬
тер. Вместе с тем, по материалам Международной конвен¬
ции об оценке воздействия на окружающую среду в транс¬
граничном контексте (1991), экологически опасными при¬
знаны следующие виды производств и объектов:
• атомная промышленность (установки, предназначен¬
ные для производства обогащенного ядерного топ¬
лива, регенерации отработанного ядерного топлива
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
21
или сбора, удаления и переработки радиоактивных от¬
ходов);
• энергетика (атомные, гидравлические и тепловые элек¬
тростанции, крупные установки для сжигания топлива);
• черная и цветная металлургия (установки для домен¬
ного и мартеновского производств, предприятия чер¬
ной и цветной металлургии, машиностроительные и
металлообрабатывающие предприятия);
• нефтехимия, нефте- и газопереработка;
• химическая промышленность (химические комбина¬
ты, производство асбеста, стекла, минеральных удоб¬
рений, пестицидов и др.);
• добыча полезных ископаемых (включая нефть и газ);
• транспортировка нефти и газа, продуктов их перера¬
ботки;
• производство целлюлозы, бумаги, картона;
• транспортировка, хранение, утилизация и захороне¬
ние токсичных и ядовитых отходов;
• производство, хранение, транспортировка и уничтоже¬
ние боеприпасов, взрывчатых веществ и ракетного топ¬
лива;
• крупные склады для хранения нефтяных, нефтехими¬
ческих, химических продуктов, ядохимикатов и пес¬
тицидов;
• строительство дорог, автострад, трасс для железных
дорог дальнего сообщения, аэропортов с длиной поса¬
дочной полосы более 2 км;
• сельскохозяйственные объекты (животноводческие
комплексы и птицефабрики, крупные мелиоративные
системы);
• крупные водозаборы поверхностных и подземных вод;
• крупные плотины и водохранилища;
• вырубка лесов на больших площадях;
• легкая промышленность (фабрики по очистке, отбе¬
ливанию шерсти, кожевенные заводы, красильные
фабрики).
Наряду с перечнем так называемых стационарных опас¬
ных видов хозяйственной деятельности необходимо особо
выделить автомобильный транспорт, «вклад» которого
22
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
в загрязнение большинства
крупных городов России ис¬
ключительно велик и с каж¬
дым годом возрастает.
В городах обычно выде¬
ляют три основные группы
источников загрязнения ок¬
ружающей среды: промыш¬
ленность, энергетику и тран¬
спорт.
В зависимости от вида хозяйственной деятельности
форма разрушения природных экосистем может быть раз¬
личной, но для урбанизированных структур главная эко¬
логическая опасность сегодня — загрязнение окружаю¬
щей среды.
| Биологическое 1
Рис. 1.3
Классификация загрязнений
окружающей среды
по физико-химическим
параметрам
1.4.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Все те антропогенные факторы, которые оказывают
нежелательное воздействие как на самого человека, так и
на окружающую среду, называют загрязняющими. По
физико-химическим параметрам они подразделяются на
механические, физические (энергетические), химические
и биологические (рис. 1.3).
К механическим источникам загрязнения относятся
инертные пылевые частицы в атмосфере, твердые части¬
цы и разнообразные предметы в воде и почве, к химичес¬
ким — газообразные, жидкие и твердые химические со¬
единения и элементы, попадающие в атмосферу и вступа¬
ющие во взаимодействие с компонентами окружающей
среды. Физические (энергетические) источники загрязне¬
ния — это тепло, шум, вибрации, ультразвук, видимые,
инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра свето¬
вой энергии, электромагнитные поля, ионизирующие из¬
лучения. К биологическим загрязнениям относятся виды
организмов, появившиеся при участии человека и нано¬
сящие вред ему самому или живой природе. В последнее
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
23
время к категории загрязнения часто относят и эстети¬
ческий вред, вызванный нарушением пейзажей и природ¬
ных ландшафтов, урбанизацией, строительством индуст¬
риальных центров на территории природных заповедни¬
ков и заказников, в малозастроенных человеком биотопах.
Основной урон окружающей среде наносят выбросы
вредных веществ в атмосферу, сброс сточных вод и накоп¬
ление твердых отходов (рис. 1.4).
Загрязнения могут подразделяться и по другим при¬
знакам, в частности на токсичные и нетоксичные. Ток¬
сичность с точки зрения охраны окружающей среды и здо¬
ровья человека является одной из ключевых характерис¬
тик отходов.
Токсичность (ядовитость) — это способность некоторых
химических элементов и соединений оказывать вредное
действие на организм. Количественная характеристика
токсичности — токсодоза. При поражении через органы
дыхания (ингаляционные поражения) токсодоза (D) оп¬
ределяется как произведение концентрации токсичного
компонента в воздухе (С, мг/л) и времени воздействия этой
концентрации (*, мин):
D = C t.
Рис. 1.4
Классификация загрязнений по воздействию
на компоненты окружающей среды
24
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
При пероральном (через органы пищеварения), кож-
но-резорбтивном (через кожные покровы) и микстовом
(через раны) поражении токсодоза определяется как про¬
изведение удельной токсодозы (£>уд, мг/кг) и массы чело¬
века (Р, кг):
D = £»уд Р (мг).
В токсикологии приняты следующие основные кате¬
гории доз и концентраций: максимально допустимые, ко¬
торые являются безвредно переносимыми даже при дли¬
тельном воздействии вредного вещества; минимально дей¬
ствующие, вызывающие легкие симптомы поражения;
смертельные, вызывающие летальный исход с вероятнос¬
тью 90%.
Иногда используют и различные промежуточные ток¬
содозы, воздействие которых ведет к поражениям различ¬
ной степени тяжести.
Надо сказать, что около 75% отходов хозяйственной
деятельности человека в той или иной мере является ток¬
сичным.
1.5.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА
Анализ факторов и масштабов антропогенного (техно¬
генного) воздействия на окружающую среду позволяет
сделать вывод о необычайной сложном его характере, что,
естественно, создает большие трудности при изучении эко¬
логического состояния тех или иных регионов.
Наиболее сложная ситуация складывается в крупных
промышленных (городских) агломерациях. Множествен¬
ность и неупорядоченность расположения техногенных
источников по интенсивности и химическому составу
требует особого подхода к изучению их воздействия на
среду обитания. Методология такой оценки находится
только в стадии становления. Она базируется на синтезе
трех основных концепций, используемых в мировой прак¬
тике.
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
25
Первая концепция — концепция воздушной среды как
главного фактора создания экологической ситуации в
промышленном регионе. Состояние атмосферного воз¬
духа является одним из основных показателей качества
окружающей среды, поэтому большое внимание долж¬
но уделяться расчету рассеивания и количеству выбро¬
сов в атмосферу, изучению состава атмосферных выпа¬
дений.
Вторая концепция — концепция водооборота промыш¬
ленного региона как фактора его жизнеобеспечения. Здесь
главное значение имеют ресурсы и количество бытовых и
хозяйственных вод, проблемы полноты очистки и сброса
сточных вод.
Третья концепция — концепция депонирующих сред.
Разработка ее особенно сложна, поскольку цель этой кон¬
цепции — выявление зон воздействия всех видов загряз¬
нений в промышленных агломерациях. Анализ мигра¬
ции загрязняющих веществ в окружающей среде и ди¬
намики происходящих на всех ее этапах процессов очень
затруднен.
Только комплексные исследования в рамках всех трех
концепций могут дать необходимую информацию для оцен¬
ки и прогноза состояния окружающей среды в регионе и
влияния хозяйственной деятельности на природу и здо¬
ровье человека. Роль и место каждой из концепций меня¬
ются в зависимости от промышленной специализации ре¬
гионов, длительности техногенного воздействия, природ¬
ных факторов загрязнения и самоочищения среды.
Экологические блоки любого промышленного регио¬
на делят на три группы (см. рис. 1.5):
• источники выбросов — промышленность, энергети¬
ка, транспорт, жилищно-коммунальное хозяйство
региона;
• транзитные среды — среды, непосредственно прини¬
мающие те или иные виды загрязнений, в которых
происходят транспортировка и частичная трансформа¬
ция загрязняющих веществ; к ним относятся воздуш¬
ная среда, атмосферные выпадения, поверхностные,
подземные и грунтовые воды, почвенный покров;
26
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
• депонирующие среды — среды, в которых накаплива¬
ются и преобразуются загрязняющие вещества, дон¬
ные отложения, почвы, растения, животные, микро¬
организмы и население города.
Проблемы, возникающие в связи с влиянием измене¬
ний окружающей среды на человека в различных регио¬
нах во многом одинаковы. Рост крупных городов с одно¬
временным увеличением мощности действующих на их
территории предприятий, индустриализация сельского
хозяйства и перерабатывающих отраслей, усложнение ста¬
рых и появление новых технологий со все большим вовле¬
чением в них различных компонентов природной среды —
|^| транзитные среды депонирующие среды
Рис. 1.5
Динамика загрязняющих потоков в промышленном регионе
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
27
все эти факторы характерны сегодня для индустриально
развитых и большинства развивающихся стран. Поэтому
изучение происходящих в природе изменений, факторов
деятельности человека, предопределяющих эти измене¬
ния, влияние различных изменений окружающей среды
на человека — это одна из приоритетных задач сегодняш¬
него дня.
Экологический риск — это мера экологической опас¬
ности; количественное или качественное выражение эко¬
логической опасности (А. А. Быков, Н. В. Мурзин).
Оценка риска, в том числе и экологического, произво¬
дится для того, чтобы посредством эффективного управ¬
ления риском добиться максимального снижения негатив¬
ного воздействия его источника (например, предприятия)
на окружающую среду и загрязненных природных объек¬
тов на предприятие, минимизируя необходимые затраты.
Общепринята следующая общая зависимость для рас¬
чета (оценки) величины риска (Д*):
где Рц — вероятность возникновения i-ro опасного факто¬
ра, воздействующего нау-защищаемый объект; Yti — ущерб
от воздействия i-го опасного фактора на у-защищаемый
объект; i = 1, ..., т; у = 1, ..., п, где тип — число факто¬
ров и объектов соответственно.
В случае оценки опасности воздействия предприятия
на окружающую среду, исходя из степени ее загрязне¬
ния, также используется понятие риска. В связи с этим
все предприятия делятся на три группы по степени их
опасности для среды обитания (Г. М. Арбузов, Г. А. Мот-
кин и др.):
• функционирующие с риском, полностью приемлемым
для состояния окружающей среды, включаются в чис¬
ло малоопасных предприятий;
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК
т п
(1.2)
(=1у=1
28
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
• функционирующие с риском, частично приемлемым* для
состояния окружающей среды, относятся к опасным;
• функционирующие с риском, полностью неприемле¬
мым для состояния окружающей среды.
Опасность предприятия идентифицируется по переч¬
ню используемых опасных химических веществ и по крат¬
ному превышению предельных норм воздействия на ок¬
ружающую среду.
При оценке риска (Д) обычно проводится разграниче¬
ние нормального режима работы и аварийных ситуаций:
R = Дн + Дав = WH • Хн + WBB • Хав, (1.3)
где W — вероятность события (индексы: н — в нормаль¬
ных условиях; ав — в аварийных ситуациях); X — послед¬
ствия событий.
Для нормального режима работы характерны неболь¬
шие нагрузки на окружающую среду (Хн) с вероятностью,
близкой к единице (WB < 1). Аварийные ситуации харак¬
теризуются гораздо большими нагрузками (и последстви¬
ями) на окружающую среду (WBB «: 1, WBB WH):
R = RH + RaB<XH + WBB • Хав. (1.4)
Принятый в США и европейских странах метод расче¬
та экологического риска предполагает использование сле¬
дующего уравнения:
Д = [1-ехр(-гаС)], (1.5)
где R — риск возникновения неблагоприятного эффекта
(в долях единицы); С — реальная концентрация или доза,
оказывающая вредное воздействие; VR — единица риска,
определяемая как фактор (коэффициент) пропорции рис¬
ка в зависимости от значения действующей концентрации
(дозы).
Иной способ расчета риска от воздействия вредных
химических или радиоактивных веществ представлен в
формуле (3.17).
* Приемлемый риск — уровень риска, оправданный с точки зрения
экономических, социальных и экологических факторов.
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
29
Под управлением риском понимается процесс рацио¬
нального распределения затрат на снижение различных
видов риска в условиях ограниченности материальных
ресурсов общества, обеспечивающий достижение такого
уровня безопасности населения и окружающей среды, ка¬
кой только достижим в существующих в данном обществе
экономических и социальных условиях.
К общим принципам управления риском относятся:
• принцип оправданности практической деятельнос¬
ти — никакая деятельность предприятия не может
быть оправдана, если выгода от нее для общества не
превышает вызываемого ущерба;
• принцип оптимизации защиты — улучшение условий
жизнедеятельности персонала предприятия и населе¬
ния на близлежащей территории;
• принцип интегральной оценки опасности;
• принцип устойчивости экосистем — в процессе управ¬
ления риском не должны превышаться предельно до¬
пустимые нагрузки на экосистемы.
Рассмотрим далее в качестве примера экологические
риски в промышленности, следуя работе В. И. Башкина.
Экологические воздействия промышленности охваты¬
вают всю технологическую цепочку — от добычи сырья и
первичной обработки через собственно процессы произ¬
водства до использования конечного продукта и размеще¬
ния отходов. Промышленность — важный потребитель при¬
родных ресурсов (металлических и неметаллических руд,
продуктов сельского хозяйства, энергии различных видов).
В результате индустриальных процессов возникает необхо¬
димость в запланированных или неожиданных выбросах
и сбросах вредных газов, твердых отходов и разнообраз¬
ных жидких стоков. Это может случиться в процессе про¬
изводства или позднее при использовании продукта. Не¬
которые из отходов и продуктов промышленности очень
токсичны и могут нанести значительный ущерб. Отсюда
высока и вероятность экологического риска (табл. 1.1).
Для уменьшения вероятности экологического риска в
промышленном производстве существуют два принципи¬
альных подхода:
30
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
• управление выбросами загрязняющих веществ на ко¬
нечной стадии производства;
• системная перестройка производственного цикла.
При стратегическом подходе первого типа управление
экологическим риском осуществляется после завершения
технологического цикла в виде дополнения к нему. Этот
подход носит условное название «на конце трубы». Пере¬
работка поллютантов на конце трубы, как правило, не со-
Экологические риски в различных
Вид
промышленности
Потребляемое
сырье
Воздух
Текстильная
Шерсть, синтетика,
химические вещества
Пыль, запахи, SO2,
СпНпг
Кожевенная
Шкуры, химические
вещества
Запах
Черная металлургия
Железная руда, лом,
известняк
SO2, N0*, ПЫЛЬ, CnHm,
H2S, кислотные ту¬
маны
Нефтепереработка
Неорганические хи¬
мические вещества
SO2, NOx, ПЫЛЬ, CnHm,
СО, запахи, пыль
Химическая
Неорганические и
органические веще¬
ства
Органические хими¬
ческие вещества, за¬
пахи, фреоны
Цветная металлургия
(производство алю¬
миния)
Боксит
Фтор, СО, SO2, пыль
Микроэлектроника
Химические вещества
(растворители) кис¬
лоты
Токсичные газы
Биотехнология
Генетически модифи¬
цированные орга¬
низмы
Выбросы спор и био¬
химических отходов
Примечание. * Повышенные ВПК и ХПК.
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
31
кращает объем или массу загрязнителей, а перемещает
отходы после их обработки из одной среды в другую, бо¬
лее удобную при данном технологическом цикле, напри¬
мер из воздуха в землю. Во многих случаях обработка от¬
ходов перемещает эмиссии (выбросы), выпускаемые в воз¬
дух, в водную среду. Такого рода операции нежелательны
в долгосрочном плане, хотя и могут казаться приемлемы¬
ми как временная мера. Обработка отходов за пределами
Таблица 1.1
отраслях промышленности (по В. И. Башкину)
Качество
сточных вод*
Твердые
отходы
Экологический
риск
ВПК, взвеси, соли, ток¬
сичные металлы, суль¬
фаты
Промышлен¬
ные илы
Загрязнение атмосферы
и вод, шум машин, вды¬
хание пыли, заболева¬
ние людей
ВПК, взвеси, сульфаты,
хром
Отстой с содер¬
жанием хрома
Загрязнение атмосферы
и вод, вдыхание пыли,
заболевание людей
ВПК, взвеси, нефть, ме¬
таллы, кислоты, фенол,
сульфиды, сульфаты,
аммиак, цианиды
Шлак, отходы,
промышленные
илы
Риск взрывов и пожаров,
аварии, контакт с токси¬
ческими веществами,
пыль, шум
ВПК, ХПК, нефть, фе¬
нол, хром и др.
Промышленные
илы, использо¬
ванные катали¬
заторы, смолы
Риск взрывов и пожаров,
риск аварий, шум
Органические химиче¬
ские вещества, тяжелые
металлы, взвеси, циани¬
ды, ХПК
Промышленные
илы от очистки
воздуха и воды,
химические
отходы
Риск взрывов, пожаров и
химических выбросов;
возможные контакты с
токсичными и опасными
веществами
После промывки скруб¬
беров, с фтором, взвеся¬
ми, CnHm
Промышленные
илы, футеровка
печей (углерод,
фтор)
Риск взрывов, пожаров и
химических выбросов;
возможные контакты с
токсичными и опасными
веществами
Отравление природных
вод токсичными вещест¬
вами; случайные сбросы
Илы
Риск контакта с токсич¬
ными веществами
Использованные очист¬
ные воды, измененные
биологические виды
Микробное
загрязнение
почвы
Опасность попадания
микроорганизмов в ок¬
ружающую среду
32
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
основного технологического цикла, т. е. на конце трубы,
чрезвычайно широко распространена, однако, по сути, не
решает экологических проблем.
При стратегическом подходе второго типа в качестве
долгосрочной и скорее всего недостижимой на 100% цели
ставится задача добиться такого производства, которое
было бы полностью замкнутым, подобно космическому
кораблю в продолжительном автономном полете. С этих
позиций существуют три класса технологических подхо¬
дов, требующих системной перестройки промышленного
производства для действительного снижения объема, мас¬
сы и токсичности отходов, сбросов и выбросов.
Экономия сырья, материалов и энергии. К этой кате¬
гории относят изменения производственного цикла, в том
числе такие мероприятия, как внедрение более экологи¬
чески и экономически эффективных производственных
процессов (экологически чистые процессы и производ¬
ства), использование новых материалов, и другие приемы
(повышение теплоизоляции производственных помеще¬
ний, установка более эффективного освещения, примене¬
ние более легких грузовиков и пр.).
Увеличение степени использования промышленного
продукта. К этим мерам относят организацию вторично¬
го рынка таких использованных товаров, как автомоби¬
ли, одежда и обувь, электроника, мебель, книги, сбор и
переработку утиля (лом цветных и черных металлов, стек¬
ло, бумага, использованная упаковка и пр.) при соответ¬
ствующем сокращении производства новых товаров.
Извлечение полезных продуктов из промышленных
отходов. Американская корпорация «3-М» стала знамени¬
та вследствие получения значительного дохода от извлече¬
ния побочных продуктов из промышленных отходов. Ее
лозунг «Pollution Prevention Pays» (РРР) — «Предотвра¬
щение загрязнения платит за себя» широко известен в де¬
ловом мире.
Существуют и более сложные, системные примеры эко¬
номически целесообразной борьбы с промышленным заг¬
рязнением. Так, например, в Калундборге (Дания) име¬
ются три основных первичных промышленных предпри-
1. ОПАСНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
33
ятия — нефтеперегонный завод, тепловая электростанция
(ТЭЦ), работающая на угле, и фармацевтическая фабри¬
ка. Объединив эти предприятия в систему, получили воз¬
можность значительно сократить их отходы, не увеличив
в то же время стоимость продукта. ТЭЦ снабжает попут¬
ным теплом фармацевтическую фабрику, а также рыбо¬
водческое хозяйство и теплицы. Зола с электростанции
продается цементному производству, а сульфат кальция,
улавливаемый установкой по десульфуризации отходов,
поступает к изготовителю обоев. Нефтеперегонный завод
снабжает ТЭЦ отходящими углеводородами как дополни¬
тельным топливом, а сера как продукт десульфуризации
нефтепродуктов поставляется химической компании, про¬
изводящей серную кислоту. Наконец, органические отхо¬
ды фармацевтического предприятия потребляются рыбо¬
водческим хозяйством и используются как удобрение в
теплицах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определения понятиям «опасность», «биосфера» и «тех¬
носфера».
2. Назовите полную классификацию и систематизацию опасностей.
3. Дайте определение понятию «техногенная опасность» и назо¬
вите основные источники ее возникновения.
4. Дайте определение понятию «экологическая опасность» и пе¬
речислите источники ее возникновения.
5. Представьте классификацию видов загрязнения окружающей
среды.
6. Дайте определения понятиям «транзитные среды», «депонирую¬
щие среды».
7. Дайте определение понятию «риск» и напишите формулу для
расчета (оценки) величины риска.
8. Назовите классификацию предприятий по степени их опасно¬
сти для среды обитания.
9. Какие два принципиальных подхода существуют в промыш¬
ленном производстве для уменьшения вероятности экологичес¬
кого риска?
10. Опишите три класса технологических подходов, требующих
системной перестройки промышленного производства для дей¬
ствительного снижения объема, массы и токсичности отходов,
сбросов и выбросов.
lllllllllllllllllillllllllllllllllilllllllllllllllH
ГЛАВА ВТОРАЯ
ИНЖЕНЕРНЫЕ
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
При функционировании промышленного предприятия,
а также транспортных и энергетических объектов образу¬
ются выбросы, загрязненные токсичными веществами,
сточные воды, твердые отходы. Кроме того, возможно фи¬
зическое (энергетическое) загрязнение окружающей сре¬
ды (шум, вибрация, электромагнитное излучение и др.).
Для защиты окружающей среды от загрязнения про¬
мышленным предприятием, т. е. для обеспечения его эко¬
логической безопасности, используют различные методы
и средства. Методы характеризуют пути достижения ука¬
занной цели (обеспечение экологической безопасности).
К средствам (способам) обеспечения безопасности относят
конкретные практические приемы ее достижения.
Перечислим основные инженерные методы обеспечения
экологической безопасности при воздействии промышлен¬
ного предприятия на окружающую среду. К ним относятся:
1) подавление выделения токсичных веществ и вред¬
ных излучений в источнике их образования;
2) снижение концентрации токсичных веществ в про¬
мышленных выбросах и сбросах до безопасных (норматив¬
ных) значений путем их очистки;
3) снижение интенсивности вредных излучений до нор¬
мативных величин;
4) решение вопросов переработки, утилизации, ликви¬
дации или захоронения образующихся отходов;
5) создание малоотходных и безотходных производств,
не загрязняющих или практически не загрязняющих ок¬
ружающую среду.
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
35
2.1.
ПОДАВЛЕНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ
ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
И ВРЕДНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
В ИСТОЧНИКЕ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
Подавление выделения токсичных веществ в источни¬
ке их образования можно осуществить двумя путями:
1) исключить их образование в промышленном источ¬
нике (процессе, аппарате, технологической схеме);
2) нейтрализовать (поглотить) выделяющиеся токси¬
ческие вещества непосредственно в источнике.
Возможна также комбинация указанных направлений
защиты окружающей среды.
Примером нейтрализации токсичных веществ в источ¬
нике могут служить хемосорбционные процессы очистки
топочных газов от диоксида серы. В качестве хемосорбен¬
тов для связывания образующегося диоксида серы исполь¬
зуют известняк, доломит, известь, ряд специальных доба¬
вок, таких как оксихлорид меди, оксид магния и оксиды
некоторых других металлов (Al, Bi, Се, Со, Cr, Fe и т. д.).
Их вводят в пылевидной форме в топки и/или газоходы
теплоэнергетических агрегатов, т. е. непосредственно в
источник образования S02.
Метод подавления вредных воздействий на окружаю¬
щую среду может быть применен и для физических ис¬
точников. Это можно показать на примере источника
электромагнитного излучения. Известно, что зависи¬
мость интенсивности этого излучения (/, Вт/м2) от мощ¬
ности излучателя выражается следующей зависимостью:
(4лг2)’
(2.1)
где Рист — мощность источника электромагнитного излу¬
чения, Вт; г — расстояние до источника излучения, м.
Из приведенной формулы (2.1) следует, что, снижая мощ¬
ность источника излучения Рист, мы тем самым снижаем
и величину интенсивности электромагнитного излучения.
В качестве примера использования этого метода на
практике укажем на эксплуатацию сотовых телефонов.
36
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Чем меньше мощность этого источника электромагнитно¬
го излучения, тем меньшее воздействие он оказывает на
окружающую среду и пользователя.
2.2.
СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ
ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
В ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСАХ
И СБРОСАХ ДО БЕЗОПАСНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
Рассмотрим второй метод обеспечения экологической
безопасности: снижение концентрации токсичных веществ
в промышленных выбросах до безопасных (нормативных)
значений.
Этот метод основан на использовании различных спо¬
собов очистки. Под очисткой понимают освобождение га¬
зовоздушных выбросов, водных сбросов и в ряде случаев
твердых отходов от вредных веществ.
В результате проведения очистки содержание токсич¬
ных веществ, попадающих в окружающую среду из ука¬
занных источников, должно быть снижено до безопасных
(нормативных) значений.
На рисунке 2.1 представлена структура основных нор¬
мативов качества окружающей природной среды (ОПС)
(В. Л. Лапин с соавт.).
В основе нормативов качества в основном лежат три
показателя:
• медицинский (пороговый уровень угрозы здоровью
человека, его генетической программе);
• технический (способность экономики обеспечить вы¬
полнение установленных пределов воздействия на че¬
ловека);
• научно-технический (способность техническими сред¬
ствами контролировать соблюдение пределов воздей¬
ствия по всем его параметрам).
Все нормативы подразделяются на три группы.
1. Первую группу составляют показатели качества ок¬
ружающей среды. К ней относятся в первую очередь нор¬
мы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
37
Рис. 2.1
Структура основных нормативов качества окружающей среды
(по В. Л. Лапину с соавт.)
веществ в воздухе, водных объектах и почве, а также пре¬
дельно допустимые уровни (ПДУ) физических воздей¬
ствий на окружающую среду.
2. Вторая группа устанавливает требования к источни¬
кам вредного воздействия. В настоящее время в соответ¬
ствии с Приказом Минприроды России от 17 декабря 2007
№ 333 «Об утверждении Методики разработки нормативов
допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные
объекты для водопользователей» введен новый норматив
НДС, его расчет проводят по формуле (2.3). Ранее в качестве
аналогичных нормативов использовали нормативы предель¬
но допустимого выброса вредных веществ в атмосферу (ПДВ)
и предельно допустимого сброса в водные объекты (ПДС).
3. Третья группа содержит так называемые вспомога¬
тельные нормы и правила.
Главный норматив качества окружающей природной
среды — предельно допустимые концентрации вредных
веществ в атмосфере, воде и почве (ПДК). Это санитарно-
гигиенический норматив, так как основная масса его по¬
казателя относится к здоровью человека.
38
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Определение ПДК основано на следующих предпосыл¬
ках: допустимой признается такая концентрация, кото¬
рая не оказывает прямого или косвенного воздействия
(вредного или неприятного) на человека, на его работо¬
способность, самочувствие и настроение. ПДК устанавли¬
вается по самым чувствительным органам с 2-3-кратным
запасом прочности. Реакция организма на воздействие заг¬
рязняющего вещества при установке ПДК должна опре¬
деляться объективно.
Применительно к атмосферным загрязнениям устанав¬
ливается два типа ПДК — максимально разовая (ПДКМ р<)
и среднесуточная (ПДКС с>).
ПДКМ р — основная характеристика опасности вредно¬
го вещества. Эта величина определяет предельную концент¬
рацию вредного вещества в атмосферном воздухе (воздухе
населенных мест) и устанавливается для предупреждения
рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, све¬
товой чувствительности, изменение биоэлектрической
активности головного мозга и др.) при кратковременном
воздействии атмосферной примеси. Размерность этой ве¬
личины — мг вредного вещества/м3 воздуха.
ПДКС С. необходима для предупреждения общетоксичес¬
кого, канцерогенного, мутагенного и другого влияния
вредного вещества на организм человека. Она не должна
оказывать на человека прямого или косвенного воздей¬
ствия в условиях неопределенно долгого круглосуточно¬
го воздействия. Размерность этой величины совпадает
С ПДКм р,
Наибольшая концентрация (С,) каждого вредного ве¬
щества в приземном воздухе не должна превышать ПДКМф<
(С* < ПДКмф) при экспозиции не более 20 мин. Если время
воздействия более 20 мин, то С* < ПДКС<С.
Для водной среды различают ПДКВ — предельно допу¬
стимая концентрация индивидуального вещества в воде
водоема хозяйственного питьевого и культурно-бытового
водопользования. Эта концентрация не должна оказывать
прямого или косвенного влияния на состояние здоровья
человека в течение всей его жизни, а также на здоровье
последующих поколений и не должна ухудшать гигиени-
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
39
ческие условия водопользования. Размерность этой вели¬
чины — мг вредного вещества/л воды.
Аналогичная величина ПДКВ р — предельно допусти¬
мая концентрация вещества в воде водоема, используемо¬
го для рыбохозяйственных целей. Устанавливается для
водных объектов указанного типа. Это наиболее жесткие
ПДК. Размерность ПДКВ р такая же, как и ПДКВ.
Предельно допустимые концентрации вредных ве¬
ществ для почв устанавливаются из условия, что загряз¬
няющая примесь не должна вызвать прямого или косвен¬
ного воздействия на соприкасающиеся с почвой среды и на
здоровье человека. Эта величина обозначается ПДКп и из¬
меряется в мг вредного вещества на кг почвы.
Для характеристики воздействия опасного фактора
физической природы, как уже указывалось выше, исполь¬
зуют понятие его предельно допустимого уровня (ПДУ).
Если интенсивность физического воздействия на окружа¬
ющую среду не превышает величины ПДУ, то оно счита¬
ется безопасным.
Исходя из вышеизложенного, следует, что метод сни¬
жения токсичных веществ в выбросах и сбросах путем очи¬
стки должен обеспечивать уровень содержания загрязни¬
телей в окружающей среде на уровне ПДК или менее.
Для обеспечения процесса очистки на практике ис¬
пользуют очистные устройства (сооружения), под которы¬
ми понимают аппараты или их сочетание, используемые
индивидуально или объединенные в технологическую схе¬
му и позволяющие очистить газовые выбросы, водные
сбросы и твердые отходы от содержащихся в них токсич¬
ных веществ до требуемого уровня (до ПДК или ниже).
Следует указать, что в ряде случаев в практике очист¬
ки выбросы или сбросы не очищают до уровня ПДК, а от¬
водят в окружающую среду с превышением этого уровня.
Доведение концентрации поступающего загрязняющего
вещества до нормативного уровня проводят путем рассеи¬
вания примесей в атмосфере или за счет разбавления сто¬
ков водой.
Для характеристики допустимого расхода отводимых
в окружающую среду вредных веществ из промышленных
40
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
источников в нашей стране введены два расчетных науч¬
но-технических норматива, которые учитывают рассеива¬
ние вредных веществ в воздушной или водной средах:
• предельно допустимый выброс (ПДВ);
• предельно допустимый сброс (ПДС или НДС).
Предельно допустимый выброс (ПДВ) — это выброс
вредных веществ в атмосферу, устанавливаемый для каж¬
дого источника загрязнения атмосферы при условии, что
приземная концентрация этих веществ не превышает пре¬
дельно допустимую концентрацию (ПДК). Кроме того,
ПДВ — это объем (количество) загрязняющего вещества,
выбрасываемого отдельным источником за единицу вре¬
мени, превышение которого ведет к неблагоприятным по¬
следствиям в окружающей природной среде.
Расчетные величины ПДВ следует считать верхним
пределом. Необходимо вводить к ним коэффициенты за¬
паса на дальнейшее развитие производства, сопровождае¬
мое увеличением выбросов на случаи повышенного (ава¬
рийного) выброса и возможные отклонения величины
выбросов от запроектированных.
В основе расчета ПДВ лежит уравнение атмосферной
диффузии. Существуют расчетные формулы для одиноч¬
ных (точечных) источников выброса и группы источни¬
ков, для холодных и нагретых выбросов и т. д. Приведем
формулу для расчета значения ПДВ (г/с) для одиночного
источника с круглым устьем (нагретые выбросы):
ПДВ = (ПД.Км„Р ~Сф) Я2 x^/F AT, (2.2)
AFrnnr\
где ПДКМ р — предельно допустимая концентрация (мак¬
симально разовая) токсичного вещества в атмосферном
воздухе, мг/м3; Сф — фоновая концентрация, характери¬
зующая загрязнение атмосферы, создаваемая другими
источниками, исключая данный, мг/м3; А — коэффици¬
ент, зависящий от температурной стратификации атмо¬
сферы (турбулентного обмена), изменяется на территории
России от 120 до 200, С2/3мгград1/3/г; F — безразмерный
коэффициент, учитывающий скорость оседания вредной
примеси; для газообразных веществ F= 1, для аэрозолей
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
41
F = 2-3; тип — коэффициенты, учитывающие условия
выхода газовоздушной смеси из устья источника выбро¬
са; г| — безразмерный коэффициент, учитывающий влия¬
ние рельефа местности в случае ровной или слабопересе¬
ченной местности; V — объемный расход газовоздушной
смеси (ГВС), м3/с; АТ — разность между температурой
выбрасываемой ГВС и температурой окружающего воз¬
духа, °С.
Дадим определение предельно допустимого сброса
(ПДС или НДС) вредных веществ в водный объект.
ПДС (НДС) — это масса вещества в сточных водах, мак¬
симально допустимая к отведению в установленном режи¬
ме с целью обеспечения норм качества воды в контрольном
пункте. ПДС (НДС) устанавливается с учетом ПДК ве¬
ществ в местах водопользования, ассимилирующей спо¬
собности водного объекта и оптимального распределения
массы сбрасываемых веществ между водопользователями,
сбрасывающими сточные воды. Величина ПДС (НДС) (г/ч)
может быть рассчитана по формуле
ПДС = q' • Спдс, (2.3)
где Спдс — допустимая концентрация загрязняющего ве¬
щества в сточной воде, г/м3; q' — максимальный часовой
расход сточных вод, м3/ч.
Величину Спдс можно определить из следующего вы¬
ражения:
СПДс = "(ПДК е* - С*) + Сф, (2.4)
где п — кратность общего разбавления сточных вод в во¬
дотоке; k — коэффициент неконсервативности, 1/сут, ха¬
рактеризующий степень разрушения примеси в воде; t —
время добегания сточных вод от места выпуска до конк¬
ретного створа, сут; Сф — фоновая концентрация загряз¬
няющего вещества, г/м3.
Если на действующих предприятиях из-за техноло¬
гических причин в настоящее время массовый расход
выбрасываемых или сбрасываемых вредных веществ
превышает величину ПДВ или ПДС (НДС), то вместо
них устанавливают временно согласованные выбросы
42
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
(ВСВ) или сбросы (ВСС). Их величина превышает рас¬
считанные значения ПДВ или ПДС (НДС). Эти показате¬
ли устанавливаются на определенное время, необходи¬
мое для улучшения экологического состояния предпри¬
ятия, и предусматривают поэтапное снижение выбросов
вредного вещества с доведением в перспективе до уров¬
ня ПДВ или ПДС (НДС).
2.3.
СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ
ВРЕДНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
ДО НОРМАТИВНЫХ ВЕЛИЧИН
Воздействие каждого источника физического загряз-
нения на окружающую среду связано в первую очередь с
переносом в нее энергии. Под воздействием этих загряз¬
нений у человека и других живых существ могут разви¬
ваться негативные биологические эффекты.
Снизить интенсивность воздействия вредных излуче¬
ний на окружающую среду можно либо путем подавления
их в источнике образования, либо ослабляя излучения по
пути распространения. Кроме того, могут быть использо¬
ваны методы защиты временем и расстоянием.
Рассмотрим подробнее второй путь (ослабление излу¬
чения по пути распространения). Одним из важнейших
методов его практической реализации является установка
на пути распространения вредных излучений потока кор¬
пускулярных частиц и волн специальных преград, кото¬
рые либо отражают, либо поглощают указанные воздей¬
ствия, обеспечивая их снижение в защищенной зоне до пре¬
дельно допустимого уровня (ПДУ). Укажем, что ПДУ —
это безопасный уровень физического воздействия на био¬
сферу, который не приводит к ухудшению здоровья чело¬
века и его потомков, не вызывает у него (у них) других
негативных последствий при любой длительности экспо¬
зиции, а также не оказывает вредного влияния на элемен¬
ты окружающей природной среды.
Наиболее часто используемыми препятствиями для
излучения являются экраны. Экраны — это устройства,
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
43
выполненные в виде щитов или конструкций другой фор¬
мы, предназначенные для поглощения вредных излуче¬
ний или других видов энергетического воздействия на ок¬
ружающую среду. Чаще всего их используют для защиты
от инфракрасного, электромагнитного, лазерного и иони¬
зирующих излучений. Конструкции, которыми непосред¬
ственно закрывают источник излучения, называют кожу¬
хами (защитные кожухи).
Обычно экраны либо отражают, либо поглощают па¬
дающее на них излучение. Существуют комбинированные
устройства, в которых эти действия совмещены. Важной
характеристикой защитных свойств экранов является их
эффективность, под которой обычно понимают отноше¬
ние интенсивности излучения (воздействия) одного и того
же источника в определенной точке окружающей среды до
и после установки экрана. Иногда в качестве характерис¬
тики эффективности экранирования используют не само
отношение интенсивностей, а его логарифм. Например,
эффективность экранирования в децибелах (дБ) рассчи¬
тывают по следующей формуле:
3=101g(70//), (2.5)
где Э — эффективность экранирования, дБ; /0 — плотность
потока энергии при отсутствии экрана, Вт/м2; I — плот¬
ность потока энергии при наличии экрана, Вт/м2.
Существуют и специальные экраны, например тепло¬
отводящие, защищающие окружающую среду от инфра¬
красного излучения. Они отводят выделяющуюся тепло¬
ту потоком воды, пропускаемой через них.
Для защиты от ионизирующих излучений как корпус¬
кулярной, так и энергетической природы применяют эк¬
раны из различных материалов.
Защита от a-излучения достигается применением эк¬
ранов из обычного или органического стекла толщиной в
несколько миллиметров.
Для защиты от p-излучения экраны изготавливают из
алюминия или пластмассы.
От у-излучения и рентгеновского излучения эффектив¬
но защищают свинец, сталь, вольфрамовые сплавы.
44
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
От нейтронного излучения защищают материалы, со¬
держащие в составе водород (вода, парафин), а также бе¬
риллий, графит, соединения бора и др.
Для борьбы с физическими загрязнениями, кроме эк¬
ранирования, эффективно использовать поглощающие
материалы (защита от шума, электромагнитных излуче¬
ний и др.)* Из них изготавливаются элементы внутренне¬
го устройства зданий, сооружений и технических средств.
Они также могут наноситься на стены и перекрытия зда¬
ний или на поверхность технических устройств — источ¬
ников физического загрязнения в виде покрытий, различ¬
ных облицовок, слоев краски. Указанные материалы и
покрытия используют для поглощения части энергии фи¬
зических воздействий на окружающую среду.
Например, существуют специальные антивибрацион¬
ные покрытия, которые наносят непосредственно на эле¬
менты машин и агрегатов. При их применении снижается
вибрационное воздействие на окружающую среду.
Укажем, что в первую очередь защита окружающей
среды от шума и вибрации должна осуществляться путем
подавления их в источнике образования или, если это не¬
возможно, на путях их распространения.
Для защиты человека в окружающей среде от физи¬
ческих воздействий могут быть использованы методы за¬
щиты расстоянием и временем.
Первый из указанных методов основан на удалении
людей на безопасное расстояние от источника опасности.
Это можно показать на примере защиты человека от дей¬
ствия электромагнитного излучения (ЭМИ). Его интен¬
сивность определяется формулой (2.1). Из нее следует,
что интенсивность ЭМИ уменьшается обратно пропор¬
ционально квадрату расстояния, т. е. при увеличении
расстояния в 2 раза интенсивность ЭМИ уменьшается в
4 раза и т. д.
Таким образом, увеличивая расстояние между челове¬
ком и источником ЭМИ, можно снизить интенсивность
этого воздействия до безопасного уровня. Указанный под¬
ход нашел применение для определения санитарно-защит¬
ных зон линий высоковольтных электропередач. Их рас¬
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
45
полагают вдоль линий ЛЭП. Размер (ширина) этих зон за¬
висит от напряжения линий электропередач и лежит в
пределах 10-55 м. В защитной зоне запрещается разме¬
щать жилые здания и сооружения, устраивать площадки
и остановки всех видов транспорта.
Принцип защиты временем заключается в ограниче¬
нии времени пребывания человека в зоне действия опас¬
ности или нахождения в ней после определенной паузы,
необходимой для снижения уровня действия опасности до
допустимых значений. Например, пребывание человека в
зоне действия электрического поля промышленной час¬
тоты напряженностью 5-25 кВ/м ограничено.
Второй пример касается работы в зоне, загрязненной
радиоактивностью. Производить работы в этой зоне или ис¬
пользовать технику можно в том случае, когда активность
радиоактивного вещества (газов, аэрозолей) достигает
уровня, безопасного для жизни. Это происходит по про¬
шествии следующего времени:
тв=1А-1п(А0/Аб), (2.6)
где тв — продолжительность выдержки (паузы); X — по¬
стоянная радиоактивного распада (данного сорта ядер);
Ао — начальная активность вещества; А$ — уровень ак¬
тивности, безопасный для жизни.
Последнее выражение определяет требуемую продол¬
жительность паузы (тв). Из него следует, что тв тем мень¬
ше, чем больше X (если не принимать специальных мер по
дезактивации).
Защита временем и расстоянием широко применяется
для снижения внешнего облучения человека и уменьше¬
ния получаемой им дозы.
Кроме перечисленных методов защиты окружающей
среды от энергетических загрязнений, существенное зна¬
чение имеют организационные мероприятия по учету и
правильному размещению источников шума, вибрации,
электромагнитного излучения и др. Важно постоянно кон¬
тролировать интенсивность воздействия перечисленных
источников на окружающую среду, а также эффектив¬
ность применяемых средств защиты. В настоящее время
46
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
целесообразно разработать шумовые, вибрационные, элек¬
тромагнитные, радиационные и другие карты отдельных
регионов и городов, характеризующие физическое загряз¬
нение окружающей среды.
2.4.
РЕШЕНИЕ ВОПРОСОВ ПЕРЕРАБОТКИ,
УТИЛИЗАЦИИ, ЛИКВИДАЦИИ
ИЛИ ЗАХОРОНЕНИЯ
ОБРАЗУЮЩИХСЯ ОТХОДОВ
В отходы рано или поздно превращается все, что про¬
изводится человечеством для удовлетворения его потреб¬
ностей. Часть этих отходов удаляется вместе со сточными
водами, другая часть попадает в виде газов, паров и аэро¬
золей в атмосферу. Однако большая часть поступает в ок¬
ружающую среду в виде твердых отходов.
Переработка и утилизация твердых отходов является
в настоящее время актуальной проблемой, решение кото¬
рой в значительной мере позволяет обеспечить экологи¬
ческую безопасность. Введем основные понятия, касаю¬
щиеся твердых отходов.
Различают отходы производства и отходы потребле¬
ния. Первый из этих терминов означает остатки сырья,
материалов, полуфабрикатов, образовавшихся при произ¬
водстве продукции и утратившие полностью или частично
исходные потребительские свойства. Отходы потребле¬
ния — это изделия и материалы, утратившие свои потре¬
бительские свойства в результате физического и мораль¬
ного износа. Часто отходы потребления называют твер¬
дыми бытовыми отходами.
Вторичные материальные ресурсы (BMP) — это сумма
отходов производства и отходов потребления. BMP, кото¬
рые могут в настоящее время повторно использоваться в
народном хозяйстве, носят название вторичного сырья; та
же часть BMP, для которой в настоящее время отсутству¬
ют условия использования, называется неутилизируемы-
ми отходами.
Схема образования и переработки твердых отходов
представлена на рисунке 2.2.
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
47
©
©
Рис. 2.2
Схема образования и переработки твердых отходов:
С — первичное сырье; П — продукция; Р — рассеивание в окружающей среде;
О — отходы; ВС — вторичное сырье; НО — неутилизируемые отходы.
Наиболее распространенными методами переработки
и утилизации твердых отходов являются следующие:
1) снижение объемов образования твердых отходов за
счет экологизации процессов производства продукции и
улучшения качества (в первую очередь долговечности)
предметов потребления;
2) расширение использования BMP в качестве сырья
для производственных процессов;
3) широкое внедрение вторичного использования от¬
ходов, обладающих потребительскими свойствами;
4) утилизация энергетического потенциала отходов;
5) обезвреживание и захоронение неутилизируемых
отходов.
Рассмотрим более подробно перечисленные методы.
Примером первого может служить использование про¬
цессов порошковой металлургии для получения металли¬
ческих деталей. Применение этой прогрессивной техноло¬
гии позволяет значительно (в 2-4 раза и более) снизить
удельный расход металла по сравнению с традиционной
48
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
технологией, включающей метод механической обработки.
Это связано прежде всего с тем, что при использовании
порошковой технологии практически не образуется ме¬
таллическая стружка, переходящая в отходы, что харак¬
терно для традиционной технологии. Количество этой
стружки нередко превышает 50% от первоначальной мас¬
сы обрабатываемой заготовки. При использовании порош¬
ковой металлургии количество отходов составляет 5-10%,
т. е. эта технология близка к безотходной.
Примером использования BMP в качестве сырья для
производственных процессов может служить переработ¬
ка отходов пластмасс. Образующиеся на предприятиях
технологические отходы используют с целью производ¬
ства того же продукта, в процессе изготовления которо¬
го образовался данный вид отходов, или продукта анало¬
гичной рецептуры, а также для изготовления изделий
менее ответственного назначения. Отходы бытового по¬
требления пластмасс также можно перерабатывать в го¬
товые изделия (например, из вышедшей из употребле¬
ния полиэтиленовой пленки можно производить вторич¬
ную пленку). Их также можно использовать в качестве
добавок к другим сырьевым или промышленным отходам.
Более подробно этот вопрос рассмотрен в п. 5.2.2 настоя¬
щего пособия.
Третий метод может быть проиллюстрирован исполь¬
зованием старых автопокрышек для ограждения транс¬
портных магистралей и портовых причалов, укрепления
береговых откосов, при погрузочно-разгрузочных работах,
в рыбоводстве и т. п. (см. п. 5.2.14).
Горючие отходы могут сжигаться с последующим ис¬
пользованием образующейся тепловой энергии. При за¬
хоронении твердых бытовых отходов на полигонах воз¬
никает анаэробный процесс (т. е. протекающий без досту¬
па воздуха), при протекании которого возникает биогаз
(смесь метана и углекислого газа). Его теплота сгорания
достигает 18-24 МДж/м3, и этот газ можно использовать
как топливо.
Наконец, неутилизируемые отходы можно подверг¬
нуть обезвреживанию и захоронению. Обезвреживанию на
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
49
специальных сооружениях подвергаются токсичные про¬
мышленные отходы. Часто в этих целях применяют их
капсулирование, заключающееся в обволакивании ток¬
сичного отхода инертной стеклообразной или полимерной
пленкой. Твердые органические отходы методом гидри¬
рования можно превратить в жидкое и газообразное топ¬
ливо и др.
Для захоронения используют специальные инженер¬
ные сооружения-полигоны, на которых твердые отходы
загружаются многослойно. Время службы такого полиго¬
на может достигать 20-25 лет и более. На этих полигонах
складируют в первую очередь бытовые и нетоксичные
промышленные отходы. Под действием биохимических
процессов, развивающихся в глубине складированных
Таблица 2.1
Гигиеническая классификация
неутилизируемых промышленных отходов
Кате¬
гория
Характеристика
неутилизируемых
промышленных отходов
Рекомендуемые методы
складирования
или обезвреживания
I
Практически инертные
Использование для плани¬
ровочных работ или совмест¬
ное складирование с ТБО
II
Биологически окисляемые,
легко разлагающиеся орга¬
нические вещества
Складирование или перера¬
ботка с ТБО
III
Слаботоксичные малорас¬
творимые в воде, в том числе
при взаимодействии с орга¬
ническими кислотами
Складирование совместно с
ТБО
IV
Нефтемаслоподобные, не
подлежащие регенерации в
соответствии с действующи¬
ми указаниями
Сжигание, в том числе со¬
вместно с ТБО
V
Токсичные со слабым за¬
грязнением воздуха (превы¬
шение ПДК в 2-3 раза)
Складирование на специа¬
лизированном полигоне
промышленных отходов
VI
Токсичные
Групповое иди индивиду¬
альное обезвреживание
на специальных сооруже¬
ниях
50
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
отходов, происходит их разложение. После полной заг¬
рузки полигона и закрытия его растительным грунтом по¬
верхность последнего можно использовать для устройства
парков, садов, игровых площадок и др.
Некоторые из видов неутилизируемых промышленных
отходов при определенных условиях могут быть приняты
для совместного захоронения с ТБО на полигонах. Оп¬
ределяется это гигиенической классификацией неутили¬
зируемых промышленных отходов, сведения о которой
представлены в таблице 2.1.
Следует отметить, что радиоактивные отходы собира¬
ются в местах их образования отдельно от других отходов
в специальные сборники. Проблема безопасного удаления
и захоронения радиоактивных отходов полностью не ре¬
шена.
Кроме перечисленных методов переработки твердых
отходов, часто используется их переработка на компост¬
ный субстрат, в котором содержится около 1% азота и по
0,3% фосфора и калия, а также ряд микроэлементов. Его
используют в сельском хозяйстве в качестве подкормки
растений.
2.5.
СОЗДАНИЕ МАЛООТХОДНЫХ
И БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
2.5.1.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Дадим основные определения.
Технология — совокупность методов обработки, изго¬
товления, изменения свойств, формы сырья, материалов или
полуфабрикатов, применяемых в процессе производства
или получения готовой продукции (Н. Ф. Реймерс, 1990).
Существует несколько определений понятия «безот¬
ходная технология».
По Н. Ф. Реймерсу: безотходная технология — 1. тех¬
нология, дающая технически достижимый минимальный
объем твердых, жидких, газообразных и тепловых отхо-
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
51
дов и выбросов (т. е. синоним технологии малоотходной).
Достижение полной безотходности нереально, так как это
противоречит второму началу термодинамики; 2. техно¬
логия, дающая теоретический достижимый минимум от¬
ходов всех видов.
ПоН. Н. Семенову и И. В. Петрянову-Соколову: безот¬
ходная технология есть практическое применение зна¬
ний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить в рамках
человеческих потребностей наиболее рациональное ис¬
пользование природных ресурсов и энергии и защиту ок¬
ружающей среды. Кроме того, безотходное производство
(технология) представляет собой такой способ производства
продукции, при котором все сырье и энергия используют¬
ся наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые
ресурсы — производство — потребление — вторичные ре¬
сурсы, а любые воздействия на окружающую среду не на¬
рушают ее нормального функционирования (Б. Н. Ласко-
рини др.).
Малоотходная технология — технология, позволяю¬
щая получать минимум твердых, жидких, газообразных
и тепловых отходов и выбросов (Н. Ф. Реймерс).
Обратим внимание, что автор определения указывает,
что добиться малого количества энергетических отходов,
а тем более энергетической безопасности невозможно даже
теоретически, поскольку поток энергии однонаправлен и
все количество в конечном счете переходит в тепло (дис-
сипирует).
Согласно второму началу термодинамики энтропия
может только рождаться, но не уничтожаться. Энтро¬
пия — количественная величина, баланс которой можно
представить в виде
dS = deS + diS, (2.7)
где dS — изменение количества энтропии в системе; deS —
обмен энтропией; dtS — производство энтропии.
Так как энтропия не может уничтожаться, справедли¬
во неравенство
diS > 0.
(2.8)
52
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Обменный член по Клазиусу прямо пропорционален
подведенному теплу (d'Q) и обратно пропорционален тем¬
пературе:
d'S = %9.. (2.9)
Как показали Больцман и Планк, энтропия системы
служит мерой царящего в ней беспорядка. По Оствальду,
энтропию можно рассматривать и как количественную
меру содержащейся в системе энергии.
Также малоотходным можно назвать такой способ про¬
изводства, при котором вредное воздействие на окружаю¬
щую среду не превышает уровень допустимого санитарно-
гигиеническими нормами (нормативами качества окружа¬
ющей среды).
2.5.2.
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МАЛООТХОДНЫХ
И БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Понятия безотходного и малоотходного производства
тесно связаны с загрязнением окружающей среды. Тео¬
рия безотходных технологических процессов базируется
на двух основных предпосылках:
• исходные природные ресурсы должны добываться один
раз для всех возможных, а не каждый раз для отдель¬
ных продуктов;
• создаваемые продукты должны иметь такую форму,
которая позволила бы после использования по прямо¬
му назначению относительно легко превращать их в
исходные элементы нового производства.
Однако такая схема практически неосуществима. Каж¬
дый этап технологии по принципу «сырье — готовый про¬
дукт — сырье» требует дополнительных затрат энергии,
а ее производство (на современном этапе) связано с потреб¬
лением природных ресурсов вне замкнутой системы. Вто¬
рым принципиальным препятствием к созданию замкну¬
того цикла является износ материалов. Таким образом,
признавая прогрессивность «безотходной технологии»,
следует учитывать ее ограниченность. Она позволяет со¬
кратить загрязнение ОС, но не исключает его полностью.
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
53
Представить себе абсолютно безотходное производство
невозможно, поэтому в качестве промежуточного этапа
рассматривается малоотходное производство, под которым
понимается такой способ производства, при котором вред¬
ное воздействие на окружающую среду не превышает уров¬
ня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами. При
этом часть сырья и материалов переходит в отходы и на¬
правляется на длительное хранение или захоронение. Рас¬
сматривая концепцию безотходного производства, необ¬
ходимо выделить три основных положения.
1. Безотходное производство — это замкнутая систе¬
ма, организованная по аналогии с природными экологи¬
ческими системами. Его основу должен составлять созна¬
тельно организованный человеком круговорот сырья, про¬
дукции и отходов.
2. При организации производства обязательно вклю¬
чение в него всех компонентов сырья и максимально воз¬
можное использование энергии (ограниченное вторым за¬
коном термодинамики). Таким образом, экологически
чистые производства нужно называть малоотходными и
ресурсосберегающими.
3. Малоотходное производство обеспечивает сохране¬
ние нормального функционирования окружающей среды
и сложившегося экологического равновесия. Критерии
качества окружающей среды в настоящее время — ПДК и
рассчитанные на их основе ПДВ и ПДС (НДС).
Если рассмотреть более детально эти концептуальные
положения теории безотходных производств, то можно
выделить ряд взаимосвязанных принципов, необходимых
для их разработки и внедрения.
1. Принцип системности, в соответствии с которым
каждый отдельный процесс или производство рассматри¬
вается как элемент динамичной системы — ТПК* в регионе
и эколого-экономической системы в целом. Таким образом,
принцип системности должен учитывать существующую
взаимосвязь производственных, социальных и природных
процессов.
* ТПК — территориально-промышленный комплекс.
54
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
2. Принцип комплексного использования ресурсов тре¬
бует максимального использования всех компонентов сы¬
рья, сопутствующих элементов, максимально возможной
замены первичных сырьевых и энергетических ресурсов
на вторичные.
3. Принцип цикличности материальных потоков (зам¬
кнутые водо- и газооборотные циклы) должен привести к
формированию в отдельных регионах и во всей техносфе¬
ре сознательно организованного и регулируемого техно¬
генного круговорота вещества и связанных с ним превра¬
щений энергии.
4. Принцип ограничения воздействия производства на
окружающую природную и социальную среду (атмосфер¬
ный воздух, воду, поверхность земли, рекреационные ре¬
сурсы и здоровье населения) в первую очередь связан с
планомерным и целенаправленным ростом объемов про¬
изводства и его экологического совершенства.
5. Принцип рациональности организации производ¬
ства предполагает оптимизацию производства одновремен¬
но по энерготехнологическим, экономическим и экологи¬
ческим параметрам. Основным путем достижения этой
цели являют разработка новых и усовершенствование су¬
ществующих технологических процессов и производств.
2.5.3.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К БЕЗОТХОДНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ПРОЦЕССАМ И АППАРАТАМ
Для совершенствования существующих производств
и разработки принципиально новых технологических про¬
цессов (ТП) необходимо соблюдение ряда общих требований:
• минимизация числа технологических единиц (стадий
и аппаратов) производственного процесса с целью
уменьшения отходов и потерь сырья на промежуточ¬
ных стадиях процесса;
• применение непрерывных схем процессов и техноло¬
гий (замкнутых технологических циклов);
• комплексность использования всех компонентов сы¬
рья и энергетических ресурсов;
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
55
• увеличение единичной мощности агрегатов;
• максимальное использование вторичного сырья и за¬
мена первичного сырья на вторичное;
• интенсификация производственных процессов, их ав¬
томатизация и оптимизация;
• использование энерготехнологических процессов (ис¬
пользование энергии химических превращений);
• разработка и внедрение высокоэффективных методов
очистки, принципиально новых аппаратов, совмещаю¬
щих в себе ряд процессов;
• оптимизация их размеров и производительности;
• использование новых конструктивных материалов,
позволяющих увеличить долговечность аппаратов.
2.5.4.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СЫРЬЮ,
МАТЕРИАЛАМ И ЭНЕРГОРЕСУРСАМ.
ВИДЫ «ЧИСТОЙ» ЭНЕРГИИ
При организации безотходного или малоотходного про¬
изводства необходимо полноценное использование сырья
и энергоресурсов, поэтому к ним также предъявляются
определенные требования:
• адекватность качества сырья и материалов уровню тех¬
нологического процесса;
• предварительное обезвреживание сырья и топлива;
• замена высокотоксичных веществ (например, тяже¬
лых металлов) менее токсичными;
• замена традиционных видов сырья и энергоресурсов
(уголь, нефть, газ, гидроэнергия) на новые.
Рассмотрим подробнее современные подходы к исполь¬
зованию нетрадиционных видов энергии.
Использование энергии атома. Существуют три воз¬
можности получения атомной энергии:
• деление ядер;
• использование реакций, при которых ядра одного де¬
лящегося вещества превращаются в ядра другого де¬
лящегося вещества;
• синтез легких ядер.
56
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
В качестве делящегося вещества используются обыч¬
но изотопы урана 92U233, 92U235, 92U238 и изотопы тория
90Th232, а также изотопы плутония 92Pu239, 94Pu240, 94Ри241.
Но применение процессов деления не решает долговремен¬
ных энергетических проблем, так как при этом использу¬
ется только малая часть радиоактивного оксида урана,
а его запасы не так уж и велики.
Вторая возможность получения атомной энергии ос¬
нована на использовании реакций, при которых ядра од¬
ного делящегося вещества превращаются в ядра другого
делящегося вещества. В этих реакциях количество вос¬
производимого делящегося изотопа превышает количе¬
ство первоначального изотопа. В бридерных реакторах
(вторая возможность) воспроизводимое и первоначаль¬
ное вещества представляют собой изотопы одного и того
же химического элемента: «сжигается» U235, воспроизво¬
дится U233 и др.
Третий путь использования энергии атома — это син¬
тез легких ядер. Эти реакции эффективно протекают при
сверхвысоких температурах (~107-109 К) и продолжают¬
ся самопроизвольно за счет значительного выделения в
них энергии. Такие реакции называются термоядерны¬
ми. Основная проблема — это трудность реализации этой
идеи, связанная с тем, что процесс синтеза не удается
стабилизировать в связи с огромными температурами
реакции.
Важно отметить, что атомная энергия считается «чис¬
той» энергией, но в связи с проблемой захоронения ядер-
ных отходов она не может считаться экологически «чис¬
той» , за исключением, по-видимому, только реакции син¬
теза.
Следующие виды «чистой» энергии могут считаться
экологически «чистыми», так как при их производстве
практически не причиняется ущерб окружающей среде:
энергия Солнца, энергия системы «океан — Солнце», энер¬
гия ветра или системы «Солнце — гравитация», энергия
приливов и отливов — гравитационная энергия.
Солнечная энергия. На Землю поступает от Солнца
примерно 1,7-1017 Вт солнечной энергии. Если использо¬
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
57
вать около 1% поверхности Земли для улавливания этой
энергии с помощью коллекторов излучения, то можно бу¬
дет собрать ~1014 Вт энергии. Собираемой энергии вполне
хватило бы для всего населения Земли, этот расчет весь¬
ма приблизителен, поскольку многие существующие кол¬
лекторы солнечного излучения имеют эффективность
преобразования ниже 10%. С другой стороны, продолжи¬
тельность светового дня ограничена, солнечное излуче¬
ние не всегда падает перпендикулярно поверхности Зем¬
ли, солнце может быть затенено облаками, пылью и т. д.
Учет всех этих факторов, естественно, повышает разме¬
ры площади поверхности Земли, используемой для улав¬
ливания солнечной энергии, примерно в три раза. Кроме
того, стоимость производства электроэнергии с помощью
солнечных батарей превосходит стоимость производства
электроэнергии на ТЭС, работающих на ископаемом топ¬
ливе.
Энергия ветра. Заключенная в ветре механическая
энергия может быть использована ветроэлектрическими
станциями с КПД около 40% для выработки электроэнер¬
гии и приведения в действие различных бытовых меха¬
низмов (водяных насосов, мукомольных мельниц и др.),
а также для освещения помещений. Установлено, что тех¬
нически надежными и рентабельными в районах с посто¬
янными ветрами являются электростанции мощностью от
50 до 100 кВт с высотой башни 15-25 м. По расчетам, боль¬
шинство европейских стран, имеющих большую протя¬
женность береговой линии, могли бы покрывать всю по¬
требность электроэнергии за счет ветровой энергии. Хотя
ветер как источник энергии имеет непостоянный харак¬
тер, однако это вполне надежный источник, если сумми¬
ровать его действие в течение года, поскольку роза ветров
(или средняя повторяемость всех направлений ветра за год)
достаточно стабильна для любого места в мире.
Энергия приливов — отливов. Приливные электро¬
станции (гидроэлектрические станции) используют гра¬
витационную энергию в виде энергии приливов и отли¬
вов, возникающих под действием сил притяжения Луны
и Солнца и вращательного движения Земли. С этой целью
58
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
весь морской залив отделяется от моря плотиной. Устрем¬
ляющаяся в залив и из него вода приводит в движение
турбины, которые вырабатывают электроэнергию. Сегод¬
ня единственная на Земле действующая приливная элек¬
тростанция находится в устье реки Ране в Бретани (запад
Франции, полуостров).
Все рассмотренные чистые источники электроэнергии
(атомная энергия — с оговорками) являются возобновля¬
емыми источниками энергии, т. е. постоянно возобновля¬
ются за счет естественных поставщиков энергии, прежде
всего Солнца, и поэтому неисчерпаемы.
Энергия, получаемая при сжигании биотоплива. Био¬
топливо — это биогаз, получаемый при метановом сбра¬
живании органических веществ (пищевых отходов, отхо¬
дов животноводства и растениеводства, остатков сточных
вод). Такой способ получения энергии на сегодняшний
день является наиболее перспективным, так как позволя¬
ет одновременно решить две задачи — эффективную ути¬
лизацию отходов и получение дешевой энергии.
2.5.5.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ И УПАКОВКЕ
В соответствии с теорией безотходных производств и
второй предпосылкой, касающейся изготовления готовой
продукции, «создаваемые продукты должны иметь такую
форму, которая позволила бы после использования по пря¬
мому назначению относительно легко превращать их в сход¬
ные элементы нового производства». Однако этот принцип
является скорее теоретическим и идеальным. Поэтому
можно сформулировать следующие требования, которые
предъявляются к готовой продукции (в том числе к упа¬
ковочным материалам и таре) при организации малоот¬
ходного производства:
• безвредность;
• длительность использования;
• обеспечение возможности рециклизации после физи¬
ческого или морального износа;
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
59
• быстрая биоразлагаемость при попадании в окружаю¬
щую среду;
• удобство эксплуатации.
Упаковка фактически является одним из видов про¬
мышленной продукции. Разнообразие упаковки достаточ¬
но велико. Но только несколько ее видов, такие как кар¬
тон, стеклотара, алюминиевая фольга и банки, пластико¬
вые бутылки из полиэтилтерефталата (ПЭТФ), отвечают
указанным требованиям и могут быть переработаны и ис¬
пользованы вторично. Однако и для этих видов упаковки
необходима организация раздельного сбора.
2.5.6.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
БЕЗОТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрим три возможных типа организации безот¬
ходного производства (М. Д. Харламова и др.).
I тип БП. Замкнутое безотходное производство — та¬
кое производство, в котором на выходе в ОС не выделяют¬
ся отходы и осуществляется полная переработка проме¬
жуточных отходов в качестве вторичного сырья для полу¬
чения других продуктов в данном производстве, внутри
отрасли или в смежных областях. Рассмотрим уравнения
массобмена для этого типа производства:
Утс ~Утк.пР.1 = Ттотхл> (2.10)
УМотхЛ “ У^тс.пр.2 ~ У”*отх.2; (2.11)
Zm°TX.2-IX„p.n =0’ (2Л2)
где тс — масса сырья; тк#пр п — масса конечного продукта
на п-й стадии переработки; тотх> — масса отходов.
В безотходном производстве первого типа осуществля¬
ется полная переработка промежуточных отходов и обра¬
зуется п конечных продуктов.
II тип БП. Производство, возвращающее в ОС отхо¬
ды в природном состоянии. Газы очищаются до состава
60
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
атмосферного воздуха, сточные воды — до состава воды
природных водоемов, твердые отходы — до безвредного
состояния в литосфере, компоненты, извлекаемые из от¬
ходов и обычно не присутствующие в биосфере, идут на
утилизацию (полезное использование). При этом концен¬
трации Сотх = Сфон . При таком типе производства на ста¬
дии переработки сырья образуются конечные продукты и
отходы, масса которых не равна нулю:
1тс-Хтк.пр.-Х^тх^0. (2.13)
Тогда стадию переработки отходов можно выразить
следующей математической зависимостью:
Т^отх, У.^отх.п ~ У.^ОТХ.У —
(2.14)
где тотх у — масса утилизированных отходов. После по¬
ступления в окружающую среду состав отходов существен-
дщ л
но не меняется во времени, при этом = 0, и так как
ть« const, где rrii — масса каждого компонента в составе
перерабатываемых отходов.
III тип БП. Безотходное производство, которое пред¬
полагает возврат отходов для переработки в природных
условиях: растениями (усвоение С02 и выделение 02, син¬
тез углеводов, усвоение N, Р, К); за счет микробиологи¬
ческого самоочищения; утилизации рассеянной тепловой
энергии в теплицах.
Уравнения материального баланса при этом типе БП
аналогичны уравнениям, описывающим II тип БП. При
таком типе БП стадию переработки сырья по обычной тех¬
нологии с получением конечного продукта можно также
выразить уравнением
Zmc 2ХпР. ~ У^отх. ^0,
а стадию переработки отходов уравнением
п
I"W ~ ^"l^OTX.n — ^^^отх.у =0"
(2.15)
(2.16)
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
61
Но после поступления в окружающую среду состав от¬
ходов существенно не меняется во времени за счет взаимо¬
действия веществ, находящихся в переработанных отхо¬
дах, с ОС: * 0, поскольку т, — переменная величина.
дг
Рассмотрим схемы производства и материально-тех¬
нические балансы потоков для замкнутого и незамкнуто¬
го типов производственного процесса.
1. Схема незамкнутого производственного процесса без
очистки.
Уравнение материального баланса:
А + В = (А - С) + (В + С). (2.17)
Из уравнения видно, что чем больше величина С, тем
больший вред наносится окружающей среде и тем менее
эффективно работает производство.
2. Схема незамкнутого производственного процесса с
очисткой отходов до ПДК.
На схеме: Д — часть отходов С, выделенных из пото¬
ка, прошедших очистку и являющихся вторичным сырь¬
ем, входящим в общий поток А; (А -I- Д) - С — готовая про¬
дукция; С - Д — количество загрязнений, поступающих
с потоком В в окружающую среду.
62
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Тогда материальный баланс потоков имеет следую¬
щий вид:
(А +Д) + В =
= [(А + Д) - С] + (В + С) (производство) ►.
(В + С) = [В+(С - Д)] -I- Д (очистка)
(2.18)
Условие очистки:
^<пдк.
В этом случае технологический процесс может быть
замкнут по сырьевому циклу, а ресурсный выходной по¬
ток содержит вредные загрязнения ниже уровня ПДК и
поступает в окружающую среду.
3. Схема замкнутого производственного процесса с
полной очисткой отходов.
(А+Д)-С
аТд|
А - сырье, энергия^-
| Производство
№
I В+С
[1]
Очистка
В - вода,воздух
В этом случае уравнение материально-энергетических
потоков имеет следующий вид:
(А + Д) + В =
= [(А + Д) - С] -I- (В + С) (производство) ►.
(В + С) = В + Д (очистка)
(2.19)
В идеальном варианте безотходное производство пред¬
полагает полную очистку потока (В -I- С) от загрязнений
С, т. е. при этом Д = С (но смысл Д и С — различный) и
цикл замыкается по потоку В. Тогда поток В пополняет¬
ся только в самом начале производственного цикла, а за¬
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
63
тем количество подпиточной воды становится равным
нулю.
Главное требование экологизации производства — ре¬
циркуляция, что сокращает потребности в потоке В (вода
и воздух). Однако нереально полностью очистить поток В,
поэтому часть потока В, идущего после стадии очистки
вновь в производство, обозначим как Е. Тогда доля пото¬
ка чистой воды и воздуха становится на Е меньше, т. е.
поток равен (В - Е), а поток Е, смешиваясь с первоначаль¬
ным потоком (В - Е), компенсирует потери.
Рассмотрим четвертый случай организации производ¬
ственного процесса.
4. Схема производственного процесса с частичной ре¬
циркуляцией очищенного потока Е.
Введем понятие доли очищенного потока X:
У- Е
В + Е
и степени расхода а потока В для переноса Е:
Тогда
а =
В
В+Е
(В+Е)-Е
(В + Е)
(В + Е)-А.(В + Е)
(В+Е)
= 1-Х.
(2.20)
Чем больше доля очищенного потока X, тем меньше
степень расхода а В, тем меньшее количество потока В
расходуется впустую (т. е. уменьшается поток В + С). Тог¬
да в отходы попадает только часть потока (В + С) за выче¬
том (Д + Е). Баланс материальных потоков будет выгля¬
деть следующим образом:
(А +Д)+[(В-Е) + Е] =
= [(А + Д) - С] + [(В + С)] (производство)
(В + С) = [(В+С)-Д-Е]+Д + Е (очистка)
•. (2.21)
64
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
| (А+Д)-С I
0
Е+Л)
Ш
| |(В-Е)+Е|
| Производство |—
[вТс|
-| Очистка |
Г(В+С)-Д-Е |
Ц
НЕЮ
Организация технологического процесса или произ¬
водства в целом по указанной схеме является наиболее
целесообразной, так как позволяет организовать его ана¬
логично природным замкнутым циклам. Однако реализа¬
ция такой схемы возможна при условии использования
локальных очистных сооружений. Принципы локальной
очистки будут рассмотрены далее.
2.5.7.
ПРИНЦИПЫ РЕОРГАНИЗАЦИИ
ИНДУСТРИАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В МАЛООТХОДНОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ
ЧИСТОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Для того чтобы реорганизовать индустриальное про¬
изводство в малоотходное экологически чистое производ¬
ство, необходимо соблюдение следующих принципов.
1. Объединение отдельных специализированных про¬
изводств в систему комплексных производств — ТПК.
2. Объединение разнотипных производств с целью
повышения КПД использования материалов, сырья и
энергии.
3. Достижение безотходности производства за счет:
• передачи отходов от одного производства к другому и
образования производственных цепей Пх -> П2 ->... -> Пп
(отходы равны нулю);
• минерализации отходов до простых химических соеди¬
нений (С02, соли металлов, оксиды и др.), которые сно¬
ва могут стать сырьем;
• создания внутрикомплексного производства (биогео¬
ценоза) особых подсистем, собирающих отходы и пе-
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
65
рерабатывающих их в гумус, почву, морской и речной
ил идр.);
• захоронения (депонирования) в глубинах земли отхо¬
дов и образование в дальнейшем за счет начального
защитного природного потенциала природных систем
и их самовосстановительной способности аналогов тор¬
фа, каменного угля, известняка;
• включение всех видов безотходного производства (в ка¬
честве биогеоценоза) в биосферу, обеспечивающую
глобальное равновесие геохимических превращений.
4. Строгий количественный баланс мощностей всех
производств и потребителей готовой продукции.
2.5.8.
РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ВОДНЫХ ПОТОКОВ
И СОЗДАНИЕ ОБОРОТНЫХ
СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Известно, что различают прямоточную и оборотную
схемы водообеспечения промышленных предприятий. Эти
схемы представлены на рисунке 2.3.
Рис. 2.3
Схемы водообеспечения промышленных предприятий:
а — прямоточная; б — оборотная; Q„CT — вода, подаваемая из источника на про¬
изводственные нужды; Qqotp — вода, безвозвратно потребляемая на предприятии;
Qya — вода, теряемая на испарение и унос из охладительных установок; —
вода, удаляемая со шламом; Q^ — оборотная вода после прохождения охлади¬
тельных установок; Q^ — оборотная вода после очистных сооружений; Q^p —
вода, сбрасываемая в водоем.
66
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Если на предприятии используется система прямоточ¬
ного водоснабжения, то вся вода, забираемая из водоема
(QHct.)> после использования в различных технологичес¬
ких процессах возвращается в водоем, за исключением
того количества воды (QnOTр.), которое безвозвратно расхо¬
дуется в производстве (за счет разбрызгивания, испаре¬
ния и т. д.) и удаляется вместе со шламом ((?шл.).
При оборотном водоснабжении в производстве исполь¬
зуются сточные воды после их очистки. Свежая вода за¬
бирается из водоемов лишь для компенсации безвозврат¬
но теряемой воды.
Поскольку в зависимости от профиля предприятия на
нем может образовываться до 10 различных видов сточ¬
ных вод, выбор системы водоотведения имеет большое зна¬
чение. Системы водоотведения промышленных предпри¬
ятий делятся на общесплавные и раздельные. Схема об¬
щесплавной системы приведена на рисунке 2.4.
Как следует из представленного рисунка, при исполь¬
зовании общесплавной системы водоотведения производ¬
ственные сточные воды, а также дождевые и бытовые от¬
водятся на единые очистные сооружения.
Общесплавную систему водоотведения обычно приме¬
няют на небольших промышленных предприятиях с ма¬
лым расходом воды в том случае, если состав производ¬
ственных сточных вод близок по составу к бытовым сто¬
кам и если существует возможность попадания в дождевые
воды загрязнений, характерных для производственных
сточных вод. При использовании общесплавной системы
Рис. 2.4
Общесплавная система водоотведения промышленного предприятия:
ПСВ — производственные сточные воды, БСВ — бытовые сточные воды; АСВ —
атмосферные сточные воды.
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
67
водоотведения производственные сточные воды, а также
бытовые и атмосферные стоки отводятся на единые очис¬
тные сооружения.
Существуют различные типы раздельных систем от¬
ведения:
• с локальными очистными сооружениями;
• с частичным оборотом производственных вод;
• с полным оборотом производственных и бытовых
стоков;
• с полным оборотом всех сточных вод.
Применение системы с локальными очистными уст¬
ройствами целесообразно, если в сточных водах некото¬
рых цехов или участков содержатся специфические заг¬
рязнения (например, тяжелые металлы).
Раздельную систему с частичным водооборотом ПСВ
применяют в том случае, если существует возможность
повторного использования некоторых ПСВ после частич¬
ной очистки или охлаждения для водоснабжении конк¬
ретных цехов или участков предприятия.
Раздельная система водоотведения с полным оборотом
всех сточных вод называется бессточной системой водо¬
пользования или замкнутой системой водного хозяйства
промышленного предприятия. Ее целесообразно приме¬
нять при большом расходе ПСВ и небольшом расходе воды
из источника.
В зависимости от конкретных условий на предприя¬
тии возможно создание нескольких систем очистки с ва¬
риантами объединения различных видов стоков, а также
создание нескольких оборотных централизованных сис¬
тем. Примеры различной организации раздельной систе¬
мы водоотведения с использованием локальных очистных
систем приведены на рисунке 2.5а, б.
На рисунке 2.5а приведена схема организации экоза¬
щитного процесса с использованием локальных очистных
установок для очистки разделенных стоков (стоков ванн
промывки и стоков гальванических ванн). Такая схема
обеспечивает возможность возврата в технологический
цикл реагентов хромирования и многократное использо¬
вание технологической воды.
68
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Отработанный
Рис. 2.5а
Схема локальной очистки хромсодержащих стоков
Рис. 2.56
Схема организации технологического процесса
с использованием локальных очистных установок
На рисунке 2.56 приведена схема локальной очистки
усредненных стоков ванн промывки и гальванических
ванн.
В обоих случаях приведенные схемы процессов явля¬
ются малоотходными, так как и вода, и реагенты (в виде
солей или чистых металлов) возвращаются в технологи¬
ческий цикл на данном производстве или могут использо¬
ваться в металлургии. Однако выбор технологической схе¬
мы зависит от конкретных условий, экономической рен¬
табельности и может быть произведен после анализа всех
химико-технологических и экологических факторов.
Эффективность использования воды в производстве
оценивается рядом показателей.
2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
69
1. Процент оборота воды:
Роб =-
Ъб
(Фоб + Фи )
2. Коэффициент использования воды:
v _ (9и ~Qc6p). v -
” л * —А.
3. Кратность использования воды:
(Qc6 + Фи + Фс)
л = -
(Фи+Фс)
; л>1.
(2.22)
(2.23)
(2.24)
4. Безвозвратное потребление воды и ее потери в про¬
изводстве (%):
К,
(Фи ~ Феб)
(Фоб+ Фи)
хЮО,
(2.25)
где Qo6 — количество оборотной воды; QH — количество
воды, забираемой из источника водоснабжения; Qc6 — ко¬
личество воды, сбрасываемое предприятием; Qc — поступ¬
ление воды из сырья. Все объемные расходы даны в м3/ч.
Основные требования, предъявляемые к созданию зам¬
кнутых систем водоснабжения, можно сформулировать
следующим образом:
• водоснабжение, канализация и очистка сточных вод
рассматриваются как единая система водного хозяй¬
ства предприятия или региона;
• основу технического водоснабжения создает много¬
кратное использование воды, прежде всего без очист¬
ки, а затем частично очищенной до качества, опреде¬
ленного условиями использования;
• очистка сточных вод должна в первую очередь ориен¬
тироваться на регенерацию локальных потоков отра¬
ботанных технологических растворов и воды;
• методы очистки должны обеспечивать одновременное
извлечение и утилизацию ценных компонентов (очис¬
тка в этом случае рассматривается не как вспомога¬
тельная, а как основная операция производства про¬
дукта).
70
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Оборотная вода должна соответствовать определенным
значениям показателей: карбонатной жесткости, pH, со¬
держанию взвешенных веществ и биогенных элементов,
значению ХПК (химическая потребность в кислороде)
и др. Качество воды, используемой для технологических
процессов, должно быть выше, чем воды, находящейся
в оборотных системах. Качество воды, используемой в
производстве, устанавливается в каждом случае в зави¬
симости от ее назначения и требований технологическо¬
го процесса с учетом состава используемого сырья, при¬
меняемого оборудования и особенностей готового продук¬
та производства.
Оценка систем водного хозяйства предприятия произ¬
водится путем сравнения некоторых показателей, таких
как: удельный расход воды на единицу продукции, удель¬
ный расход реагентов, абсолютное количество товарного
продукта, себестоимость, рентабельность и т. д. Для созда¬
ния замкнутых систем водоснабжения промышленные
сточные воды подвергают очистке различными методами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какими путями можно осуществлять подавление выделения
токсичных веществ в источнике их образования?
2. Назовите структуру основных нормативов качества окружаю¬
щей среды.
3. Перечислите пути снижения интенсивности вредных излуче¬
ний до нормативных величин.
4. Опишите схему образования и переработки твердых отходов.
5. Назовите наиболее распространенные методы переработки и
утилизации твердых отходов.
6. Дайте понятия определениям «безотходная технология» и «ма¬
лоотходная технология».
7. Назовите три основных положения концепции безотходного
производства.
8. Назовите требования, предъявляемые к безотходным техноло¬
гическим процессам и аппаратам.
9. Опишите три возможных типа организации безотходного про¬
изводства.
10. Опишите прямоточную и оборотную схемы водообеспечения
промышленных предприятий.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ,
БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВ
3.1.
КРИТЕРИИ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Рассмотрим эту главу, следуя работе Т. А. Акимовой и
В. В. Хаскина. Научная литература и различные рекомен¬
дательные и нормативные документы содержат множество
частных критериев безопасности, в том числе и экологи¬
ческой безопасности. Часто даже невозможно судить, по
какому из этих критериев можно вынести окончательное
суждение о безопасности того или иного объекта. Поэто¬
му возникает необходимость разработки и использования
небольшого числа основных, или интегральных, крите¬
риев безопасности и получения на их основе обобщенной
оценки состояния объекта. Диапазон и иерархия объек¬
тов экологической безопасности соответствуют основным
уравнениям биологической организации и простирают¬
ся от биосферы в целом до индивидуума, отдельного че¬
ловека.
Для экосферы и ее частей, т. е. более или менее круп¬
ных территориальных природных комплексов, включая
и административные образования, основным критерием
экологической безопасности может служить уровень био-
сферно-техносферного, эколого-экономического или при¬
родно-производственного паритета, т. е. степени соответ¬
ствия общей антропогенной (техногенной) нагрузки на
территорию ее экологической техноемкости — предельной
выносливости по отношению к повреждающим техноген¬
ным воздействиям.
72
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Для отдельных экологических систем главными кри¬
териями безопасности выступают целостность, сохранность
их видового состава, биоразнообразия и структуры внут¬
ренних взаимосвязей. Сходные критерии относятся и к
технико-экономическим системам.
Наконец, для индивидуумов главным критерием бе¬
зопасности является сохранение здоровья и нормальной
жизнедеятельности. Рассмотрим эти критерии более под¬
робно.
Безопасность территориальных комплексов. Оценка
безопасности территориального комплекса основана на со¬
измерении природных и производственных потенциалов
территории (Т. А. Акимова, В. В. Хаскин, 1994; Т. А. Аки¬
мова и др., 1994).
Основной критерий безопасности записывается следу¬
ющим образом:
U< Тэ, (3.1)
где U — природоемкость территории, т. е. совокупность
объемов хозяйственного изъятия и поражения местных
возобновимых ресурсов, включая загрязнение среды и
другие формы техногенного угнетения реципиентов, в том
числе и ухудшение здоровья людей; Тэ — экологическая
техноемкость территории (ЭТТ) — обобщенная характе¬
ристика территории, отражающая самовосстановитель-
ный потенциал природной системы и количественно рав¬
ная максимальной техногенной нагрузке, которую может
выдержать и переносить в течение длительного времени
совокупность всех реципиентов и экологических систем
территории без нарушения их структурных и функцио¬
нальных свойств.
Критерий (3.1) отвечает экологическому императиву
и означает, что совокупная техногенная нагрузка не дол¬
жна превышать самовосстановительного потенциала при¬
родных систем территории. Критерий лежит в основе
экологической регламентации хозяйственной деятель¬
ности.
Величины U и Тэ определяются многими факторами;
их определение в конкретных случаях представляет срав¬
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 73
нительно тривиальную задачу для U и более сложную для
Тэ. Обе величины могут быть выражены массой вещества,
стандартизованной по опасности (токсичности), а также
иметь энергетическое или денежное выражение. При об¬
щих модельных оценках предпочтителен энергетический
подход.
Степень напряженности экологической обстановки в
территории оценивается кратностью превышения ЭТТ:
Кэ = и/Тэ. (3.2)
В зависимости от природы факторов опасности су¬
ществуют различные градации Кэ. Обычно при Кэ < 0,3
обстановка считается благополучной, при Кэ « 1 или
1 < Кэ < 2 — критической, при Кэ > 10 — крайне опасной.
Для отдельной территории ее экологическая техноем¬
кость Тэ объективно равна предельно допустимой техно¬
генной нагрузке (ПДТН). Если последняя устанавливает¬
ся как некий норматив, то может отличаться от ЭТТ, так
как учитывает еще и социальную ценность объектов, ис¬
пытывающих нагрузку. Поэтому в определении ПДТН
возможен субъективный произвол, зависящий от пред¬
ставлений общества, экспертов или органа, утверждаю¬
щего норматив, о требованиях к экологической обста¬
новке.
Экологическая техноемкость территории является
только частью полной экологической емкости террито¬
рии. Полная экологическая емкость территории как при¬
родного комплекса определяется, во-первых, объемами ос¬
новных природных резервуаров — воздушного бассейна,
совокупности водоемов и водотоков, земельных площадей
и запасов почв, биомассы флоры и фауны; во-вторых, мощ¬
ностью потоков биогеохимического круговорота, обнов¬
ляющих содержимое этих резервуаров — скоростью мест¬
ного массо- и газоообмена, пополнения объемов чистой
воды, процессов почвообразования и продуктивностью
биоты.
Расчет ЭТТ основан на эмпирически подтвержденном
допущении, согласно которому ЭТТ составляет долю об¬
щей экологической емкости территории, определяемую
74
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
коэффициентом вариации отклонений характеристическо¬
го состава среды от ее естественного уровня и его колеба¬
ний. Превышение этого уровня приписывается антропо¬
генным воздействиям, достигшим предела устойчивости
природного комплекса территории.
Если трем компонентам среды обитания — воздуху,
воде и земле (включая биоту экосистем и совокупность
реципиентов) приписать соответственно индексы 1, 2
и 3, то ЭТТ может быть приближенно вычислена по фор¬
муле
где Тэ — оценка ЭТТ, выраженная в единицах массовой
техногенной нагрузки, уел. т/год; Ег — оценка экологи¬
ческой емкости i-й среды, т/год; Xt — коэффициент вари¬
ации для естественных колебаний содержания основной
субстанции в среде; — коэффициент перевода массы в
условные тонны (коэффициент относительной опасности
примесей — уел. т/т).
Экологическая емкость каждого из трех компонентов
среды рассчитывается по формуле
где V — экстенсивный параметр, определяемый размером
территорий, площадь или объем, км2, км3; С — содержа¬
ние главных экологически значимых субстанций в дан¬
ной среде, т/км2, т/км3; например, С02 в воздухе или плот¬
ность распределения биомассы на поверхности Земли; F —
скорость кратного обновления объема или массы среды,
год-1.
ЭТТ можно оценить также по величине предельно до¬
пустимой энергетической нагрузки (ПДЭН):
* Здесь и далее цифровые значения коэффициентов приводят раз¬
личные показатели к единой единице измерения.
3
(3.3)
Е = V ■ С ■ F,
(3.4)
Qn = g(72RB+123W + 0,6P)S-keN\ (3.5)
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 75
где Qn — предельно допустимое потребление энергии (в топ¬
ливных эквивалентах) на данной территории на нужды
производства и транспорта, уел. т/год; g — коэффициент
антропогенной насыщенности; RB — радиационный ба¬
ланс территории, ккал/(см2 год); W— средний модуль
поверхностного стока, м3/(га сут); Р — удельная продук¬
ция сухого вещества биомассы, т/(км2 год); S — площадь
территории, км2; ke — нормативный минимум бытового
расхода энергии на одного человека, уел. т/(чел. год); N —
общая численность населения территории, чел.
Общая для территории удельная продукции биомассы
экосистем:
(з.б)
где Sk — площадь, фактически занятая на данной терри¬
тории растительностью k-ro типа, км2; Рк — средняя удель¬
ная продукция k-ro типа растительного покрова в едини¬
цах массы, т/(км2 год).
Коэффициент антропогенной насыщенности g = 1 +
+ 1 ёТэд, где Тэд — так называемый «эргодемографический
индекс», связывающий плотность населения с соотноше¬
нием между технической и природной энергетикой:
r3fl=l + 0,01(rQ/ro^sS), (3.7)
где г— плотность населения территории, чел./км2; г0 —
средняя плотность населения страны или региона, чел./км2;
Rs — суммарная солнечная радиация на данной террито¬
рии, ккал/(см2 год); S — площадь территории, км2; Q —
общий расход топлива, горючего и топливных эквивален¬
тов электроэнергии на территории, уел. т/год; рассчиты¬
вается по формуле
Q = 123 • Э + 143 Т + 0,85 • У +
+ 1,1 Г + 1,55 Ж + 0,38 Д, (3.8)
где Э — потребление на территории электроэнергии, полу¬
ченной от местных нетопливных источников, ГЭС, АЭС или
импортированной из соседних территорий, млн кВт ч/год;
Т — импортированная тепловая энергия, тыс. Гкал/год;
76
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
У — сжигание угля в топках территории, т/год; Г — сжи¬
гание газа, тыс. м3/год; Ж — сжигание жидкого топлива
стационарными и мобильными потребителями, т/год; Д —
сжигание растительного топлива и торфа, т/год.
Приведенные в этом пункте уравнения количествен¬
ных оценок состояния и экологической безопасности тер¬
риторий могут быть использованы для соизмерения эконо¬
мических (производственных) и природных потенциалов в
рамках региональных и локальных эколого-экономичес¬
ких систем.
Для выделения зон чрезвычайной экологической си¬
туации и зон экологического бедствия, кроме рассмотрен¬
ных показателей, необходима еще оценка плотности и
поражаемости населения территории. Количественное
выражение этого критерия осуществляется с помощью
нескольких величин, характеризующих состояние здоро¬
вья населения и их относительной значимости. Критерий
обозначается как индекс демографической напряженнос¬
ти (ИДН):
ИДН = а lg r(0,l-Z-2 B + M)M2 -fc, (3.9)
где и — степень урбанизации территории; доля площади
(от 0 до 1), занятой застройкой городского типа, промыш¬
ленными объектами и коммуникациями; г — плотность
населения, чел./км2; Z — общая годовая заболеваемость
населения (на 1000 чел.); В — рождаемость (на 1000 чел.);
М — общая смертность (на 1000 чел.); Мд — детская смер¬
тность (на 1000 родившихся); k = 10-4 — масштабный мно¬
житель, при котором ИДН = 1.
Разумеется, ЭТТ, ИДН и другие рассмотренные здесь
показатели не исчерпывают всех сторон выявления сте¬
пени техногенного поражения и экологической безопас¬
ности территорий. Необходима еще их социально-эконо¬
мическая оценка и определение затрат на экологическую
безопасность в экономике территорий.
Безопасность экосистемы определяется близостью ее
состояния к границам устойчивости экосистемы. Ключе¬
выми требованиями в этом смысле являются: сохранение
размера и биомассы экосистемы, постоянство видового
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 77
(популяционного) состава и численных соотношений меж¬
ду видами и функциональными группами организмов. От
этого зависит стабильность трофических связей, внутрен¬
них взаимодействий между структурными компонентами
экосистемы и ее продуктивность.
Критерием безопасности (устойчивости) отдельной
популяции в составе экосистемы может служить выраже¬
ние sr < 2г, где г — репродуктивный потенциал, a sr — дис¬
персия его отклонений от среднего уровня. При sr > 2г рез¬
ко возрастает вероятность деградации и вымирания попу¬
ляции.
Для большинства наземных естественных сообществ
показатель разнообразия видового состава (по Симпсону)
имеет значения V = 0,7 ч- 0,9 и более (по Шеннону Vs > 3)*.
Низкое разнообразие на уровне V = 0,05 ч- 0,2 наблюдает¬
ся в посевах монокультур или в сильно деградированных
природных сообществах, когда остается практически один
наиболее устойчивый доминантный вид. Средние значе¬
ния показателя Симпсона (V = 0,2 ч- 0,7) указывают на не¬
устойчивость сообщества. Изменение показателя биораз¬
нообразия более чем на 5% уже свидетельствует о нали¬
чии чрезмерных внешних нагрузок на экосистему, а более
чем на 50% — о чрезвычайно опасном уровне внешнего
воздействия.
Максимальное значение функции благополучия эко¬
системы соответствует вершине диаграммы выживания и
оптимальному сочетанию факторов внешней среды. При
отклонениях от оптимума экосистема вынуждена увели¬
чивать долю материальных и энергетических затрат на
самоподдержание; ее функция благополучия уменьшает¬
ся. Вблизи вершины диаграммы выживания существует об¬
ласть нормального функционирования системы, определя¬
емая на биоинтервале фактора X пределами допустимости
* Разнообразие состава и/или взаимосвязи в системе оценивается по по¬
казателю Г. Симпсона = j или Шеннона = -£/} j* ® этих
формулах V, Vs — индекс разнообразия; Р, — относительная численность
(частота встречаемости) /-го элемента в совокупности п видов =l).
78
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 3.1
Зависимость функции благополучия от фактора,
лимитирующего жизнедеятельность сообщества х
отклонения от нормы Xmin, Xmax (рис. 3.1). Функция бла¬
гополучия экосистемы имеет вид
dE _ dP \ ^min + ^max Xopt
df~df) xmax-xmin
(3.10)
где в скобках — разность между скоростями утилизации
энергии и ее затратами на самоподдержание*.
При Ф -> 0 состояние системы выходит за эти преде¬
лы, начинаются ее структурные нарушения.
Степень антропогенного воздействия на структуру со¬
общества можно определить по формуле
р£ = 1-1/Ф(0)|ф(«)^, 0 < рЕ < 1, (3.11)
S
где s — площадь участка, занимаемого элементарным сооб¬
ществом данной территории; Ф(в) — функция благополу¬
чия сообщества этого участка; S — площадь территории.
* Для случая загрязнения окружающей среды: Xmin и Хтах — показате¬
ли, характеризующие минимальное и максимальное загрязнение ок¬
ружающей среды; Xopt — показатель загрязнения окружающей среды,
соответствующий норме; Е — утилизируемая энергия; — — скорость
ее утилизации; Р — энергия, затраченная на поддержание жизнедея¬
тельности сообществ; ^ — скорость изменения этой энергии.
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ и экологичности 79
Значения рЕ в пределах от 0 до 0,3 соответствуют до¬
пустимым воздействиям, от 0,3 до 0,5 — свидетельствуют
об опасности, при рЕ >0,5 — чрезмерно опасны.
Если в качестве показателей отклонения экосистемы
от оптимального состояния ввести обозначения s = I - V и
z = 1 - Ф, то общей характеристикой степени воздействия
(безотносительно к площади и времени воздействия) яв¬
ляется нормированный модуль:
pA = l/sj2[s2(X) + z2(X)\. (3.12)
Общий вид зависимости рА(Х) приведен на рисун¬
ке 3.2. Могут быть выделены четыре уровня антропоген¬
ных нагрузок на экосистему. В области X <Х0 (зона I) вли¬
яние практически отсутствует.
При Х0<Х <Хе (зона II) благополучие сообщества не¬
сколько снижается, но оно еще не теряет устойчивости и
способно к самовосстановлению. При Х€ < X < Хс (зона III)
экосистема теряет устойчивость, деградирует, может быть
заменена другим сообществом, а при X > Хс (зона IV) про¬
исходит гибель экосистемы.
Рис. 3.2
Зависимость степени антропогенного воздействия (рА)
от уровня антропогенных нагрузок X
80
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Для измерения степени экологической безопасности
человека может быть использована функция здоровья Н>
являющаяся векторной величиной вида:
Я = {т&), Т, T(t), FM(t)> nj(k), ...}, (3.13)
где mt(t) — возрастные коэффициенты заболеваемости и
смертности; Т — средняя продолжительность жизни;
T(t) — ожидаемая продолжительность жизни в возрасте
t; Fm(t) — коэффициент рождаемости в возрасте t (разли¬
чаемый по полу m); n^k) — частоты генетически обуслов¬
ленных болезней (у — категория болезни) по поколениям
k и другие показатели, характеризующие здоровье.
Техногенные воздействия на качество среды и состоя¬
ние человека изменяют все эти величины и функцию здо¬
ровья в целом.
Степень ухудшения качества среды, доходящая до кри¬
тических значений, в основном оценивается по нормиро¬
ванной сумме кратностей превышения нормативных ли¬
митов общей загрязненности воздуха (К{), воды (К2) и
продуктов питания (К3) химическими веществами и ра¬
дионуклидами :
з
Кр =Y,alKi, (3.14)
1=1
где Кр — суммарная кратность превышения нормативно
допустимой общей загрязненности среды обитания людей;
at — весовые коэффициенты, определяющие сравнитель¬
ное значение каждого из слагаемых в зависимости от при¬
родно-климатических и социально-экономических осо¬
бенностей территории. Минимальное значение а{ не мо¬
жет быть меньше единицы.
Кр и Kt называют коэффициентами концентрации заг¬
рязнения (ККЗ). Практика показывает, что за исключе¬
нием аварийных выбросов особо опасных веществ в атмо¬
сферу при неблагоприятных метеоусловиях наибольший
вклад в формирование отрицательных последствий заг¬
рязнения среды для населения приходится на питьевую
воду и продукты питания. В общем случае каждый из по¬
казателей Kt определяется как
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 81
т
ф Й-с/
к~ ’ (3.15)
UiCi
}=1
где Tj — средний индекс вредности у-го компонента заг¬
рязнения в данной среде, Tj =1 /С"; CJ1 — его ПДК в сре¬
де, нормированная относительно ПДК какого-нибудь рас¬
пространенного загрязнителя; Cj — фактическая концен¬
трация у-го компонента в данной среде; <р — коэффициент,
зависящий от специфики распространения поллютантов
в данной среде.
При К > 1 загрязненность данной среды считается кри¬
тической. В еще большей мере это относится к сумме пре¬
вышений в разных средах — Кр> так как при Kv > 1 резко
возрастает риск экологического поражения. Риск — ве¬
роятность поражения — измеряется относительной час¬
тотой случаев поражения за определенное время.
Между уровнем риска и фактической дозовой нагруз¬
кой, создаваемой совокупностью агентов, загрязняющих
воду, продукты питания и воздух, существует тесная
связь. В частности, для области вредных химических или
радиационных воздействий на человека зависимость зна¬
чения риска Rd от суточной дозы D имеет вид
Rd= 1 - ехр[ - M(D)l (3.16)
где M(D) — многочлен не выше третьего порядка от зна¬
чения суточного потребления.
Для расчетов RD наиболее часто применяют формулу
Rd = 1 - ехр[ - (b0 + bxD + b2D2)l (3.17)
где b0 имеет смысл частоты спонтанных мутаций у чело¬
века (при D = 0 это соответствует уровню RD < 10_б).
Коэффициенты Ь1У Ь2 определяют из кривых «доза —
эффект», которые получают в ходе специальных токсико¬
логических экспериментов или в результате эпидемиоло¬
гических исследований на большой выборке.
Суммарная дозовая нагрузка D, создаваемая совокуп¬
ностью агентов, загрязняющих воду, продукты питания
82
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
и воздух (i = 1, 2, 3) за промежуток времени Д£, рассчиты¬
вается по формуле
где Ci; — осредненная за расчетный период концентрация
у-го компонента в i-й среде; — масса или объем потреб¬
ления i-й среды; М — средняя масса реципиента.
Трудности, связанные с определением или расчетом
суточных доз поглощения поллютантов, заставляют ис¬
кать другие показатели оценки экологического риска.
В частности, замена в выражении (3.16) величины D на
величину Кр позволяет получить более универсальную,
хотя и менее точную оценку риска.
Таким образом, если установлены или заданы предель¬
ные значения риска от суточной дозы (RD), то с помощью
расчетной процедуры, использующей зависимости (1.4),
(3.16), (3.17), можно получить предельно допустимые кон¬
центрации поллютантов в среде обитания, больше или
меньше отличающиеся от токсикометрически найденных
ПДК. Здесь важно подчеркнуть, что при правильной оцен¬
ке загрязненности среды (зависимости типа (3.15)) важно
иметь данные об «истинных» ПДК, которые могут суще¬
ственно отличаться от нормативно устанавливаемых ПДК.
В методах расчета ПДТН, использующих функцию
риска, наиболее сложным является вычисление доли рис¬
ка, связанного с загрязнением среды. Упрощенное выра¬
жение для расчета риска экопатологии имеет вид
где DqH = (Р- Рф)э/Рф — относительное превышение фо¬
новой заболеваемости за счет экологических факторов;
N — численность населения территории.
В тех случаях, когда связь между загрязнением среды
и заболеваемостью прослеживается во времени, их зави¬
симость может быть выражена как
(3.18)
^эр — »эН / N,
(3.19)
(3.20)
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 83
где Кр — общая загрязненность среды — сумма кратнос¬
тей превышений ПДК; х, / — параметры логнормального
распределения; /0 — функция Лапласа.
Обработка большого массива данных медстатистики и
экологического мониторинга для разных городов и райо¬
нов России, включая зоны разной степени экологического
поражения, позволила установить закономерность влияния
загрязненности среды на общую заболеваемость (рис. 3.3).
Кривая соответствует эмпирическому уравнению:
Р/РФ=1 +
Рщ ~Рф
рф(1+1оаЬК*У
(3.21)
где Р/Рф — отношение между общей заболеваемостью и
фоновой заболеваемостью при отсутствии экопатологии;
Зависимость превышения региональной фоновой заболеваемости
населения от нормативной загрязненности среды:
Р — общая заболеваемость; Рф — фоновая заболеваемость, не содержащая эле¬
ментов экопатологии; Z — общая загрязненность среды — сумма кратностей пре¬
вышений ПДК. Обозначены координаты (лс, у) — точки достоверного расхожде¬
ния графиков, при котором прирост заболеваемости за счет экопатологии стано¬
вится статистически значимым.
84
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рт — условная максимальная заболеваемость, соответ¬
ствующая крайней экоэпидемиологической ситуации
(100% -ная заболеваемость из-за загрязнения среды); Кр —
общая загрязненность среды; а, b — параметры логисти¬
ческой функции. (Для представленной на рисунке 3.3 кри¬
вой Рф = 0,6; Рт = 3; а = 2,5; Ъ = 0,5.)
Критерием безопасности и нормирования загрязнения
может служить то минимальное значение Кр, при кото¬
ром прирост заболеваемости за счет экопатологии стано¬
вится статистически значимым, т. е. расхождение графи¬
ков Р/Рф(Кр) и Рф(Кр) с их доверительными интервалами
делается достоверным. Полезно обратить внимание на
большое сходство кривых, относящихся к состоянию эко¬
системы (см. рис. 3.2), к состоянию здоровья человека
(см. рис. 3.3).
Кроме приведенных медико-биологических оценок
безопасности и экологического риска, существуют техни¬
ческие критерии безопасности, выработанные на осно¬
ве статистики тяжелых технических аварий. Их коли¬
чественное определение основано на методе двумерных
диаграмм «частота — последствия» и на использовании
пространственно-временной функции риска, которая
характеризует поле риска вокруг технического источ¬
ника.
3 2.
КРИТЕРИИ БЕЗОТХОДНОСТИ
И ЭКОЛОГИЧНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Экологическая оценка влияния промышленного про¬
изводства на среду обитания производится по следующим
показателям:
• достигаемой степени очистки вредных выбросов (ос¬
таточные концентрации сравниваются с предельно до¬
пустимыми концентрациями вредных веществ в атмо¬
сфере, воде, почве — ПДК);
• уровню загрязнения окружающей среды (учитывают¬
ся предельно допустимые уровни шума, инфразвука,
электромагнитных полей и др.);
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 85
• капитальным и эксплуатационным затратам на экоза¬
щитную технику;
• нормативами предельно допустимых выбросов в атмо¬
сферу (ПДВ) и предельно допустимых сбросов загряз¬
няющих веществ в водоемы.
Все эти показатели могут прямо или косвенно охарак¬
теризовать безотходность производства. Кроме того, в ряде
отраслей промышленности России разработаны методи¬
ки, позволяющие оценить степень приближения реально¬
го производства к малоотходному и безотходному. Суще¬
ствуют нормы количества вредных веществ на 1 т готовой
продукции. В химической промышленности в качестве
критерия оценки рекомендуется использовать индекс от¬
носительной токсичности массы (ОТМ):
г =ЩЩ
0 пдк, ’
(3.22)
где /0 — индекс относительной токсичности массы; ПДК,
и ПДК! — предельно допустимые концентрации вещества,
соответственно принятого за эталонный (эталонные ПДКХ
составляют 1 мг/л для воды и 0,01 мг/м3 для воздуха).
С использованием индекса относительной токсичнос¬
ти и концентрации вещества в выбросе С можно рассчи¬
тать относительную токсичность единичного /у, группо¬
вого 1п и суммарного In выбросов:
Ij = I0Ci; (3.23)
/„=£/0Су; (3.24)
/*=£/» =IX;ioQ. (3.25)
Общий индекс относительного загрязнения среды оп¬
ределяется по формуле
^общ=а^+^+Р#л> (3.26)
где 1^91^УЫЛ — индексы относительной токсичности выб¬
росов в атмосферу, воду и на поверхность литосферы; а и
р — коэффициенты, характеризующие перенос загрязняю¬
щих веществ в поверхностные или грунтовые воды с учетом
86
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
фильтрации, сорбции, трансформации (определяются
экспериментально).
ОТМ выбросов находится с учетом объемов единично¬
го, группового и суммарного выбросов:
II
(3.27)
м = I V •
1УЛп 1nv п>
(3.28)
MN = InVn,
(3.29)
где Miy МпУ MN — единичная, групповая и суммарная ток¬
сичные массы выбросов; Viy Vn> VN — единичный, группо¬
вой и суммарный объем выбросов.
Общий баланс ОТМ технологического процесса:
Х(мс+мв)-£мн-Хмр=о, (3.30)
где Мс и Мв — массы отходов, поступающих в окружаю¬
щую среду с газовыми выбросами и сточными водами;
£МН —масса нейтрализованных отходов; ^Мр —мас¬
са рассеянных отходов.
Относительная экологичность процесса объекта пред¬
приятия тогда определяется по формуле
А =
Х(МС+МВ)~ХМВ
£(мс-мв)
х 100%.
(3.31)
Из уравнений видно, что при условии А —> 0 процесс
безотходный. Можно рассчитать ОТМ производственного
цикла цеха Мед за время т:
Мед = 1(МС +МВ)Г - £Мо6щ ' Т, (3.32)
где 2>общ ,х — сумма ОТМ отходов, поступающих в ок-
ружающую среду.
Удельная загрузка на площадь F или объем V окружаю¬
щей среды может быть определена по формулам:
Р =
•^^общ в
F ;
(3.33)
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 87
(3.34)
При помощи показателей токсичности можно опреде¬
лить эффективность природоохранных мероприятий, на¬
пример полную эффективность очистных сооружений:
где 1,2 — индексы, характеризующие величины либо до
и после внедрения нового аппарата, метода, процесса, либо
перед очистными сооружениями и после них.
При оценке уровня загрязнения окружающей среды
необходимо иметь в виду, что для однородной среды (ат¬
мосферы, гидросферы) на основании существующих са¬
нитарных норм обязательно соблюдается условие
где — относительная токсичность i-ro единичного выб¬
роса.
В частности, при оценке загрязнения водной среды
поступают следующим образом. Если в сточных водах,
выпускаемых с предприятия в водоем, присутствуют од¬
новременно вещества, относящиеся к различным группам
по лимитирующим показателям вредности (санитарно¬
токсикологического — ст, токсикологического — т, обще¬
санитарного — ос) действия, следует вначале привести их
к суммарным значениям ОТМ внутри каждой группы (Мст,
Мт, Мос), а затем к общей ОТМ (М®бщ):
Сопоставление частных ОТМ в сбросах в водоем по
группам вредности позволяет выявить, какие вещества
создают неблагоприятную обстановку в водоеме, и опре¬
делить конкретные меры безопасности. ОТМ каждой
группы веществ, отнесенная к площади водосбора в еди¬
ницу времени, представляет собой модуль химического
стока в единицах ОТМ с площади F промышленной пло¬
щадки:
(3.35)
(3.36)
(3.37)
88
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Мв
мх.с.=—р-, (3.38)
где Мх с — модуль химического стока.
Этот показатель в сопоставлении с модулем естествен¬
но-ионного стока характеризует нагрузку на окружающую
среду в исследуемом районе.
В качестве единицы ОТМ принята условная единица
1 етм, соответствующая загрязненности 1 м3 природной
или техногенной среды 1 кг ОТМ.
Кроме приведенных показателей, в рассматриваемых
отраслях отечественной промышленности используются
и другие характеристики, позволяющие судить о малоот-
ходности или безотходности производства.
В цветной металлургии принято использовать коэф¬
фициент комплексности, представляющий собой отноше¬
ние массы полезных компонентов, извлекаемых из пере¬
рабатываемого сырья, к общей массе сырья. Этот коэф¬
фициент выражается в процентах по массе. В настоящее
время на многих предприятиях этой отрасли данный ко¬
эффициент уже превышает 80%.
Аналогичный коэффициент введен в угольной про¬
мышленности. Он называется коэффициентом безотход¬
ности производства (К£>%) и может быть определен из
следующего равенства:
Kf =0,33 (К£+К* +/ф, (3.39)
где К1 — коэффициент использования породы, образую¬
щейся в результате горных работ, %; — коэффици¬
ент использования попутно забираемой воды, образую¬
щейся при добыче угля, %; Щ —коэффициент использо¬
вания пылегазовых отходов, %.
Следует указать, что в ряде случаев при использова¬
нии наряду с вновь образующейся породой также отвалов
прошлых лет величина этого коэффициента может пре¬
высить 100%.
Наиболее информативным и удобным для практичес¬
кого применения является коэффициент безотходности
Кб, используемый в химической промышленности. Этот
коэффициент характеризует полноту использования в
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 89
производстве минеральных и энергетических ресурсов,
а также интенсивность воздействия этого производства
на окружающую среду. Он выражается следующей фор¬
мулой:
К6 = ц> Км К3- Кя, (3.40)
где ср — коэффициент пропорциональности, определяе¬
мый эмпирически; Км — коэффициент полноты исполь¬
зования материальных ресурсов; Кй — коэффициент со¬
ответствия экологическим требованиям; Кэ характеризу¬
ет полноту использования энергетических ресурсов; К6 —
безразмерная величина, лежащая в пределах от нуля до
единицы.
Величины Км, Кэ и Кй рассчитываются по следующим
формулам:
п0+£пд
м m00+mbo+Xm/ (3,41)
где П0 — масса основной продукции; Пд — масса дополни¬
тельной продукции; М00 — масса основного сырья и мате¬
риалов основного производства; Мво — масса сырья и ма¬
териалов вспомогательного производства; Мд — масса до¬
полнительного сырья и материалов;
К» =
тепловой
фактический
^ПД теоретический тепловой
Уд-Уф
Уд+Уф’
(3.42)
(3.43)
где Уд — допустимый ущерб, который возникает в случае
соответствия выбросов (сбросов) предельно допустимых,
руб./год; Уф — фактический ущерб, руб./год.
Если Кб лежит в пределах 0,8-0,9, то производство от¬
носится к малоотходному, а при К6 = 0,9-0,98 — к безот¬
ходному. Кроме химической промышленности, Кб может
быть использован для характеристики производства и в
других отраслях промышленности.
Для оценки степени совершенства технологическо¬
го процесса, учитывая взаимодействие с окружающей
90
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
средой, может быть принят коэффициент экологического
действия (к. э. д.), определяемый как
К =
Вт
Вт
Вф Вт + Вп
(3.44)
где К — коэффициент экологического действия (к. э. д.);
Вт — теоретическое воздействие, необходимое для произ¬
водства; Вф — фактическое воздействие; Вп — воздействие,
определяемое конкретным производством.
Если Вф > > Вт, то#->0, т. е. данное производство аб¬
солютно не учитывает требование экологической безопас¬
ности. Чем выше значение коэффициента экологического
действия К у тем более совершенно производство с учетом
воздействия на окружающую среду, тем более существен¬
но его приближение к безотходной технологии.
Существуют также зависимости, позволяющие рассчи¬
тать экономический и социально-экономический эффект
от использования безотходных производств. Как уже ука¬
зывалось выше, при безотходном производстве рациональ¬
но используются сырье и энергия и отсутствует вредное вли¬
яние на окружающую среду. Экономический эффект в этом
случае рассчитывается по следующей зависимости:
Э = Эн.в + Эу + Эр, (3.45)
где Э — экономический эффект от использования безот¬
ходного производства; Эн в — экономический эффект от
использования отходов производства; Эу — экономичес¬
кий эффект от предотвращения социально-экономическо¬
го ущерба от загрязнения окружающей среды; Эр — эко¬
номический эффект от снижения затрат на добычу сырья
(региональный эффект) за счет использования отходов
производства.
Первые два слагаемых, входящие в предыдущее равен¬
ство, определяются следующим образом:
Эн.в = Z • п f • Зп, (3.46)
где Z — замыкающие затраты на данный вид продукции;
п — количество используемых отходов; f — коэффициент,
учитывающий количественное соотношение отходов и
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 91
исходного сырья; Зп — приведенные затраты на вторич¬
ное использование отходов в производственном цикле.
Эу рассчитывают так:
Эу = Ув-Уф, (3.47)
где Ув — возможный ущерб при отсутствии природоохран¬
ных мероприятий, выраженный в стоимостной форме;
Уф — фактический ущерб, выраженный в стоимостной
форме и существующий в данное время.
Региональный эффект Эр может быть представлен
возможным снижением приведенных затрат на едини¬
цу продукции за счет использования отходов производ¬
ства.
Социально-экономический эффект безотходных про¬
изводств (Эс) определяется по комплексному критерию:
£э*-у
Эс =-^-= мпах, (3.48)
где У — ущерб от загрязнения окружающей среды отхо¬
дами производства и потребления; Зп — полные затраты
п
на осуществление безотходного производства; * — сум-
i=1
ма всех эффектов, достигаемых при внедрении безотход¬
ного производства:
п 5
= =Э1 +э2 +Э3 +Э4 +Э5, (3.49)
i=i i=i
где Эх — эффект от производства конечной продукции,
полученной при внедрении безотходного производства и
более полного использования исходного сырья; Э2 — эф¬
фект от потребления конечной продукции, полученной
при внедрении безотходного производства; Э3 — экономия
затрат на разведку, добычу и транспортировку отдельно¬
го ресурса; Э4 — эффект от комплексного развития регио¬
на и совершенствования размещения производительных
сил; Э5 — внешнеторговый эффект (сокращение импорта
или рост экспорта сырья, продуктов переработки, конеч¬
ного продукта).
92
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
При наличии ряда вариантов безотходного производства
выбирают такой, у которого величина Эс наибольшая при
равных или близких по значению хозяйственных затратах.
Рассмотренные выше показатели качества окружаю¬
щей среды обладают следующими недостатками:
1) они не учитывают одновременного влияния на ок¬
ружающую среду химического, технологического и эко¬
логического факторов соответствующего процесса;
2) их расчет достаточно сложен и не всегда возможен
из-за отсутствия необходимых данных о материальных и
энергетических характеристиках процесса, его экологич¬
ности.
Для оценки воздействия промышленного производства
на окружающую среду, и в первую очередь эффективнос¬
ти ее защиты, можно использовать безразмерные критерии,
учитывающие влияние на ее состояние вышеперечислен¬
ных факторов производственного и экозащитного процес¬
сов (Д. А. Кривошеин, М. Д. Харламова, В. П. Зволинс-
кий). Они в принципе аналогичны критериям подобия
(Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля и др.), которые исполь¬
зуют при физическом моделировании.
Основные требования, предъявляемые к критериям:
1) они должны учитывать влияние на состояние окру¬
жающей среды химического, технологического и эколо¬
гического факторов производственного и экозащитного
процессов;
2) математическая структура рассматриваемых крите¬
риев должна быть простой. При любых значениях пере¬
менных, входящих в его состав, критерий должен быть
определен количественно (не должны присутствовать не-
0 оо
определенности типа 7г или — );
U оо
3) эти критерии должны быть безразмерными;
4) для расчета критериев достаточно использовать ми¬
нимальное количество имеющихся исходных данных;
5) они должны с удовлетворительной точностью харак¬
теризовать загрязнение окружающей среды, возникающее
при воздействии промышленного предприятия, а также
эффективность используемого экозащитного процесса.
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 93
Критерии могут быть рассчитаны для случаев односту¬
пенчатой и многоступенчатой очистки.
В основу критерия положено известное понятие отно¬
сительной концентрации:
Т?*2-, (3.50)
где Свых — концентрация загрязняющего вещества на вы¬
ходе из очистного устройства; Сфон — средняя концентра¬
ция загрязняющего вещества в одном из компонентов ок¬
ружающей среды (фоновая концентрация).
Теоретически величина Сфон в одном объекте не долж¬
на превышать ПДК загрязняющего вещества. Тогда пре¬
дыдущее выражение можно переписать в следующем виде:
С С
_^ВЫХ_
ПДК’ д ПДК
(3.51)
Влияние технологического фактора может быть оха¬
рактеризовано эффективностью очистки, достигаемой при
использовании экозащитного процесса или аппарата:
Л =
(3.52)
где г| — эффективность очистки; Свх — входная концент¬
рация загрязняющего компонента в сбросах, поступаю¬
щих на очистку.
Выразив из последнего уравнения величину Свых через
г|, получим
Свых = С»х(1-л)
Сфон пдк
(3.53)
Полученное отношение обозначается символом Кгх и
называется критерием техногенного загрязнения окружаю¬
щей среды при одноступенчатой очистке, т. е.
Кгi
Свх(1~Л)
ПДК •
(3.54)
Его также можно назвать критерием эффективности
экозащитного процесса при одноступенчатой очистке.
94
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Случаю абсолютной очистки соответствует критерий
Кгг = 0, т. е. чем выше степень очистки, тем меньше зна¬
чение критерия Кгг для любого экозащитного процесса,
или чем меньше значение Кги тем меньше концентрация
вещества в окружающей среде. Норматив качества окру¬
жающей среды соблюдается при Кгг < 1.
Для случая многоступенчатой очистки Кгп имеем
где Кгп — критерий техногенного загрязнения окружаю¬
щей среды при многоступенчатой очистке; r\t — эффектив¬
ность очистки на п-й ступени очистки; Свх1 — входная кон¬
центрация загрязняющего вещества на входе в очистное
устройство.
Рассмотрим далее, как используется критерий Кгг для
оценки загрязнения, возникающего при воздействии про¬
мышленного предприятия, а также для характеристики
эффективности используемого экозащитного процесса.
Критерий Кгг позволяет:
1) отбраковать все экозащитные процессы и аппараты,
не обеспечивающие нормативов качества окружающей сре¬
ды, а также определить требуемую степень очистки выбро¬
сов или сбросов, исходя из Свх и остаточного (после очист¬
ки) содержания токсичных веществ в окружающей среде;
2) сравнить эффективность проведенных экозащитных
мероприятий, основываясь на остаточном содержании
токсичных веществ в окружающей среде;
3) использовать этот критерий при расчете эффектов
суммации при содержании нескольких вредных веществ
в воздушной или водной среде.
Рассмотрим первую задачу, решаемую с помощью кри¬
терия Кгг. Он характеризует состояние окружающей сре¬
ды при одноступенчатой очистке. Его применение имеет
смысл, если Krx < 1. Только в этом случае соблюдается нор¬
матив качества воздушной или водной среды: Свых < ПДК.
В противном случае использованный экозащитный про¬
цесс является неэффективным и исключается из дальней¬
шего рассмотрения.
(3.55)
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ 95
Предположим, что на два различных очистных устрой¬
ства поступают газовоздушные выбросы или водные сбро¬
сы. Концентрация токсичного вещества в первом случае
составляет 4ПДК} (т.е. = 4 ], а во втором случае
V ПДК! )
8ПДК2 [т.е. = 81. Эффективность очистки для пер-
V ПДК2 )
вого устройства составляет т\г = 0,5, а для второго случая
г|2 = 0,9. Рассчитаем значение критерия Кгх для первого и
второго случаев:
(3.56)
(3.57)
Из вышеизложенного следует, что только второе уст¬
ройство может быть использовано для защиты окружаю¬
щей среды, так как Kr{< 1. Альтернативный способ за¬
щиты должен быть сразу отбракован и в дальнейшем не
рассматриваться.
Рассмотрим далее, как влияет на поведение критерия
Кгх увеличение концентрации загрязняющего вещества в
выбросах или сбросах, поступающих на очистку.
Предположим, что при использовании второго устрой¬
ства концентрация загрязняющего вещества выросла в
10 раз и составила 80ПДК2. Тогда значение Кгх для этого
случая: ^^=80 0,1 = 8.
В соответствии с требованием соблюдения норматива
количества окружающей среды Кгг < 1 в этом случае бра¬
куется и второе экозащитное устройство из рассмотрен¬
ного нами примера, так как Kr{> 1.
Отметим также, что если Кгг > 1 для используемых
экозащитных мероприятий, то этот критерий несет ин¬
формацию только о загрязнении окружающей среды пос¬
ле их применения и сравнивать между собой эффектив¬
ность эксплуатируемых защитных устройств бессмысленно,
96
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
так как они не обеспечивают соблюдение нормативов ка¬
чества окружающей среды.
Покажем далее, как можно практически использовать
критерий Кгг для определения требуемой степени очист¬
ки выбросов или сбросов, исходя из Свх, а также для реше¬
ния обратной задачи: основываясь на предельно возмож¬
ной степени очистки, определить максимально допусти¬
мую концентрацию вредного вещества в выбросе, которую
можно очистить при данном г|.
Для этого выразим г\ из выражения (3.55) для крите¬
рия Кгг:
л = 1 -Кп
пдк
(3.58)
Построим график зависимости r\ = f •
при фик¬
сированных значениях Кгг. Охарактеризуем переменные
и их отношения, входящие в эту зависимость.
пдк
по¬
казывает, во сколько раз концентрация поступающего на
очистку токсичного вещества превышает его ПДК в соот¬
ветствующей среде. Кгг — это относительная концентра¬
ция токсичного вещества в окружающей среде после очи¬
стки. Как уже указывалось выше, Krx < 1.
График рассматриваемой зависимости представлен на
рисунке 3.4. Отметим, что область на нем при Кгг > 1 —это
область недопустимых значений загрязнения окружающей
среды. Как следует из определения, если Кгг = 0, то это
означает, что окружающая среда совсем не загрязняется
вредным веществом. Это возможно в двух случаях: при
Свх = 0, что в практическом плане не представляет инте¬
реса, или при г| = 1, т. е. при полной очистке соответству¬
ющего выброса или сброса.
Покажем, как практически можно использовать по¬
лученный график для определения необходимой степени
очистки воздушного выброса или водного сброса от ток¬
сичных веществ. Для этого необходимо задать две вели¬
чины: концентрацию токсичного вещества на входе в очи-
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ и экологичности 97
Рис. 3.4
Зависимость требуемой степени очистки выбросов
/г Свх
ИЛИ сбросов Т] ОТ цдК •
1 — Кгх = 0; 2 — Кгх = 0,2; 3 — = 0,4; 4 — Кгх = 0,6; 5 — Кг^ 0,8; 6 — Кгх = 1.
стное устройство в виде отношения
и содержание
пдк
его в соответствующей среде после очистки, выраженное
через критерий Кгх. Предположим, что на входе в очист¬
ное устройство концентрация вредного вещества превы-
Q
шает ПДК на него в 10 раз (т. е. щц£ = Ю )> после очистки
необходимо обеспечить содержание этого вещества в среде
(водной или воздушной на уровне 0,8ПДК, т. е. Кгх = 0,8).
По графику определяем, что при этих переменных степень
очистки должна быть ц = 0,92. Исходя из этой величины,
можно подобрать соответствующее экозащитное устрой¬
ство.
98
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рассмотрим обратную задачу: определим максимально
допустимую концентрацию вредного вещества в выбросе,
которую можно очистить при заданном ц. Зададим концен¬
трацию параметров: максимальная степень очистки от ка¬
кого-либо вредного вещества составляет 0,9. В окружающей
среде после очистки концентрация вредного вещества дол¬
жна составлять 0,4ПДК, т. е. Кгг = 0,4. По графику опреде¬
лим, что наибольшая концентрация вещества, поступаю-
г = 4,0.
щего на очистку, должна составлять 4ПДК, т. е. -
ПДК
Отметим, что если при максимально возможном значении
г| не удается очистить до требуемых концентраций выбро¬
сы или сбросы, то необходимо переходить к многостадий¬
ной очистке и использовать для ее выбора критерий Кг2.
Решим теперь вторую задачу, т. е. сравним эффектив¬
ность проведенных экозащитных мероприятий, основы¬
ваясь на остаточном содержании токсичных веществ в ок¬
ружающей среде.
На два различных очистных устройства поступают га¬
зовоздушные выбросы или водные сбросы. Концентрация
токсичного вещества в первом случае составляет 5ПДК!
с;х
•ПДК,
= 5
, а во втором случае — 7ПДК2
т. е.
пдк2
= 7 .Эффективность первого устройства составляет г\х =
= 0,88, а второго — т|2 = 0,9. Рассчитаем значение крите¬
риев Кг для первого и второго случаев:
- л,) = 5(1 - °,88) = 2 • °Д 2 = °,6;
Кг{=вдк7(1" Л2}=7(1" 0,9)=7 ‘од=°’7-
Полученные данные свидетельствуют о том, что при ис¬
пользовании обоих очистных устройств нормативы качества
окружающей среды достигаются, так как Кг{ <1иКг{<1.
Q
Учитывая, что Кгг = , то концентрация загряз-
ПДКХ
няющего вещества в первом случае составит 0,6ПДКХ, а во
втором — 0,7ПДК2.
3. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ, БЕЗОТХОДНОСТИ и экологичности 99
Сравнить эффективность примененных экозащитных
мероприятий можно исходя из остаточной концентрации
загрязняющего вещества в водной или воздушной среде.
В первом случае она составляет в относительных еди¬
ницах 0,6(Jifri) = 0,6, а во втором— 0>7(Кг{) = 0>7. Вычис¬
лим отношение этих критериев:
Кг{/Кг{ = 0,7/0,6*1,17.
Таким образом, после применения первого экозащит¬
ного устройства загрязнение окружающей среды в 1,17 раза
меньше, чем при применении второго. Это отношение мо¬
жет служить мерой эффективности сравниваемых экоза¬
щитных мероприятий.
Для случая многоступенчатой схемы очистки исполь¬
зуют критерий Кгп. Его применение аналогично примене¬
нию критерия Кгг. Для сравнения двух многостадийных
способов очистки рассчитывают соответствующие крите¬
рии Кг'п и КгЦ . Чем больше значение соответствующего
критерия Кг'п , тем менее эффективен применяемый спо¬
соб защиты окружающей среды. После этого составляют
отношение Кг”/Кг„ , которое показывает, во сколько раз
эффективность второго способа защиты окружающей сре¬
ды меньше, чем первого.
Приведем пример. Предположим, что на очистку по¬
ступает газопылевая смесь свинцового производства. На¬
чальная относительная концентрация свинца составля¬
ет (ПДКРЬ = 0,0003 мг/м3). При проведении очистки необ¬
ходимо снизить содержание пыли на выходе из очистных
сооружений до величины ПДК в воздухе или ниже. Для
очистки выбираем применяемые на практике трехступен¬
чатые технологические схемы очистки от свинцовой пыли.
Первую из них обычно используют для очистки газо¬
пылевой смеси от среднедисперсной пыли (d3KB >15 мкм),
а вторую — для мелкодисперсной пыли (d3KB < 10 мкм). Ис¬
пользуемые схемы очистки, а также значения эффектив¬
ности очистки для каждой ступени представлены на ри¬
сунке 3.5.
Рассчитаем Кг'п и КгЦ для соответствующих схем очи¬
стки.
100
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
На очистку
б
На очистку
Рис. 3.5
Трехступенчатые технологические схемы очистки
газопылевых смесей от свинцовой пыли:
а — очистка от среднедисперсной пыли; б — очистка от мелкодисперсной пыли.
Для первой схемы: =4000 [(1-0,985)(1-0,6)(1-
-0,96)] = 0,96. Для второй схемы: Ю-п" = 4000 [(1-0,89)(1-
-0,5)(1-0,998)] = 0,44.
Так как рассчитанные значения Кг„ и Кг” меньше
единицы, то выполняется основное экологическое требо¬
вание СВЬ1Х < ПДК. Из соотношения Кгп/Кг” следует, что
эффективность первой экозащитной схемы в Ктп/Кт” =
- 0,96/0,44 * 2,18раза ниже, чем второй, т. е. применение
второй технологической схемы для защиты воздушной
среду предпочтительнее.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите основной критерий безопасности.
2. Как определяется степень напряженности экологической об¬
становки территории?
3. Что представляет собой экологическая техноемкость территории?
4. Как определяется безопасность экосистемы?
5. Как измеряется степень экологической безопасности человека?
6. По каким показателям производится экологическая оценка
влияния промышленного производства на среду обитания?
7. Какие зависимости позволяют рассчитать экономический и
социально-экономический эффект от использования безотход¬
ных производств?
8. Какими недостатками обладают показатели качества окружаю¬
щей среды?
9. Перечислите основные требования, предъявляемые к безраз¬
мерным критериям.
10. Как используется критерий Кгх для оценки загрязнения, воз¬
никающего при воздействии промышленного предприятия?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД
К ОЦЕНКЕ ТЕХНОГЕННОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
4.1.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНТРОПИИ
И СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ
Для оценки антропогенного воздействия на окружающую
среду и эффективности ее защиты целесообразно также
использовать некий универсальный критерий, который
позволял бы трактовать загрязнение окружающей среды
с энергетических позиций. Это упростило бы сравнение
используемых методов и способов ее защиты, основанных
иногда на совершенно различных принципах. Таким тре¬
бованиям соответствует термодинамический критерий.
Обычно в качестве термодинамической характеристи¬
ки организмов, экосистем и биосферы в целом выбирают
энтропию. Ю. Одум указывает: «...экосистемы представ¬
ляют собой открытые неравновесные термодинамические
системы, обменивающиеся с окружающей средой энергией
и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но
увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термо¬
динамики» (см. п. 2.5.1).
В открытых неравновесных системах любой процесс,
приводящий к загрязнению окружающей среды, вызыва¬
ет увеличение энтропии, т. е. dtS > 0, при этом член deS,
соответствующий обмену, не имеет определенного знака.
Общее изменение энтропии обусловлено величинами dtS
и deS, их знаками и соотношением абсолютных значений.
Поэтому, используя величину dS, невозможно однознач¬
но оценить воздействие того или иного антропогенного
102
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
фактора. Проще оценить работу, затрачиваемую на сни¬
жение концентрации загрязняющего вещества в окружа¬
ющей среде до нормативного уровня (до ПДК).
При сбросе загрязнений изменение энергии характе¬
ризуется полной работой, соответствующей переходу тер¬
модинамической системы из состояния 1 (в среде отсут¬
ствует конкретный загрязнитель или его концентрация
меньше ПДК) в состояние 2 (более высокий уровень заг¬
рязнения).
Обратный процесс из состояния 2 в состояние 1 с эко¬
логической точки зрения означает очистку воздушной или
водной среды от соответствующего загрязнителя (до уров¬
ня ПДК). Чем сильнее загрязнена среда, тем большая ра¬
бота требуется для ее восстановления до исходного состо¬
яния.
Если при сбросе в окружающую среду загрязнителей
ее температура и давление остаются постоянными (или
изменение этих параметров пренебрежимо мало), то для
процессов со стационарным потоком полная и полезная
работа может быть оценена величиной изменения свобод¬
ной энергии, происходящей при переходе системы из со¬
стояния 1 в состояние 2:
-AG = G1- G2, (4.1)
где AG — изменение свободной энергии при переходе сис¬
темы из состояния 1 в состояние 2; Gx — свободная энер¬
гия в состоянии 1; G2 — свободная энергия в состоянии 2.
Отрицательный знак при AG означает, что система сама
производит работу над внешней средой, а положительный
указывает на то, что над системой работа производится
извне. Обозначив максимальную полную или полезную
работу символом WBHJ можем записать ее связь с AG:
A G = ~Wm (4.2)
или
-AG = WBB. (4.3)
В том случае, если система самопроизвольно соверша¬
ет работу над окружающей средой (AG < 0), то WBn — по¬
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 103
ложительна. В противном случае если над системой про¬
изводится внешняя работа, то AG > 0 и WBB < 0.
Связь между изменением свободной энергии Гиббса и
приращением энтропии AS при постоянных температуре
и давлении определяется следующим выражением:
AG = АН - TAS, (4.4)
где АН — изменение энтальпии системы при ее переходе
из состояния 1 в состояние 2; Т — температура процесса,
К; AS — изменение энтропии системы при ее переходе из
состояния 1 в состояние 2.
В монографии П. Эткинса указывается: «Величина AG
была введена на основании аргументов о естественной тен¬
денции энтропии Вселенной к увеличению при самопро¬
извольном изменении. AG концентрирует наше внимание
на системе, позволяет не рассматривать в явном виде энт¬
ропию окружающей среды». Таким образом, функция
Гиббса позволяет учесть изменение энтропии при проте¬
кании процесса как в самой термодинамической системе,
так и в окружающей ее среде. При этом изменение энтро¬
пии окружающей среды характеризует член АН, а изме¬
нение энтропии самой системы — член TAS. Полная энт¬
ропия, связанная с величиной AG, определяет направле¬
ние естественного изменения: при преобладании влияния
TAS, изменение общей энтропии («энтропии Вселенной»
по П. Эткинсу) определяется изменением энтропии самой
системы, а в противном случае (преобладает влияние АН)
доминирует изменение энтропии окружающей среды.
Учитывая вышеизложенное, мы использовали изме¬
нение свободной энергии Гиббса и связанную с ней меру
наибольшей полезной работы, которую система способна
совершать в условиях Т = const и Р = const в равновесном
процессе над окружающей средой, в качестве термодина¬
мического критерия, характеризующего техногенное заг¬
рязнение окружающей среды и требуемую эффективность
используемых экозащитных процессов*.
ф Учет всех переменных этого процесса можно провести при расчете
его эксергии (п. 4.2 данного пособия).
104
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Для практических расчетов можно использовать два
уравнения, характеризующих изменение энергии Гиббса
при постоянной температуре, предполагая, что при выб¬
росе загрязняющих веществ в воздушную и водную среды
их температура не меняется (например, в случае холод¬
ных газовых выбросов в атмосферу). Эти уравнения запи¬
сываются в следующем виде:
• для газа
AG = RT%- = 2,3RTlg%-; (4.5)
*А *Л
• для раствора
AG = RT^- = 2,3RTlg^-. (4.6)
Cl Cl
Входящие в эти выражения величины трактуются сле¬
дующим образом: Рх — парциальное давление токсичной
i-vi примеси в воздушной среде до ее загрязнения; Р2 —
парциальное давление токсичной i-й примеси в воздуш¬
ной среде после ее загрязнения; Сх — концентрация ток¬
сичной i-ifc примеси в водной среде до ее загрязнения; С2 —
концентрация токсичной i-й примеси в водной среде пос¬
ле ее загрязнения; R — универсальная газовая постоян¬
ная; Т — абсолютная температура.
В дальнейшем в данной работе мы будем использо¬
вать для характеристики начального и конечного состо¬
яния воздушной или водной сред индексы «н» и «к» (на¬
чальное или конечное состояние системы). Тогда Рх = Рн,
Ci = Сн, Р2 — Рк, С2 — Ск.
Корректность использования уравнений (4.5) и (4.6),
на наш взгляд, можно обосновать следующим образом.
С экологической точки зрения рассчитываемая AG долж¬
на отражать загрязнение токсичным веществом воздуш¬
ной или водной среды, а также характеризовать эффек¬
тивность используемых экозащитных процессов.
Применительно к загрязнению воздушной среды не¬
обходимо знать, как изменяется энергия Гиббса в зависи¬
мости от изменения парциального давления Pt токсич¬
ного компонента в воздушной среде. Изменение парци¬
альной энергии Гиббса для одного моля компонента i
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 105
(токсичной примеси) в смеси (воздушной среде) может
быть записано следующим образом*:
AG. =kGt+RTlnPi9 (4.7)
где AGt — парциальное значение энергии Гиббса для од¬
ного моля i-го компонента (токсичного) в смеси (воздуш¬
ной среде); kGi — сумма членов, не изменяющихся при
постоянной температуре для данного вида и количества
газа; эта величина численно равна значению G для одного
моля газа при Р = 0,1013 МПа; Рь — парциальное давле¬
ние токсичной i-й примеси в воздушной среде до ее заг¬
рязнения (i?'=i\) и после загрязнения (Р”=Р2).
Обозначив парциальное значение энергии Гиббса в на¬
чальном состоянии G/, а в конечном — G”, можно запи¬
сать выражение для изменения энергии Гиббса при возра¬
стании парциального давления i-й токсичной примеси от
Р\ до Р2:
AG = G2-G[ = (ko. +Д!Г1пР2)-(Ас( +ДГ1пР1) =
= RT(lnP2 -1п/>1) = ДГ1п^-. (4.8)
Р\
Таким образом, полученное из термодинамических
предпосылок выражение (4.8) совпало с уравнением (4.5).
Аналогично можно обосновать правильность выбора
уравнения (4.6) при изменении концентрации токсичной
i-й примеси в водной среде. Вывод выражения для разбав¬
ленных растворов приведен в работе В. В. Кафарова**.
Необходимо подчеркнуть, что выражения (4.5) и (4.6)
применимы к идеальным газам и разбавленным раство¬
рам, находящимся в изотермических условиях. В дальней¬
шем при использовании данных уравнений предполагает¬
ся, что при выбросах или сбросах в окружающую среду
загрязняющих веществ температура воздуха или воды не
меняется, т. е. в воздушной или водной средах происходят
* См. Бретшнайдер С., Кавецкий В., ЛейкоЯ. идр. Общие основы
химической технологии. Л. : Химия, 1977. 504 с.
** Кафаров В. В., Дорохов И. if., Арутюнов С. Ю. Системный анализ
процессов химической технологии. М. : Наука, 1985. 440 с.
106
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
лишь диффузионные процессы, заключающиеся в рассе¬
ивании или разбавлении токсичных примесей.
Кроме того, отметим, что при ориентировочных рас¬
четах (точность до 10%) воздух можно считать идеальной
газовой смесью и применять к нему уравнения состояния
идеального газа и закон Дальтона. Учитывая достаточно
малые концентрации токсичных веществ (например, тяже¬
лых металлов) в стоках, их можно отнести к разбавленным
растворам. Таким образом, результаты проведенного ана¬
лиза позволяют рекомендовать уравнения (4.5) и (4.6) для
практических расчетов термодинамического критерия.
Рассмотрим теперь, как интерпретировать AG в двух
случаях: при непосредственном сбросе загрязняющих ве¬
ществ в окружающую среду и при использовании экоза¬
щитных процессов (очистных устройств).
Схема загрязнения окружающей среды при непосред¬
ственном поступлении в нее загрязняющих веществ (без
использования очистных устройств) представлена на ри¬
сунке 4.1.
Запишем уравнение (4.6) в виде
AG = 2,3RTlg^ = 2,3RTlg^^, (4.9)
где ПДК — предельно допустимая концентрация загряз¬
няющего вещества в водной или воздушной средах.
Предполагается, что начальная концентрация загряз¬
няющего вещества в воздушной или водной среде равна
ПДК (в принципе, значение Сн может быть задано любым).
Q
Определим знак AG. Для этого случая Ск >СН,—1->1,
С
AG > 0, lg—^ положителен. Это означает, что над системой
Газообразные выбросы
или водные сбросы. | Воздушная или водная
содержащие среда (СК>СН)
загрязняющие
вещества
Рис. 4.1
Сброс загрязняющего вещества в окружающую среду без очистки:
Св — начальная концентрация загрязняющего вещества в водной или воздушной
среде; Ск — конечная концентрация загрязняющего вещества в указанных сре¬
дах после прекращения выбросов или сбросов.
Технологический
процесс
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 107
работа производится извне (несамостоятельный процесс)
за счет воздействия на окружающую среду технологичес¬
кого процесса, который часть своей энергии затрачивает
на ее загрязнение токсичными веществами. Для возвра¬
щения системы (окружающей среды) в первоначальное
состояние, т. е. для снижения концентрации загрязняю¬
щего вещества путем очистки до первоначальных значе¬
ний Сн = ПДК, необходимо затратить внешнюю работу: -
Wm = AG.
В реальных условиях затраченная работа будет пре¬
вышать -WBB, так как процесс очистки происходит в ус¬
ловиях, отличных от равновесных. Таким образом, при
непосредственном (без очистки) сбросе загрязняющих ве¬
ществ в окружающую среду AG > 0 и WBB < 0.
Рассмотрим теперь случай использования экозащит¬
ных процессов для снижения загрязнения окружающей
среды. Его схема представлена на рисунке 4.2.
Условие эффективной очистки определится выраже¬
нием
Ск<ПДК<Сн. (4.10)
С учетом этого при очистке до ПДК выражение (4.6)
можно записать в следующем виде:
AG = 2,3flrig^ = 2,3fiTlg^®. (4.11)
Определим знак AG, используя выражение (4.12). Учи-
Q
тывая, что Ск <CH,lg—-<0,AG<0 — отрицательная. От-
'-'н
рицательное значение AG означает, что система может
Технологический
процесс
Газообразные выбросы
или водные сбросы
содержащие
загрязняющие
вещества (Сн)
(С„<са)
Экозащитный
процесс или
устройство
Очищенные
газообразные
выОоры или
водные сбросы (Ск)
Рис. 4.2
Использование экозащитного процесса или устройства
для очистки газообразных выбросов или водных сбросов:
Св — начальная концентрация загрязняющего вещества до очистки; Ск — его ко¬
нечная концентрация после очистки.
108
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
производить работу над внешней средой, т. е. WBH > 0 (са¬
мопроизвольный процесс). С экологической точки зрения
это означает, что в случае смешения очищенных выбро¬
сов или сбросов с неочищенными либо с воздухом или во¬
дой, в которых концентрация такого же загрязняющего
вещества больше Ск, его содержание в рассматриваемых
средах самопроизвольно, т. е. без затрат внешней энергии,
снижается (происходит самоочищение окружающей сре¬
ды). Этот прием применяется в промышленной экологии и
заключается в смешении неочищенных выбросов или сбро¬
сов с очищенными либо с чистыми воздухом или водой в
соответствующих соотношениях. Такие операции называ¬
ют рассеиванием или разбавлением воздушных выбросов
или водных сбросов. Для этого случая AG < 0 и WBH > 0.
Из вышеизложенного следует, что величины AG или
WBB являются достаточно информативными при анали¬
зе техногенного загрязнения окружающей среды или
при оценке эффективности применяемых экозащитных
процессов и могут быть использованы для их характе¬
ристики. Укажем, что, зная величину AG, можно опре¬
делить и изменение энтропии AS. Связь между этими
величинами в рассматриваемом случае выразится соот¬
ношением
Из него следует, что если AG < 0, то AS > 0 (при само¬
произвольных процессах энтропия в системе возрастает)
и при AG > 0, то AS < 0 (если над системой производится
внешняя работа, то в ней может происходить локальное
снижение энтропии).
Для практических расчетов AS может быть использо¬
вано выражение
(4.12)
AS = -2,ZRlg%-.
(4.13)
Анализируя уравнения (4.5) и (4.6), отметим, что лишь
выражение (4.6) для растворов удобно для вычисления
свободной энергии Гиббса, так как в него входят значения
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 109
концентраций загрязняющего вещества в окружающей
среде в начальном и конечном состояниях. В выраже¬
нии (4.5) для воздушной среды используются значения
парциальных давлений загрязняющего компонента, что
представляет существенные неудобства при расчете, так
как нормативное загрязнение воздушной среды в нашей
стране (т. е. величина ПДК а. в.) имеет размерность объем¬
ной концентрации токсичного вещества в воздушной среде
(мг вредного вещества, приходящегося на 1 м3 воздуха).
Поэтому равенство (4.6) затруднительно использовать для
непосредственного расчета AG. Однако зависимость (4.6)
при использовании некоторых ограничений сводится к
выражению (4.7). Покажем это.
Известно, что парциальное давление £-го компонен¬
та в смесях идеальных газов выражается следующим об¬
разом:
где Pt — парциальное давление £-го компонента в смеси
идеальных газов; xt — мольная доля i-го компонента в сме¬
си газов; Р — общее давление газовой смеси.
Обозначим через Рг парциальное давление токсичного
компонента в воздушной среде до начала газовоздушного
выброса, а через Р2 — парциальное давление того же ком¬
понента в воздушной среде после прекращения этого выб¬
роса. Давлениям Рг и Р2 соответствуют мольные доли хх и
*2, т. е.
Подставляя выражения (4.15)и(4.16)ввыражение (4.5)
и проводя соответствующие преобразования, получим
(4.14)
Pi = ■ Р;
Р2 = х2- Р.
(4.15)
(4.16)
ДС = ДГ1п^-
Установим связь между величинами мольных долей
*1 и х2, входящими в равенство (4.17), и объемными
110
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
концентрациями Сг и С2 этих же веществ в воздушной
среде.
Для этого выразим эти объемные концентрации через
весовые (массовые) доли (хг,х2):
II
1Н
(4.18)
II
\н
(4.19)
где Cj иС2 — объемные концентрации токсичного веще¬
ства в воздушной среде до начала и после окончания газо¬
воздушного выброса; р — плотность смеси (воздуха).
Учитывая, что при выбросе в воздушную среду ток¬
сичного вещества от промышленного источника плот¬
ность воздуха практически не меняется, в расчетах при¬
нимается, что при заданных термодинамических усло¬
виях рвоздуха = const.
Рассмотрим бинарную газовую смесь «токсичное (заг¬
рязняющее) вещество — воздушная среда». Для этой сис¬
темы мольная доля загрязняющего компонента связана с
его весовой (массовой долей) следующим образом:
*i
МА
мА [мв )
*2
* МА
х2~ — /1 — \»
Х2 . ( 1~*2 I
МА 1, Мв )
где МА — мольная масса токсичного вещества; Мв — моль¬
ная масса воздуха.
Можно показать, что в этих уравнениях
хх <к1и х2 «с1.
С учетом этого данные выражения можно переписать
как:
(4.20)
(4.21)
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 111
*1
*1
МА
Мд мв
Кроме того,
и
*2
*2
Мд
*2 | 1
Мд мв
*1
Мд
*2
Мд
Из этого следует, что:
„ . ма
‘~J_~ Мд ’
Мв
(4.22)
(4.23)
(4.24)
*2
„ .. Л^а _х2 Мв
х*~^—мГ
мв
(4.25)
Подставляя выражения (4.24) и (4.25) в равенство (4.17),
получим
Ьи^'Мв
AG = ДТ1п \%- * 2,ЗДГ1п
UJ Г_*!_.лг_
= 2,3KTlg^j.
(4.26)
112
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Но
и
Подставляя эти значения в равенство (4.26), получим
Таким образом, установлено, что при расчете AG и AS
при загрязнении воздушной среды токсичными компонен¬
тами можно использовать вместо их парциальных давле¬
ний Рх и Р2 соответствующие объемные концентрации Сх
и С2, что существенно облегчает расчет, а также позволя¬
ет использовать значения предельно допустимых концен¬
траций (ПДК а. в.).
Рассмотрим теперь особенности применения уравне¬
ния (4.6) при расчете изменения величины AG при увели¬
чении концентрации загрязняющего вещества в водной
среде. Оценим точность использования выражения (4.6)
при расчетах загрязнения водной среды растворами элек¬
тролитов (промывными сточными водами, содержащими
ионы тяжелых металлов).
Выражение для изменения свободной энергии Гиббса
для растворов электролитов (AGpeajIbH) записывается сле¬
дующим образом:
где С — концентрация загрязняющего вещества в водо¬
еме после спуска в него сточных вод; С0 — начальная кон¬
центрация загрязняющего вещества в водоеме (С0 = ПДК);
Уо — коэффициент активности начального раствора; у —
коэффициент активности конечного раствора.
Для вычисления AGpeajIbH по уравнению (4.28) обычно
используют средний коэффициент активности у±, учиты¬
AG = RT In
2,SRTlg . (4.27)
AG,
реальн
= RT In
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 113
вающий активность как катионов, так и анионов, входя¬
щих в раствор электролита. Эта величина может быть оп¬
ределена либо опытным путем, либо вычислена по урав¬
нению Дебая — Хюккеля, которое для водного раствора
может быть записано в следующем виде:
\g±=-A\Z+-Z_\-I2, (4.29)
где А — коэффициент, зависящий от температуры*; Z+ —
заряд катиона в растворе электролита; Z_ — заряд аниона
в растворе электролита; I — ионная сила раствора элект¬
ролита.
Учитывая, что при 298 К значение А равно 0,509, пре¬
дыдущее уравнение может быть переписано в следующем
виде:
lg± =-0,509|Z+Z_|/2. (4.30)
Ионная сила раствора определяется как
I = 0,5• Zf = 0,5(m+Z2 + m_Z2), (4.31)
j
где rrij — моляльность у-ионов (т+ — моляльность катио¬
нов в растворе, т_ — моляльность анионов в растворе).
Уравнение Дебая — Хюккеля используют для расчета
у±, если моляльные концентрации ионов в растворе не пре¬
вышают 0,05.
Так как моляльность исследованных растворов элект¬
ролитов имеет порядок 10"3 моль/кг, рассматриваемое
уравнение может быть использовано для определения у±.
Иногда у рассчитывают, введя понятие коэффициента
активности только катионов или анионов. Тогда расчет
проводят по следующей формуле:
\gyi=AZfJi. (4.32)
Здесь yf обозначает либо у+ (т. е. коэффициент активно¬
сти только катионов в растворе) и тогда Zt = Zk, либо у (коэф¬
фициент активности только анионов в растворе), т. е. Zt = Za.
* Укажем, что значение коэффициента А при 323; 348; 373; 423;
473 К составляет соответственно 0,54; 0,55; 0,60; 0,69; 0,81.
114
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Для малоконцентрированных стоков, содержащих
ионы металлов, А<2реальн « AG, рассчитанному по форму¬
ле (4.6). Точность таких расчетов составляет -1%. Поэто¬
му для указанных стоков допустимо рассчитывать AG^^
по уравнению (4.6).
Величина изменения свободной энергии Гиббса может
быть использована и для термодинамической оценки эф¬
фективности работы очистных сооружений и устройств.
Для этого запишем формулу (4.6) в виде
bG = 2,3RTlgO- = 2,3RTlg^-, (4.33)
Q Чх
где Свх — концентрация загрязняющего вещества до очи¬
стки (на входе в очистное сооружение); Свых — концентра¬
ция загрязняющего вещества после очистки (на выходе
из очистного сооружения).
Используя понятие эффективности очистки ц, выра¬
зим Свых и подставим ее в уравнение (4.33):
AG = 2,ЗДТ lg^- = 2>ЗДТ1ёСвх^1~Т1) = 2,ЗДТ • lg(l - л). (4.34)
^ВХ ^вх
Последнее выражение связывает величину AG с дости¬
гаемой эффективностью очистки: чем больше ц, тем боль¬
ше и величина -AG, и величина ^вн.
Приведем примеры использования введенного термо¬
динамического критерия AG. Рассмотрим два случая заг¬
рязнения окружающей среды. В первом случае в нее по¬
ступает газовоздушная смесь, содержащая токсичное ве¬
щество (например, диоксид азота), а во втором случае —
сточные воды, загрязненные соединениями шестивалент¬
ного хрома. В первом случае в воздушной среде концент¬
рация загрязняющего вещества увеличивается с величи¬
ны ПДКХ до 4ПДКХ а во втором случае в водной среде —
от ПДК2 до 5ПДК2. Рассчитаем AG для рассматривае¬
мых случаев, используя выражение (4.9). Для первого
случая:
AG&8 = 2,3fiTlg-^ = 2,3-8,314-298 1g4 = 3,43^^. (4.35)
11/1 гЦ МОЛЬ
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 115
Во втором случае:
AG2*;8 = 2,3flTlg-§-=2,3 8,314 298• lg5 = 3,98-^. (4.36)
11Д|\2 МОЛЬ
Результаты расчетов показывают, что во втором слу¬
чае окружающая среда загрязняется сильнее, так как мак¬
симальная термодинамическая работа, которую необхо¬
димо затратить для ее очистки до соответствующих ПДК,
в 398/3,43 = 1,16 раза больше. Можно также отметить, что
во втором случае процесс очистки до ПДК в 1,16 раза бо¬
лее энергоемок.
Величина AG может быть использована и для сравне¬
ния эффективности очистки двух или нескольких конку¬
рирующих способов. Предположим, что эффективность очи¬
стки для одного из способов составляет г\х = 0,9, для второ-
го — Лг = 0,8. Используем для расчета AG уравнение (4.34):
ДС£8 =2,3i?Tlg(l-Tii) = 5698,421g0,l = -5,70^SE.. (4.37)
МОЛЬ
Аналогичный расчет для второго способа:
AG2';8 = 2,3i?Tlg(l - ть) = 5698,42lg0,2 = -3,98-^^-. (4.38)
МОЛЬ
Составим соотношение
AG298 _-5,70_1 1Э
А^298 -3,98
Оно означает, что с энергетической точки зрения эф¬
фективность первого способа очистки в 1,43 раза выше,
чем второго. Очищенные по второму способу выбросы или
сбросы обладают большим запасом свободной энергии для
разбавления неочищенных выбросов или сбросов, содер¬
жащих токсичные вещества при их смешении.
Из вышеизложенного следует, что рассмотренный тер¬
модинамический критерий позволяет количественно оце¬
нить состояние окружающей среды и эффективность ее
защиты с использованием энергетических характеристик,
а также выбрать среди конкурирующих способов защиты
окружающей среды наилучший. Несмотря на известные
116
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
ограничения термодинамического метода, на современ¬
ном этапе развития промышленной экологии такой под¬
ход представляется достаточно обоснованным. В принци¬
пе, данный метод и критерий могут быть распространены
и на более сложные системы, чем рассмотренные в дан¬
ном пособии.
Установим также связь между изменением энтропии
AS при очистке и величиной г|. Для этого воспользуемся
выражением (4.12) для изотермических условий. Подста¬
вив его равенство в уравнение (4.34), можем записать
AS = -2,3tflg(l-ri). (4.39)
На рисунке 4.3 представлена графическая интерпре¬
тация уравнений (4.34) и (4.39).
Рис. 4.3
Зависимость AS298 и от эффективности очистки
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 117
Как следует из представленного рисунка, чем выше
эффективность очистки, тем больше способность системы
к совершению самопроизвольной работы и тем больше
приращение энтропии.
Далее установим связь между изменением энергии
Гиббса экозащитного процесса и коэффициентом извле¬
чения загрязняющего вещества ф при массообменном про¬
цессе, который используется для очистки газовоздушных
выбросов или водных сбросов. Коэффициент ф может быть
записан в следующем виде:
Ф =
Ун-Ук
Ун-Ук’
(4.40)
где ув — начальная концентрация загрязняющего веще¬
ства в одной из фаз при входе в массообменный аппарат
(до очистки); ук — конечная концентрация загрязняюще¬
го вещества в той же фазе на выходе из массообменного
аппарата (после очистки); у*к — равновесная (предельно
достижимая) концентрация распределяемого вещества на
выходе из массообменного аппарата.
Коэффициент ф характеризует степень отклонения
экозащитного процесса от положения равновесия. Пока¬
жем связь между эффективностью очистки ц и коэффи¬
циентом ф.
Учитывая, что Свх = ун и Свых = ук, можем записать
уравнение для эффективности очистки (одностадийный
процесс) в следующем виде:
Л =
Уп-Ук
Ук
(4.41)
Выразим из последнего выражения разность ун- ук = г\ув
и подставим ее в уравнение (4.40), получим
у =*■-?■ =
Ув-Ук
У к У к
х Л
(4.42)
или
(4.43)
118
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
ч
Исследуем отношение —. С учетом того, что в любом
Уя
очистном сооружении начальная концентрация извлека¬
емого вещества выше, чем конечная (т. е. уа > i/*), то от¬
ношение — < 1. Исходя из этого, разность 11 - — ] также
У я { У и )
будет меньше единицы.
Обозначив эту разность буквой а, можем записать
ц = |l - ^ j х ф = аф, (4.44)
где а < 1.
С учетом выражения (4.44) равенство (4.34) записыва¬
ется следующим образом:
AG = 2,3#Tlg(l - ц) = 2,3img(l - аф). (4.45)
Так как по определению ф < 1, а величина а < 1, произ¬
ведение аф также меньше единицы; меньше единицы будет
также выражение (1 - аф), стоящее под знаком логарифма.
Это означает, что lg(l - аф) — отрицательная величи¬
на, поэтому AG также будет отрицательной величиной, что
является критерием самопроизвольного протекания про¬
цесса. Как уже указывалось выше, величина ф характери¬
зует неравновесность массообменного процесса. Чем боль¬
ше ф приближается к единице, тем меньше неравновес¬
ность процесса.
Величина а, входящая в выражение (4.52), представ¬
ляет собой отношение эффективности очистки к неравно-
весности процесса очистки ц/ф.
Кроме того, этот параметр можно трактовать как оста¬
точную относительную концентрацию загрязняющего ве¬
щества после проведения процесса очистки в равновесных
условиях.
На рисунке 4.4 представлены результаты расчетов
Д&298 и Д^298 как функций от а и ф. Поэтому AG была
рассчитана по формуле (4.52), a AS — по измененной фор¬
муле (4.46):
AS = - 2,3i?lg(l - аф).
(4.46)
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 119
Рис. 4.4
Зависимость AS^gg и AG°298 от параметра а при различных значениях
Из рисунка 4.4 следует, что чем больше неравновес-
ность экозащитного процесса, т. е. чем меньше ф, тем мень¬
ше способность системы к совершению самопроизвольной
работы и тем меньше приращение энтропии.
При а = 0 (концентрация загрязняющего вещества пос¬
ле очистки равна его начальной концентрации, т. е. не про¬
водилось никаких экозащитных мероприятий) AS^s и
АСг298 равны 0. При стремлении а -» 1 (в случае полной
очистки) резко повышается способность системы к совер¬
шению самопроизвольной работы и увеличивается ее энт¬
ропия.
120
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
4.2.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСЕРГИИ
Рассмотрим этот вопрос, следуя монографии С. Сато.
Общий процесс производства процесса показан на рисун¬
ке 4.5. Символы определены в таблице 4.1.
Ресурсы для производства имеют внутреннюю энер¬
гию U, объем V и энтропию S. Изделия и отходы производ¬
ственной системы имеют внутреннюю энергию (U — АС/),
объем (V + AV) и энтропию S + AS = S + А5изделие + ASmonu.
Количество (PoutAV) обозначает работу при увеличении
объема ресурса.
Окружающая среда ТоиГ Pout
Ресурсы
Система
Изделия и отходы
(С/, V, S)
производства a, W
(С/-АС/, Р+ДР, S+AS)
Рис. 4.5
Энтропия и энергетический баланс производственной системы
Таблица 4.1
Обозначения для энтропии и энергетического баланса
и
Внутренняя энергия ресурса
V
Объем ресурса
S
Энтропия ресурса
Теш,
Температура окружающей среды
Pent’
Давление окружающей среды
а
Энтропия, генерируемая в процессе производства
Я
Тепло, выделяемое в процессе производства
W
Работа в процессе производства
А
Символ приращения (>0)
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 121
Баланс энтропии. Энтропия высвобождается из систе¬
мы производства двумя путями:
1) с изделиями и отходами (А5изделие + AS0TX(WJ);
2) с теплом (ASTenjI0).
Обозначим o0ut полную энтропию, выделенную в про¬
цессе производства. Тогда
о*,,, = S + A S„
. + AS„
, + AS.
(4.47)
Jout ^ ' ‘-‘‘^изделие ' '-^отходы ' LJ*KJтепло*
Энтропия А5тепло, выделенная с теплом, рассчитывает¬
ся как
AST(
(4.48)
Тепловая энтропия выделяется предприятием в окру¬
жающую среду, например через морскую воду, использу¬
емую как хладагент. Большинство предприятий требует
специальных типов охлаждающих сооружений, чтобы
выпустить энтропию высокой температуры ASTenjI0.
Приток энтропии ain к производственной системе равен:
Баланс энтропии:
°in = S.
& &mit Girr
(4.49)
(4.50)
Таким образом, энтропия S, образовавшаяся в процес¬
се производства, задается формулой
о А5изделие + А5отходы
(4.51)
Эта энтропия является суммой энтропий, вносимых
изделиями, отходами и тепловой энтропией ——. С дру-
^env
гой стороны, баланс энергии дает
U = W + РепиAV + q + U - AU
или
AU = W + PenuAV+q.
(4.52)
(4.53)
Исключение q из уравнений (4.58) и (4.60) дает энер¬
гию W, доступную для производственной системы:
W= AU + TenvAS - Penv AV - ат.
(4.54)
122
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Определим символом АГ максимальное количество
энергии, доступной для производственного процесса, если
энтропия не выделялась (а = 0):
АГ = AU + TenvAS - PenvAV; W = АГ - cTenv. (4.55)
Эта энергия АГ может называться эксергией*. Если
объем ресурса увеличивается значительно (т. е. AV вели¬
ко) или если большое количество энтропии а произведено
в процессе производства, то энергия W, доступная для про¬
изводственной системы, мала.
Выход энтропии в окружающую среду. Если энтропия
выпускается в окружающую среду через морскую воду,
используемую как хладагент, происходит загрязнение
моря. Энтропия, выпущенная с изделиями и отходами,
накапливается в окружающей среде, заводских свалках и
отстойных прудах. Отслужив срок, изделия также стано¬
вятся отходами.
Если бы Земля была закрытой системой, то энтропия,
произведенная индустриальными процессами, постоянно
бы накапливалась и Земля в конечном счете умерла бы в
результате повышения температуры. К счастью, Земля не
закрытая, а открытая устойчивая система. Другими сло¬
вами, выбрасываемая энтропия тепла:
A Sou* = яг- (4.56)
*out
выходит в космос через атмосферу.
Выход энтропии через атмосферу. Предположим,
что земная поверхность получает от Солнца количество
тепла:
М^
(4.57)
* Эксергия — это максимальная работа, которую может совершить
термодинамическая система при переходе от данного состояния до рав¬
новесия с окружающей средой. По Н. Ф. Реймерсу: эксергия — полез¬
ная часть вовлекаемой в какой-то процесс энергии, т. е. максимальная
полезная работа, которую может совершить вещество при взаимодей¬
ствии его с окружающей средой.
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 123
Примем среднюю температуру поверхности Земли за Тг:
Тг = 288 К = 15°С. (4.58)
Тогда приток энтропии к земной поверхности Sx рас¬
считывается как
о Q = 1,0
^ Тг 288
= 0,00347
Вт
м2 •град
(4.59)
Высокая температура от Солнца подогревает воду и
воздух и выпаривает воду. Пар достигает атмосферы,
адиабатически расширяется, охлаждается и уплотняет¬
ся. В течение процесса охлаждения высокая температура
выходит в открытый космос через инфракрасную радиа¬
цию. Предположим, что эта тепловая радиация проходит
при температуре Т2 = 250 К = -23°С.
Тогда энтропия S2, выпущенная в открытый космос,
рассчитывается как
S2
Q = 1,0
Т2 250
= 0,004
Вт
м2 град
(4.60)
Таким образом, чистое количество энтропии, выпу¬
щенной в космос, равняется
S2-Sx = 0,004 - 0,00347 =
= 0,00053 Вт/м2 град. (4.61)
Указанный сброс энтропии варьируется вследствие
смены сезонов года, лет, положения Земли и Солнца, а
также солнечной активности. Следует отметить, что этих
изменений относительно мало и Земля может рассматри¬
ваться как открытая устойчивая система.
Кроме того, главным носителем избыточной энтропии
является вода. Возможен также унос энтропии в космос за
счет ее прямого излучения из атмосферы и конвекции в ней.
Рассмотренные механизмы сброса (выпуска) не рабо¬
тают с энтропией, накопленной в отходах производства.
Как указывает С. Сато, энтропия производственных
процессов на единицу площади в Японии уже достигла
уровня, сопоставимого с энтропией погоды. Такое большое
количество выпуска энтропии от процессов производства
124
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
может вызвать местные изменения климата, несмотря на
глобально выпускаемую энтропию (S2 - Sx) в космос.
При анализе производства с точки зрения его эколо¬
гической чистоты обязательно следует учитывать увели¬
чение энтропии за счет загрязнения среды обитания от¬
ходами. Кроме того, увеличивают (повышают) энтропию
окружающей среды современные информационные сис¬
темы.
Для более подробного рассмотрения этого вопроса вве¬
дем понятие единицы информации — бит: один бит — коли¬
чество информации, необходимый для различения двух рав¬
новероятных альтернатив. Предположим, информация J,
извлекаемая из исхода бросания симметричной монеты
«орел» или «решка», равна:
I= log22 = 1 бит. (4.62)
Далее введем понятие информационной энтропии сис¬
темы. Предположим, что система может существовать в
дискретных стационарных состояниях, причем известны
вероятности Рг, Р2, ..., Рп, с которыми система может пе¬
рейти в каждое из этих состояний. Информационная энт¬
ропия такой системы определяется из выражения
Sinf=-f^Pi^og2 Pi бит. (4.63)
1=1
Она характеризует неопределенность предсказания
наблюдателя относительно того, в каком состоянии сис¬
тема находится в данный момент. Связь этой величины с
физической энтропией S при п = 2 имеет вид
2
S = kln2^Pi log2Pt = kln2(Sinf), (4.64)
i=1
где k— постоянная Больцмана, равная 1,38- 10_12Дж/
Кбит.
Из последнего выражения следует, что для того чтобы
отдать предпочтение одной из двух равновероятных аль¬
тернатив, т. е. получить 1 бит информации, необходимо
затратить 1,381п2 10'23 = 1,38 0,693Ю'23 » 0,96 Ю'23 Дж/К
энергии.
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 125
Величина энергии, затрачиваемой на получение 1 бита
информации, кажется весьма малой, но создатели совре¬
менных быстродействующих компьютеров уже прибли¬
зились к так называемому тепловому пределу, который
жестко ограничивает возможность вычислительных ус¬
тройств.
Величину информационной энтропии необходимо
учитывать при оценке экологической чистоты производ¬
ства.
4.3.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ПОНЯТИЯ ЭКСЕРГИИ
Использование понятия эксергии позволяет оценить
экологическую безопасность производства, в частности
полноту применения энергетических ресурсов Кэ (форму¬
ла (3.42)), определив величину КПДтеор.
Каждый вид энергии можно представить как сумму
двух составляющих: неограниченно превратимой в рабо¬
ту и другие виды энергии (эксергии) и составляющей, ко¬
торую без затрат работы нельзя преобразовать (названной
3. Рантом анергией):
/ = £ + В, (4.65)
где 1,ЕиВ — соответственно энергия, эксергия и анергия.
В зависимости от формы энергии одна из ее составля¬
ющих может быть равна нулю. Данные величины часто
имеют и разные знаки.
Понятие качества энергии определяется соотношени¬
ем ее эксергии и анергии. В реальных (необратимых) про¬
цессах эксергия теряется (уменьшается), превращаясь в
анергию, но трансформация анергии в эксергию невоз¬
можна.
При составлении энергобаланса любого технологичес¬
кого процесса каждый поток энергии (подводимой к ис¬
следуемому объекту и отводимой от него) может быть пред¬
ставлен как сумма эксергии и анергии. Уравнение энерго¬
баланса термодинамической системы в этом случае будет
126
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
иметь следующий вид (одним штрихом обозначены ста¬
тьи прихода, двумя — статьи расхода):
(Х£)’+(Х£м)'+[Х<£*+в,)]'+[Х<£* + д,)] =
= (Х£)" +(Х£м)" + [Z<£* +S*)]” + [Х<£* + *,)]"• (4.66)
где Е и Ем — электрическая и механическая энергии (тож¬
дественно эксергия); Ех и Вх — химическая эксергия и
анергия топлива, исходного сырья, продуктов и отходов;
ЕдиВд — анергия тепла, теплового потока.
Часто на практике запись полного энергобаланса лю¬
бого технологического объекта упрощают, указывая в
каждом потоке энергии ее эксергию. Анергия при этом не
приводится, хотя в случае необходимости она может быть
получена как разность между энергией и эксергией соот¬
ветствующего потока. Уравнение полного энергетическо¬
го баланса принимает вид
(Ze)+(Z£m) +Е'»<£->] +Ем«.>] -
=(£е)"+(£М"+Е,«<-е.>]’+Ем£.>]’- <4-67>
Такая форма записи уравнения полного энергетичес¬
кого баланса наиболее проста и удобна при проведении
практических расчетов.
Значение КПД, получаемое при расчетах эксергии, тес¬
но связано с глубиной комплексной переработки сырья:
чем она больше, тем больше полезных видов продукции
получается и тем выше его энергетический КПД.
Кроме того, выделенная в потоках энергии доля рабо¬
тоспособной ее части (эксергии) позволяет более детально
проанализировать эффективность использования энергии
разного качества в рассматриваемом процессе, более точ¬
но установить места потерь эксергии на различных его ста¬
диях.
Полный энергобаланс любого термодинамического
объекта, в том числе и производства, составляется на ос¬
новании его материального баланса, данных химическо¬
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ 127
го анализа всех потребляемых материалов и получаемых
продуктов и отходов, показаний контрольно-измеритель¬
ных приборов и специально проведенных замеров.
В частности, при нахождении эксергии в потоках теп¬
ла (Eq) используется следующее выражение:
где Iq — уровень тепловой энергии; Т0 — температура ок¬
ружающей среды; Т — температура потока.
В заключение укажем, что использование понятия эк¬
сергии позволяет создать фундамент для разработки но¬
вых, более совершенных малоотходных (экологически
чистых) технологических процессов.
1 Опишите термодинамические характеристики организмов,
экосистем и биосферы в целом.
2. Опишите схему сброса загрязняющего вещества в окружаю¬
щую среду без очистки.
3. Как используется экозащитный процесс или устройства для
очистки газообразных выбросов или водных сбросов?
4. В чем заключается изменение свободной энергии Гиббса?
5. Опишите схему энтропии и энергетического баланса производ¬
ственной системы.
6. Опишите баланс энтропии.
7. В чем заключается выход энтропии в окружающую среду?
8. Дайте определение понятию «эксергия».
9. Опишите практическое использование понятия эксергии.
10. Как определяется понятие качества энергии?
(4.68)
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ГЛАВА ПЯТАЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
5.1.
ПРИОРИТЕТЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Обеспечение экологической безопасности включает систе-
му мер и действий по предотвращению возникновения, раз¬
вития экологически опасных ситуаций и ликвидации их
последствий, в том числе и отдаленных, по защите жизни и
здоровья граждан, а также окружающей природной среды.
К числу приоритетных направлений в области обеспе¬
чения экологической безопасности относятся (Е. Г. Шеве¬
лев, В. И. Измалков, А. В. Измалков):
• борьба с загрязнением природной среды за счет повы¬
шения степени безопасности технологий, связанных с
захоронением и утилизацией промышленных и быто¬
вых отходов;
• борьба с радиоактивным загрязнением;
• создание экологически чистых технологий;
• рациональное использование природных ресурсов.
В технологическом разделе данного учебного пособия
рассмотрены вопросы переработки наиболее распростра¬
ненных промышленных и бытовых отходов с использова¬
нием методом рециклинга. Кроме того, существенное вни¬
мание уделено термической переработке отходов.
Официальное определение понятий recycling (оборот¬
ное использование) и recovery (восстановление) было впер¬
вые дано в Постановлении по переработке использован¬
ных автомобилей. Оно было принято Евросоюзом в 1997 г.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
129
В 2000 г. Европейская комиссия одобрила проект новой
директивы, в которой аспекты авторециклинга перерабо¬
таны наиболее детально (Директива ЕС по утилизации от¬
служивших автомобилей 2000/53/ЕС).
В РФ используется следующее официальное определе¬
ние этого термина: «Рециклинг (рециклизация) — процесс
возвращения отходов, сбросов и выбросов в процесс тех¬
ногенеза». При этом оговариваются два варианта рецик-
линга отходов:
• повторное использование отходов по тому же назна¬
чению, например стеклянных бутылок после их со¬
ответствующей обработки и маркировки (этикетиро¬
вание);
• возврат отходов после соответствующей обработки
в производственный цикл, например жестяных банок
в производство стали, макулатуры в производство бу¬
маги и картона.
Таким образом, в целом рециклинг направлен на пре¬
дотвращение образования и утилизацию отходов. В каче¬
стве примера приведем способ обращения с изделиями и
материалами, вышедшими из сферы эксплуатации и долю
этих способов по годам (в соответствии с уже рассмотрен¬
ной директивой Европейского союза, табл. 5.1).
Как следует из приведенной таблицы, к 2015 г. на долю
рециклинга и термической переработки должно приходить¬
ся более 95% перерабатываемых европейских отходов.
Таблица 5.1
Заданные значения доли утилизации вторичных ресурсов
в соответствии с Директивой ЕС 2000/53/ЕС
Способ обращения с изделиями
и материалами, вышедшими
из сферы эксплуатации
Доля, % от массы изделия
2005 г.
2015 г.
Рециклинг и повторное использование
более 80
более 85
Термическая переработка
более 5
более 10
Использование в качестве вторичных
ресурсов
более 85
более 95
Депонирование
менее 15
менее 5
130
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
5.2.
РЕЦИКЛИНГ МАТЕРИАЛОВ
5.2.1.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Рециклинг — возможно полное возвращение расход¬
ных и вспомогательных веществ и материалов в цикли¬
ческих производственных процессах для повторного ис¬
пользования (Т. А. Акимова, В. В. Хаскин).
Рециклинг материалов можно рассматривать как зве¬
но традиционной производственной цепи. При этом тре¬
буются соответствующие производственные мощности,
обеспечивающие функционирование системы, возврата и
повторного использования отходов.
Различают материальный и сырьевой рециклинг.
Материальный рециклинг — рециклинг отходов, при
котором происходит механическое выделение чистых ма¬
териалов без их химического изменения, которые посту¬
пают на производство новых продуктов.
Под сырьевым рециклингом понимается рециклинг
отходов, при котором происходит химическое разруше¬
ние материалов и производятся новые материалы.
При сырьевом рециклинге используются химические
свойства основных составляющих отходов. Например,
в случае применения отходов полимерных материалов в
доменном процессе ими заменяют часть топлива. В этом
процессе железная руда превращается в чугун, причем
кислород из нее извлекается синтез-газом, который об¬
разуется из агломератов полимерных материалов. Выде¬
ление синтез-газа происходит при реакции ранее связан¬
ного кислорода с оксидом углерода или водородом. Эти
вещества образуются, когда агломерат полимерных ма¬
териалов вводится в зону плавления, расположенную в
нижней части домны. Указанная технология применя¬
ется, например, на металлургическом заводе в Бремене
(Германия).
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
131
5.2.2.
РЕЦИКЛ ИНГ ПЛАСТМАСС
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Твердые отходы пластических масс подразделяются на
отходы производства и отходы потребления.
К технологическим отходам при производстве пласт¬
массового сырья относятся различные слитки, глыбы, бра¬
кованные волокна идр., а при формовании изделий из
пластмасс — литники, бракованная продукция, обрезки
и т. п. Использование технологических отходов проще все¬
го организовать на обрабатывающих предприятиях, так
как они не требуют облагораживания для переработки
указанных отходов в изделия. Эти отходы обычно перера¬
батывают по двум направлениям:
• с целью производства того же продукта, в процессе из¬
готовления которого образовался данный вид отходов,
или продукта аналогичной рецептуры;
• для изготовления изделий менее ответственного назна¬
чения.
При реализации первого направления отходы, образую¬
щиеся на различных технологических переделах, либо ис¬
пользуют непосредственно в конкретных производствен¬
ных процессах, либо измельчают, затем смешивают с
основным сырьем и направляют в приемные устройства
экструдеров и других формующих аппаратов. Содержание
таких отходов в сырье обычно составляет 5-10%, но мо¬
жет достигать 20% и более.
При использовании второго направления переработки
производственных отходов пластмасс используют следую¬
щие технологические операции: сортировку, которая зак¬
лючается в отделении посторонних примесей и разбраковке
отходов, их измельчении и гранулировании с последующим
изготовлением на их основе изделий широкого потребления
(тары, подстилок, сувениров, игрушек и т. п.).
Отходы бытового потребления пластмасс перед их по¬
вторным использованием обычно выделяют из смеси с дру¬
гими бытовыми отходами. Для этого используют совокуп¬
ность способов, включающую обработку отходов с исполь¬
зованием процессов измельчения, грохочения, рассева
132
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Вода
Рис. 5.1
Схема рециклинга пластмассовых отходов:
I — конвейер для подачи мешков; 2 — дробилки; 3 — воздушный классифика¬
тор; 4 — магнитный сепаратор; 5 — промыватель; 6 — конвейер; 7 — центробеж¬
ные сушилки; 8 — мельница; 9 — экструдер; 10 — таблетирующее устройство;
II — бункер.
и смешения в сочетании с различными видами сепарации
(воздушной, вакуумной, магнитной, электростатической,
гидравлической), экстракции, флотации, и другие спосо¬
бы. Они же используются и для разделения сепарирован¬
ных из массы отбросов смесей полимерных материалов на
отдельные компоненты (классы), что увеличивает эффек¬
тивность дальнейшей переработки пластмасс.
Представим в качестве примера схему рециклинга пла¬
стмасс из отходов потребления, используемую в Японии
(рис. 5.1).
На переработку поступают пластмассовые отходы с
примесями каучука (до 10%), металла, стекла и других
материалов, затаренные в мешки. Конвейером их направ¬
ляют в дробилку. Измельченную смесь промывают и пнев¬
мотранспортом направляют в воздушный классификатор,
в котором сепарируют «3% тяжелых отходов. Затем отхо¬
ды подвергают дополнительному измельчению в дробил¬
ке второй ступени и потоком воздуха транспортируют че¬
рез магнитный сепаратор с целью удаления оставшихся
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
133
металлов. Прошедшие такую обработку отходы вновь про¬
мывают водой с поверхностно-активными веществами и
сушат в центробежной сушилке. Высушенные отходы пе¬
ремешивают в турбинной мельнице для предотвращения
комкования и направляют в экструдер, в котором посред¬
ством таблетирующего устройства превращают пластмас¬
совые отходы в таблетки.
Схемы рециклинга производственных отходов пласт¬
масс обычно являются более простыми из-за отсутствия
необходимости их сепарации, классификации по видам
отмывки и сушки.
Все методы рециклинга пластмасс делятся на две груп¬
пы: недеструктивную и деструктивную утилизацию.
При использовании первой из них состав пластмассовых
отходов и получаемых из них изделий сохраняется. А при
применении второй — изменяется.
Примером первого направления может служить тех¬
нология производства вторичной полиэтиленовой пленки
(рис. 5.2).
Вышедшая из употребления полиэтиленовая пленка с
содержанием посторонних примесей не более 5% со скла¬
да сырья поступает на сортировку, в процессе которой из
нее удаляют случайные инородные включения и выбрако¬
вывают сильно загрязненные куски. Полотнища и куски
пленки, прошедшие сортировку, измельчают в ножевых
дробилках мокрого или сухого измельчения до получения
Рис. 5.2
Схема производства вторичной полиэтиленовой пленки:
1 — узел сортировки отходов; 2 — дробилка; 3 — моечная машина; 4 — центри¬
фуга; 5 — сушилка; 6 — питатель; 7 — экструзионные прессы; 8 — гранулятор;
9 — смеситель; 10 — пленочный агрегат.
134
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
рыхлой массы с размерами частиц 2-9 мм, подаваемой
затем на отмывку в шнековый промыватель или стираль¬
ную машину (в случае сухого измельчения). Промывку
ведут в несколько приемов специальными моющими сме¬
сями. Отжатую массу влажностью 10-15% подают на
окончательное обезвоживание в сушильную установку, где
обрабатывают на движущихся перфорированных ковшах
горячим (65-75°С) воздухом в течение 30-60 мин. Высу¬
шенную до остаточного содержания влаги <0,2% измель¬
ченную массу передают в питатели экструзионных прес¬
сов, снабженных фильерными головками, ваннами охлаж¬
дения, грануляторами и устройствами для сушки гранул.
В экструдерах полиэтилен уплотняется, пластифици¬
руется и плавится. Расплавленный материал, продавли¬
ваясь через фильтровальные сетки и отверстия фильер,
превращается в жгуты, которые тянущими вальцами по¬
дают в водяные ванны охлаждения (где их температура
снижается до 35-40°С) и далее в грануляторы. Здесь жгу¬
ты разрезают на гранулы длиной 3-6 мм, поступающие
затем на вибросита, где их влажность снижается до < 0,2%
под действием подаваемого сюда горячего (80°С) воздуха.
Далее гранулы передают в смеситель, где происходит их
смешение в соотношении 6:4 с первичным гранулирован¬
ным полиэтиленом. Такое соотношение является опти¬
мальным для обеспечения стабильности процесса произ¬
водства вторичной пленки. В процессе смешения могут быть
введены красители и агенты облагораживания пленки.
Полученную смесь перерабатывают методом экструзии
в пленочных агрегатах с получением готовой продукции —
вторичной полиэтиленовой пленки толщиной 80-200 мкм.
Готовую пленку в виде рулонов отправляют на склад. Сто¬
имость получаемой таким способом вторичной пленки
ниже стоимости пленки, производимой из первичного
сырья.
Для осуществления деструктивной утилизации отходы
некоторых полимеров подвергают химическому и терми¬
ческому воздействию, приводящему к образованию сырья
для их производства и других ценных химических про¬
дуктов. Примером такого процесса является переработка
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
135
капроновых отходов под действием фосфорной кислоты и
перегретого пара.
По одной из схем твердые капроновые отходы расщеп¬
ляют совместно с концентратом экстракционных вод про¬
изводства в аппаратах предварительной и окончательной
деполимеризации. Парообразную смесь деполимеризата
(до 25% капролактама) концентрируют до 80% в насадоч¬
ной колонне и затем подвергают очистке. Выход мономера
составляет 75-80%. Он пригоден для повторного исполь¬
зования в производстве. При деполимеризации поликап-
роамида возможно смешение различных незагрязненных
технологических отходов независимо от их формы и фи¬
зико-химических свойств; литье под давлением этих же
отходов требует разделения их по содержанию замасли-
вателя и физико-химическим свойствам.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ
РЕЦИКЛИНГА ПЛАСТМАСС
К ним относятся сортировка отходов, их измельчение,
гранулирование, агломерация и др.
Сортировка отходов. Сортировка отходов проводится
с целью их разделения на классы, исходя из их химичес¬
кого состава и свойств.
Твердые бытовые отходы (ТБО) можно сортировать
либо непосредственно в месте их получения (в домах), либо
после сбора на специальных установках. В первом случае
необходимы совместные усилия жителей. Воспитание у
них культуры чистоты — способ весьма экономичный, так
как труд добровольный. В определенном месте устанавли¬
ваются мусорные контейнеры различного цвета или про¬
волочные сетки, каждый из которых предназначен для оп¬
ределенного вида отходов: пластмассы, металла, стекла,
бумаги, пищевых и растительных отходов.
По другому варианту отходы сортируют на специаль¬
ных установках с применением различных механических
методов и ручных операций. Например, для отделения от¬
ходов металлов из общей массы отходов используют маг¬
нитные поля постоянной и временной частоты. Укажем,
что за рубежом этот процесс носит название «шрединг».
136
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Шрединг — один из важнейших процессов по рециклин-
гу металлов, при котором производят измельчение отхо¬
дов и отделение металлических компонентов с помощью
магнитов. Полученный в результате этого процесса мате¬
риал обладает следующими преимуществами:
• удобен при транспортировке;
• обладает более высокой плотностью упаковки (умень¬
шается его порозность);
• имеет незначительные содержания примесей;
• удобен для химического контроля.
В качестве другого метода сортировки твердых отхо¬
дов может быть использовано грохочение.
В области рециклинга полимерных материалов наметил¬
ся переход от сортировки отходов по артикулам (небольшие
пленки, кружки, крышки и т. д.) на сортировку по матери¬
алам (например, реализовано на установке SORTEC 3.0).
Среди методов сортировки (сепарации) при рециклин-
ге отходов пластмасс достаточно часто используют метод
воздушной сепарации или аэросепарации.
Аэросепарация — это процесс обогащения в движущей¬
ся газовой (воздушной) среде, основанный на использова¬
нии различий в плотности компонентов и их скорости ви¬
тания. Укажем, что скоростью витания (WB) называют
конечную скорость, которую приобретает частица (ком¬
понент) при свободном падении, когда силы тяжести и со¬
противления среды уравновешиваются. Она определяет¬
ся по формуле
W =
Re-Ив
Р. л ’
(5.1)
где Re — критерий Рейнольдса; рв — динамический коэф¬
фициент вязкости воздуха; рв — плотность воздуха; /в —
характерный линейный размер компонента.
При аэросепарации используются два основных спо¬
соба разделения компонентов: в горизонтальном потоке
воздуха, когда направление воздуха перпендикулярно дей¬
ствующей на компоненты силы тяжести, и в вертикаль¬
ном, когда направление воздуха противоположно направ¬
лению действующей на компоненты силе тяжести. В аэро¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
137
сепараторе компоненты легкой фракции транспортируют¬
ся воздухом соответственно в горизонтальном направле¬
нии или вертикальном.
Выражения для определения теоретической рабочей
скорости воздуха в процессе аэросепарации имеют вид:
• в вертикальном потоке воздуха
^>(1,2-1,5)Жв;
• в горизонтальном потоке воздуха
где I — смещение частиц в горизонтальном потоке возду¬
ха, равное примерно 201т; 1Т — линейные размеры частиц;
h — высота рабочей зоны сепарации.
Расчетом по двум последним выражениям получены
значения теоретической рабочей скорости воздуха для се¬
парации при рециклинге отходов пластмасс: в вертикаль¬
ном потоке 5 м/с; в горизонтальном — 2,5 м/с. Практи¬
чески для обеспечения эффективности процесса разделе¬
ния отходов при рециклинге пластмасс на две фракции —
легкую и тяжелую — скорость потока воздуха должна
быть увеличена в 1,5-2 раза.
Рассмотрим существующие конструкции аэросепара¬
торов, основываясь на работе А. Я. Шубова с соавт.
Аэросепаратор, приведенный на рисунке 5.3, предназ¬
начен для разделения дробленых отходов. Здесь отходы об¬
рабатываются в измельчителе 3 с рабочим колесом, враща¬
ющимся на валу 1. Измельченные отходы подхватываются
горизонтальным потоком воздуха. Наиболее тяжелые ма¬
териалы (металлические банки, резина, камни и др.) посту¬
пают на конвейер 0, более легкие (мокрое дерево, неметал¬
лические предметы) — на конвейер 8, предметы из алюми¬
ния и подобных материалов — на конвейер 7. Макулатура,
текстиль и т. п. подхватываются потоком воздуха и выно¬
сятся в трубу 5, куда дополнительно вентилятором пода¬
ется воздух, направляемый затем в топку. Для предотвра¬
щения смешивания отходов между конвейерами устанав¬
ливаются разделительные направляющие вставки б и 10.
138
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.3
Аэросепаратор (США) для сортировки твердых отходов
в горизонтальном потоке воздуха:
1 — вал; 2 — приемная воронка; 3 — измельчитель; 4 — вентилятор; 5 — труба;
6у 10 — направляющие вставки; 7-9 — конвейеры.
4
и 10
Рис. 5.4
Аэросепаратор (ФРГ) для сортировки ТБО
в горизонтальном потоке воздуха:
1 — вентилятор; 2 — приемная воронка; 3 — вибропитатель; 4 — система рецир¬
куляции воздуха; 5 — циклон; 6,9 — подвижные перегородки; 7 — перегородка;
8, 10у 11 — сборники материала.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
139
Аэросепаратор, представленный на рисунке 5.4, снаб¬
жен системой циркуляции воздуха 4 и камерой в виде тру¬
бы с загрузочным бункером 2, в который измельченный
материал подается вибропитателем 3. Материал, подхва¬
ченный горизонтальным потоком воздуха от вентилято¬
ра 1, разделяется на три фракции и удаляется в сборни¬
ки 8,10 и 11, а наиболее легкие компоненты выносятся в
циклон 5. Для регулирования сепарации внутри камеры
между разгрузочными отверстиями установлены подвиж¬
ные перегородки 6 и 9. Изменением высоты перегородки 7
регулируется вынос мелких частиц в циклон 5.
1, 13 — вентиляторы; 2 — приемная воронка; 3 — конвейер; 4 — лопасти (риф¬
ли); $ — камера разделения; 6 — канал; 7,10 — сортировочные колонны; 8,9 —
горловины; 11,12 — наклонные решетки.
140
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Многосекционный вертикальный аэросепаратор
(рис. 5.5) для измельченных твердых отходов запатен¬
тован в США. Отходы засыпаются в приемную ворон¬
ку 2 и перемещаются в сепарирующую камеру 5 с помо¬
щью конвейера 3 с лопастями 4. Поступающий в каме¬
ру материал поднимается движущимся вверх потоком
воздуха от вентилятора 1 в суживающийся проход 6. От¬
ходы из узкой горловины 8 поступают внутрь первой сор¬
тировочной колонны 7, где поднимающийся снизу поток
воздуха от вентилятора 13 производит первую очистку.
Легкая фракция материала поднимается воздушным по-
Рис. 5.6
Вертикальный аэросепаратор
зигзагообразного типа:
1 — приемная воронка; 2, 3, 6 —
шиберные заслонки; 4 — патрубок;
5 — приемник; 7 — роторный пи¬
татель.
током через сужающуюся гор¬
ловину 9 во вторую сортиро¬
вочную колонну 10. Тяжелая
фракция удаляется по наклон¬
ным решеткам 11 и 12 на кон¬
вейер. Число сортировочных
колонн определяется требуе¬
мой чистотой материала. Уста¬
новка снабжена системой цир¬
куляции воздуха.
На рисунке 5.6 представ¬
лена схема вертикального аэро¬
сепаратора зигзагообразного
типа для разделения дробле¬
ных отходов. Конструкция
аэросепаратора обеспечивает
повышение эффективности раз¬
деления за счет лучшего рыхле¬
ния материала и его разъедине¬
ния на отдельные компоненты
в рабочей зоне сепарации в ре¬
зультате стесненного падения
материала при его пересече¬
нии в различных направлени¬
ях организованным потоком
воздуха.
При рециклинге пластмасс
возможно использовать флота¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
141
ционные методы, которые позволяют разделить (отсорти¬
ровать) по видам, при этом одни виды измельченных пла¬
стмасс всплывают под действием прилипающих к ним пу¬
зырьков воздуха, а другие вместе с примесями осаждают¬
ся на дно.
При сортировке легкой упаковки на специальных ус¬
тановках прежде всего отсортировываются крупные пле¬
ночные полимерные материалы, например футляры. Бла¬
годаря незначительной массе и большой поверхности упа¬
ковки для этого пригодны пневматические или вакуумные
устройства, рассмотренные выше. Они отсасывают упаков¬
ки с транспортера. При использовании других техноло¬
гий поток упаковки с вышерасположенного транспортера
попадает на нижерасположенный, при этом поток возду¬
ха продувает подающую упаковку. В результате легкая
пленка отделяется, в то время как тяжелый остаток бес¬
препятственно транспортируется дальше.
Для предварительно измельченных кружек, бутылок
и аналогичных полых емкостей из полимерных материа¬
лов многие предприятия в настоящее время в целях более
точного разделения материалов по группам внедрили та¬
кие методы мокрой сортировки, как осадительные бассей¬
ны, сортировочные центрифуги и гидроциклоны. Разде¬
ление полимеров основано на их плотности. Измельчен¬
ные полимерные материалы помещаются в водяную ванну.
В цилиндрических емкостях центрифуг и гидроциклонов
сортируемые элементы подвергаются воздействию цент¬
робежных сил, при этом легкие пластмассы (полиэтилен,
полипропилен) отделяются от тяжелых (полистирол)*.
Разработан метод сортировки (классификации) отхо¬
дов полимерных материалов по спектру отраженного ин¬
фракрасного излучения с последующей компьютерной
обработкой результатов.
В настоящее время в промышленно развитых странах
наметился переход от ручной сортировки отходов к полу¬
автоматической и автоматической.
* Подробно устройство центрифуг и гидроциклонов описано в книге:
Кривошеин Д.А.У Дмитренко В.П.У Федотова Н. В. Системы защиты
среды обитания. М. : Академия, 2014. Т. 2. С. 44-49.
142
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Примером устройства для полуавтоматической сор¬
тировки может служить установка компании «Altvater
Sortierbetriebe GmbH» в г. Бакнанг (Германия). В этой ус¬
тановке упаковка разделяется посредством многих тех¬
нологических этапов, а затем прессуется в кипы чистых
материалов. Вместо ручной сортировки внедряются авто¬
матизированные рабочие процессы и разнообразные ме¬
ханические агрегаты. Мешки с бытовыми отходами от¬
крываются с помощью автоматических вскрывателей, за¬
тем их содержимое попадает в барабанный грохот, где оно
разделяется на крупную и мелкую фракции. Магниты из¬
влекают куски белой жести; воздушные сепараторы отде¬
ляют пленки из полимерных материалов. Упаковочный
картон и полимерные материалы отсортировываются ав¬
томатически агрегатами-разделителями, использующими
в своей работе инфракрасные системы (инфракрасная спек¬
троскопия). Для отделения алюминиевых частей исполь¬
зуются вихревые сепараторы.
Возможно использование оптической сортировки, ко¬
торая реализуется в технологии VisionSort. Аппарат соче¬
тает обработку изображений, инфракрасное распознавание
и пневматическую сортировку. Система идентифицирует
и разделяет упаковку по таким оптическим критериям, как
форма, цвет и свойства материала.
Таким образом, VisionSort может, например, надежно
отсортировывать такие полимерные материалы, как по¬
листирол, полиэтилен, полипропилен, полиэтилентереф-
талат и поливинилхлорид, а также картон для напитков
и фракцию «бумага — картон».
Установленное в VisionSort программное обеспечение,
кроме того, является обучаемым. Вновь появляющиеся на
рынке упаковочной индустрии виды полимерных матери¬
алов могут быть в короткие сроки определены и отсорти¬
рованы. Для этого материал сортируется на конвейере и
транспортируется со скоростью 2,5 м/с. Цветная видеока¬
мера устанавливает позицию объекта на конвейере. При этом
определяется скорость потока, а также цвет и форма объек¬
та. Данные обрабатывают на компьютере. Непосредственно
после этого ближний инфракрасный спектрометр анализи¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
143
рует материал локализованной упаковки. По длине волны
делается вывод о материале упаковки. Собранные таким
образом идентификационные признаки позволяют прове¬
сти автоматическую сортировку. Воздушная струя отде¬
ляет идентифицированные отходы из потока материалов.
Для разделения большого числа фракций система дол¬
жна обладать другими элементами распознавания изоб¬
ражений и распылительными устройствами, расположен¬
ными каскадом. В зависимости от вида, количества от¬
ходов и ширины конвейера установка VisionSort может
обрабатывать до 4 т/ч отходов на входе.
Это примерно соответствует годовой производительно¬
сти до 30 000 т отходов упаковки.
Также существуют и полностью автоматизированные
установки, примером которых может служить устройство
SORTEChnology 3.0 (SORTEC 3.0). Оно не требует персо¬
нала (отсутствуют ручные операции) и сортирует отходы
по следующим категориям: 1) агломерат полиолефина
(около 22%); 2) полиэтиленовый регранулят (14%); 3) кар¬
тон; 4) полистирольный регранулят; 5) бумажные волок¬
на; 6) упаковка из полиэтилентерефталата; 7) алюминий;
8) белая жесть.
Данное устройство позволяет снизить стоимость сорти¬
ровки по сравнению в существующими процессами « на 50%.
В устройстве SORTEC 3.0 технологический процесс
сортировки и переработки упаковки осуществляется в три
этапа: сухая механическая предварительная сортировка;
мокрая механическая подготовка и облагораживание по¬
лимерных материалов*. В этом устройстве внедрены про¬
веренные уже технологии, которые в то же время по-ново¬
му скомбинированы. В противоположность традиционным
методам полимерные материалы здесь подразделяются не
по фракциям (пленки, бутылки и смешанные материалы),
а по материалам.
* Облагораживание отходов полимерных материалов — это их пред¬
варительная тонкая очистка. Часто с получением специфического про¬
межуточного продукта, который можно использовать в различных ма¬
териальных и сырьевых технологиях рециклинга. Этот продукт извес¬
тен под названием «агломерат многослойных материалов».
144
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Примером других автоматических сортировочных
установок является оборудование фирмы «Rosendahl
Einsorgung GmbH».
При реализации технологий с использованием этих
установок отходы упаковки предварительно обрабатывают
на ситах и в воздушных сепараторах для последующего
этапа отбора. Легкая фракция сит селективно измельчает¬
ся в молотковой дробилке и группируется в барабанном сите.
Упаковки из полимерных материалов объемных форм, ко¬
торые ранее попадали во фракции пустотельных и много¬
слойных материалов, с помощью данной технологии могут
быть разделены на сорта полимерных материалов. Внедря¬
ются пять этапов автоматического распознавания, которые
рассортировывают фракции полиэтилена, полипропилена
и полиэтиленфторфтолата. Небольшие пленки и нераспоз¬
нанные упаковки из полимерных материалов попадают во
фракцию смешанных материалов. Кроме того, автоматичес¬
ки выделяются фракции бумаги, картона и полимерных
материалов. Дополнительно существуют методы разделе¬
ния алюминиевой упаковки воздушными сепараторами.
Отечественная фирма «Ригла» предлагает одностадий¬
ную автоматизированную линию для одновременной сор¬
тировки нескольких полимеров (полиэтилентерефталата,
поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола, полипро¬
пилена, а также отсортированных упаковок «Тетрапак»).
Кроме того, эта линия может быть использована для обла¬
гораживания предварительно отсортированных полимер¬
ных материалов.
Линии СортПласт предназначены для установки на:
• мусоросортировочных предприятиях;
• полигонах ТБО;
• предприятиях по переработке вторичных полимеров;
• предприятиях, использующих вторичные полимеры
при больших объемах производства и высоких требо¬
ваниях к однородности материалов.
Предлагаемые системы пригодны и доступны как пред¬
приятиям с высокой производительностью переработки,
так и предприятиям с малыми объемами. Более высокие
объемы сортировки могут быть достигнуты путем установ¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
145
ки нескольких параллельных линий, эффективно сокра¬
тив занимаемые площади.
Виды сортируемых полимерных отходов:
• бытовые пластиковые бутылки и контейнеры (спрессо¬
ванные в кипы, так и неспрессованные — с полигона);
• промышленные изделия из пластиков: трубы, корпу¬
са, мебель, контейнеры ит.п.;
• отходы полимерной промышленности, в том числе
предварительно измельченные;
• материал может быть грязным, немытым (с полигонов
твердых бытовых отходов, помоек), иметь наклейки
на поверхности.
Предлагаемая линия представлена системами, кото¬
рые могут распознавать бытовые и промышленные плас¬
тики по типу и цвету в потоке перемешанного материала
и затем осуществлять их автоматическую сортировку.
Данные системы основываются на принципах спектроско¬
пии в инфракрасном и видимом диапазонах. Распознава¬
ние и сортировка проводятся одновременно для пласти¬
ков разных типов и цветов на одной конвейерной линии.
Эта особенность позволяет обрабатывать поток полимер¬
ного материала в одну стадию.
Упрощенная версия данной системы используется для
тонкой очистки потока однотипного полимерного матери¬
ала, загрязненного полимерами иного типа. Степень очис¬
тки может быть доведена до уровня > 99,5% (типичный
пример — поток ПЭТ с примесью ПВХ и т. п.). Высокая
скорость работы этих систем позволяет проводить одновре¬
менную обработку входного материала из перемешанных
пластиков объемом до 0,8 т/ч, используя только одну ли¬
нию. Производительность линии для тонкой очистки пред¬
варительно отсортированного полимерного материала мо¬
жет быть еще выше. Отсортированный материал может
быть немедленно переработан либо перепродан для даль¬
нейшей переработки специализированным предприятиям.
Автоматические сортировочные системы СортПласт
включают:
• высокоточное спектральное оборудование;
• оптику, волоконно-оптические узлы.
146
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Кроме того, они задействуют эффективные алгоритмы
для распознавания спектров полимеров.
Данные системы управляются компьютерами с помо¬
щью инновационного программного продукта.
Описание рассматриваемой одностадийной автомати¬
зированной линии представлено ниже.
Рассматриваемая линия одновременной сортировки
нескольких полимеров состоит из трех принципиальных
частей (рис. 5.7):
• конвейер;
• блок оптического обнаружения и распознавания;
• пневматические эжекторы.
Специально разработанный конвейер обеспечивает про¬
странственную сепарацию компонентов исходного полимер¬
ного потока и производит их доставку к блоку оптического
обнаружения и распознавания. Каждый объект освещает¬
ся источником света, и их спектры поглощения анализи¬
руются в ИК и видимом диапазонах. Эта информация ис¬
пользуется для одновременного определения типа поли-
OfTTiriftKOf
«ИЙЫрУЖСНИГ II рМ(1101Н)ШД1111Г
Нсте'МНК Г8ГГЯ
К>*мыо1гр
ПК
ткиюягга
Видимый
эжекторы
nr ( 'кпчт/ ЛЯХ ' 1П / 1*°*?
W и и И
Ко.ыр* юры
Рис. 5.7
Схема одностадийной автоматизированной линии СортПласт
для одновременной сортировки нескольких полимеров
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
147
I т ■». Ц
Рис. 5.8
Схематический вид автоматизированной линии СортПласт
для облагораживания предварительно отсортированного
полимерного материала
мера и его цвета. Идентифицированный объект продолжа¬
ет движение до тех пор, пока не достигнет соответствующе¬
го эжектора, который «сдувает» его с ленты в соответству¬
ющий коллектор. Все неполимерные фракции и неиденти-
фицированные полимеры продолжают движение до конца
конвейера, где попадают в коллектор для отходов. Все не¬
опознанные объекты могут быть снова направлены на вход
системы для повторной идентификации и сортировки.
Автоматизированная линия облагораживания пред¬
варительно отсортированного полимерного материала.
Автоматизированная линия тонкой очистки предвари¬
тельно отсортированного полимерного материала предназ¬
начена для очистки основного полимера от посторонних
включений другого (например, очистить ПЭТ от ПВХ).
Данная линия включает (рис. 5.8):
• два конвейера, которые расположены на разных уров¬
нях по высоте;
• блок оптического обнаружения и распознавания;
• пневматический эжектор.
148
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Используемые конвейеры разбивают поток полимеров.
В зазоре между конвейерами устанавливается оптическая
линия между источником света, специальным отражателем
и оптическим коллиматором блока обнаружения и распоз¬
навания.
Все объекты, проходящие зазор между конвейерами,
облучаются световым потоком, и их спектры поглощения
анализируются блоком обнаружения и распознавания.
Все те объекты, которые имеют спектры, отличные от
спектра требуемого основного полимера, удаляются из
потока пневматическим эжектором. Данный вид сорти¬
ровки обычно требуется только для удаления разнотип¬
ных полимеров, поэтому в системах обычно устанавлива¬
ется только ИК-спектрометр.
Таблица 5.2
Технико-экономические показатели продукции
Показатели
процесса сортировки
Их характеристики
Типы сортируемых по¬
лимеров
ПЭТ, ПВХ, ПЭ, ПС, ПП. Возможна сорти¬
ровка иных типов пластиков и упаковок
«Тетрапак»
Распознаваемые цвета
Все основные: зеленый, коричневый, си¬
ний, красный и т. д.
Оптимальные размеры
сортируемых объектов
От 40 до 400 мм. Возможны конфигура¬
ции для сортировки объектов иных раз¬
меров
Степень чистоты сорти¬
рованного материала
Более 99,5%. Зависит от загруженности
линии материалом
Пропускная способность
одной линии
До 0,8 т/ч. Зависит от вида сортируемого
материала
Вид сортируемого мате¬
риала
Бытовые пластиковые бутылки и контей¬
неры. Как спрессованные в кипы, так и
неспрессованные — с полигона. Промыш¬
ленные изделия из пластиков: трубы,
корпуса, мебель, контейнеры и т. п. Отхо¬
ды полимерной промышленности, в том
числе предварительно измельченные.
Материалы могут быть загрязненными
(с полигонов твердых бытовых отходов,
помоек) и могут иметь наклейки на по¬
верхности
Требования к электропи¬
танию
Стандартный 3-фазный источник элек¬
тропитания. Потребляемая мощность
< 40 кВт на линию
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
149
В таблице 5.2 представлены технико-экономические
показатели автоматической линии.
Преимущества и особенности линий СортПласт:
• параллельная сортировка в одну стадию полимеров
нескольких типов и цветов с наивысшей степенью раз¬
деления, без повторной сортировки и многоэтапной
сортировки установки;
• компактный размер. Она может быть легко интегри¬
рована в уже существующую линию по переработке
полимеров;
• работа в круглосуточном режиме, производительность
оборудования в 4-6 раз выше, чем при ручной сорти¬
ровке;
• легкое перепрограммирование линии при изменении
типа отходов;
• загрязненность поступающих отходов полимеров не
влияет на эффективность сортировки;
• работа установки практически безопасна и отличает¬
ся простотой эксплуатации.
Дробление и измельчение отходов. Рассмотрены про¬
цессы и аппараты для переработки различных пластмас¬
совых отходов. Укажем, что термин «дробление» обычно
относится к различным крупным отходам, а измельче¬
ние — к мелким.
Примером универсальной дробилки для твердых от¬
ходов, в том числе и пластмассовых, может служить оте¬
чественная установка ОЦ-150 (см. рис. 5.9, 5.10). Она ис¬
пользуется для уменьшения размеров отходов полимеров,
древесных отходов, отходов резины, кожи и др.
Дробление отходов реализуется путем воздействия на
них системы подвижных и неподвижных ножей. В конст¬
рукцию заложены возможности регулирования: размеров
выходных гранул, рабочих зазоров между ножами, что де¬
лает установку практически универсальной и позволяет
дробить не только пластмассу, но и древесную щепу, кору,
торф, кормовые добавки, резину, кожу и многое другое.
Наличие регулируемых опор и небольшой вес позво¬
ляют смонтировать установку практически в любом по¬
мещении.
150
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.9
Дробилка для полимеров ОЦ-150
(рабочая схема):
1 — основание; 2 — крышка; 3 — решет¬
ка; 4У 5 — ножи неподвижные; 6 — болт
откидной; 7 — ротор; 8 — нож подвиж¬
ный; 9 — прокладка регулирования.
1 — измельчитель; 2 — электродвигатель; 3 — кожух; 4 — натяжное устройство;
5 — бункер загрузочный; 6 — приемное устройство; 7 — станина; 8 — опора; 9 —
зажим заземления.
Технические характеристики установки ОЦ-150 сле¬
дующие:
• размеры ротора: диаметр — 138 мм, длина — 445 мм;
• размеры загрузочного окна: ширина — 200 мм, высо¬
та — 95 мм;
• размер ячейки калибрующей решетки — 3-8 мм;
• производительность — 5-140 кг/ч;
• частота вращения ротора — 1500 об/мин;
• мощность электродвигателя — 5,5 кВт;
• напряжение питания — 380 В;
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 151
• габаритные размеры: длина — 1065 мм, ширина —
510 мм, высота — 1260 мм;
• масса — 250 кг.
Существует целый ряд аналогичных роторных дроби¬
лок и измельчителей широкого спектра действия, произ¬
водимых как в РФ, так и странах СНГ (установки типа
ИРНК производства Украины; типа ИУГ-200, И-902 (Бе¬
ларусь) и ряд других).
Среди зарубежных аппаратов отметим в первую оче¬
редь однороторные измельчители (шредеры) немецкой
фирмы WEIMA Moschinenbay GmbH, предназначенные
для переработки отходов пластмасс (рис. 5.11, 5.12).
Однороторные шредеры Weima серии WLK предназ¬
начены для переработки отходов пластмасс, в том числе
крупногабаритных, таких как трубы, бочки, короба,
ящики ит. п., которые невозможно измельчить сразу
Рис. 5.11
Общий вид шредера
Рис. 5.12
Внутреннее устройство шредера
152
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
в измельчителе (дробилке), поэтому используется пред¬
варительное измельчение в шредере.
Шредеры компании Weima оборудованы большим заг¬
рузочным бункером, загрузка перерабатываемого матери¬
ала в который может осуществляться через конвейер (лен¬
точный транспортер), автопогрузчик, кран и т. п.
С помощью гидравлического прессовочного устройства
материал измельчается максимально эффективно, нагруз¬
ка на измельчающий ротор контролируется автоматичес¬
ки, режим работы пресса зависит от перерабатываемого
материала и задается на пульте управления шредером.
Ротор оснащен системой реверсивного движения, что при
превышении нагрузки свыше заданной оператором вели¬
чины позволяет автоматически включить обратный ход,
избежав повреждений ножей и двигателя.
Запатентованная V-образная конструкция ножей и
цельного ротора, сделанных из высокопрочных сталей,
вращается со скоростью около 85 об/мин (зависит от пе¬
рерабатываемого материала). Ротор оснащен системой
охлаждения, что позволяет шредеру работать непрерыв¬
но длительное время.
Остро заточенные зубообразные (выгнутые) ножи име¬
ют 4 рабочих поверхности, и при затуплении одной из по¬
верхностей не требуется переточка ножа, его достаточно
повернуть на 90°. Таким образом, срок службы ножей уве¬
личивается в 4 раза.
Такая конструкция ножей в первую очередь позволя¬
ет уменьшить расход электроэнергии и увеличить произ¬
водительность.
Размер сетки (фильтра), установленной под ротором,
определяет размеры получаемого дробленого материала
(15-100 мм). Кроме того, особенностью конструкции яв¬
ляется легкий доступ к смене и очистке сетки, которая
открывается с помощью гидравлической системы.
Привод ротора осуществляется через редуктор с боль¬
шим передаточным числом. В качестве опции привод мо¬
жет быть выполнен с двумя двигателями (с каждой сторо¬
ны вала). Данная модификация рекомендуется при требу¬
емой мощности привода свыше 100 кВт.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
153
Таблица 5.3
Технические характеристики шредеров
Параметр
WLK 4S
WLK 6S
WLK 10
WLK 12
WLK 15
Количество
ножей в ряду
17
23
28
34
43
Размеры загру¬
зочного окна,
мм
бООх
х900
800х
х1200
ЮООх
х1200
X (-»
I-* to
to о
о о
О х
1500х
х1500
Диаметр рото¬
ра, мм
386
386
386
386
368
Скорость рото¬
ра, об/мин
85
85
85
85
85
Мощность, кВт
22/30/37
30/37/45
37/45/55
45/55/75
55/75/90
Масса, кг
2000
2900
3500
4300
5000
Привод оснащен устройством плавного пуска, что по¬
зволяет снизить нагрузку на ножи, ротор и двигатель в
момент пуска, если в камере остался непереработанный
материал. Технические характеристики шредеров пред¬
ставлены в таблице 5.3.
Габариты шредеров представлены на рисунке 5.13 и в
таблице 5.4.
Универсальным аппаратом для измельчения отходов
полимерных материалов, древесины, картона, бумаги
и др. являются четырехроторные шредеры (типа ZMK)
той же формы. Общий вид этого аппарата представлен
на рисунке 5.14, его внутреннее устройство на рисун¬
ке 5.15, технические параметры приведены в табли¬
це 5.5, основные размеры шредеров представлены на
рисунке 5.16.
Шредер отлично измельчает различные отходы, делая
возможной последующую переработку материала. Объем
перерабатываемого материала зависит от его происхож¬
дения, однако обычно составляет 300-2000 кг/ч.
Из-за медленной скорости вращения ротора (прибли¬
зительно 25 об/мин) уровень шума остается очень низким
и составляет 76 Дб. Управляющие системы PLC — особое
дополнение для моделей ZM 30 и ZM 50.
154
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.13
Габариты шредеров
Таблица 5.4
Габариты шредеров
Размеры
сторон,
мм
WLK 4S
WLK 6S
WLK 10
WLK 12
WLK 15
А
1300
1600
1930
2130
2430
В
600
800
1000
1000
1500
С
800
1200
1200
1200
1500
D
1800
2100
2100
2100
2700
Е
1640
1880
1880
1880
1880
F
1075
1160
1160
1160
1160
G
520
760
760
760
1060
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
155
Рис. 5.14
Общий вид четырехроторного шредера (типа ZMK)
Рис. 5.15
Внутреннее устройство четырехроторного шредера (типа ZMK)
156
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.5
Технические параметры четырехроторных шредеров
Параметр
ZM 30
ZM 30S
ZM 40
ZM 50
Размер открывающе-
1000х
ЮООх
1300х
1400х
гося бункера, мм
х1250
х1400
х1400
х1500
Отсек
измельчения, мм:
ширина
462
462
760
990
длина
562
700
700
700
диаметр ротора
235
280
280
280
Производительность*:
диаметр отверстий
экрана — 20 мм (кг/ч)
300-500
500-800
600-1200
800-1500
диаметр отверстий
экрана — 40 мм (кг/ч)
500-800
600-1000
800-1500
1000-2000
Приблизительная
1300
2150
2500
3000
масса, кг
Примечание. * Производительность зависит от типа материала.
Рис. 5.16
Основные размеры шредеров ZM 30, ZM 40, ZM 50
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
157
Ножи вращаются за счет двух двигателей мощностью
от 5,5 до 18,5 кВт. В случае перегрузки роторов режущие
и промежуточные ножи изменят направление вращения
независимо друг от друга.
Режущий механизм состоит из двух движущихся ре¬
жущих ножей и двух промежуточных или четырех ре¬
жущих.
Есть несколько моделей ротора с различным диамет¬
ром: 10, 20, 30 и 40 мм в зависимости от измельчаемого
материала.
Измельченный материал попадает на калибровочную
решетку, расположенную под отсеком измельчения. Раз¬
личные размеры отверстий решетки (10-40 мм) позволя¬
ют регулировать размеры конечного продукта.
Агломерация отходов .Агломерация отходов — техно¬
логический процесс получения более крупных образова¬
ний (агломератов) из мелкого исходного вторичного сы¬
рья. Здесь будет рассмотрена агломерация таких отходов
термопластичных пластмасс, как пленки, волокна, тка¬
ни, пенопласт, РЕТ-бутылки и т. д. Устройства для про¬
ведения данного процесса называются агломераторами.
Примером отечественного устройства может служить
роторный агломератор АГМ-1000, предназначенный для
утилизации пленочных полимерных отходов с получени¬
ем агломерата — вторичного полимерного сырья.
Технология реализуется следующим образом.
Отходы пленочных полимерных материалов, полипро¬
пиленовое полотно, стрейч-пленка поступают в агломера¬
тор через загрузочное отверстие в верхней крышке корпу¬
са. Попадая по направляющим на вращающийся ротор,
пленочные отходы подвергаются дальнейшему измельче¬
нию и расплавлению.
Нагрев и расплавление материала происходит за счет
механической энергии трения. Далее в бункер заливают
воду и расплавленная масса охлаждается. За счет враще¬
ния ротора охлажденная масса рубится на гранулы.
Для улавливания мелкой фракции и пыли в верхней ча¬
сти крышки корпуса может быть предусмотрен трубный от¬
вод, к которому присоединяют циклон с пылесборником.
158
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Выгрузка готового продукта происходит через отвер¬
стие в нижней части корпуса при открытой заслонке раз-
Общий вид агломератора
представлен на рисунке 5.17.
Станина агломератора имеет
коробчатую конструкцию. Ее
оформление и расположение
соответствующих частей опре¬
деляют открытый тип маши¬
ны. Она состоит из следующих
частей: фундаментной рамы и
основания двигателя.
Фундаментная рама пред¬
ставляет собой сварную конст¬
рукцию и является базовым
креплением для установки основания двигателя. Осно¬
вание двигателя — цельнометаллическая плита, служа¬
щая для установки двигателя. Конструкция станины
машины обеспечивает транспортировку агломератора в
сборе.
Привод агломератора осуществляется двигателем трех¬
фазного тока. Силовая передача между двигателем и ва¬
лом ротора происходит за счет соединения шкивов клино¬
выми ремнями.
Корпус состоит из следующих частей: бочка, крышка
корпуса, устройство выгрузки, наружная облицовка.
Бочка представляет собой сварную конструкцию из
стальной трубы, имеющей отверстие в боковой стенке для
выгрузки готового продукта, дно с резьбовым креплени¬
ем для соединения с подшипниковым узлом и фланца, со¬
единяющего корпус с крышкой.
Крышка корпуса изготовлена с крепежным фланцем.
В зоне загрузки материала расположено загрузочное от¬
верстие.
Устройство выгрузки состоит из сварного бункера выг¬
рузки и заслонки. При открытии заслонки происходит
освобождение рабочей зоны корпуса от накопившейся мас¬
сы агломерата.
грузочного бункера.
Рис. 5.17
Общий вид агломератора
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
159
Наружная облицовка защищает от прикосновения к
горячим внутренним частям машины. Облицовка выпол¬
нена из тонколистового металла и является предохрани¬
тельным кожухом для теплоизолятора рабочей области
корпуса. Ротор агломератора представляет собой метал¬
лическую плиту с квадратным отверстием в центре для
установки и фиксации на приводном валу. К ротору снизу
прикреплен болтами диск-отбрасыватель. На концах верх¬
ней плоскости ротора установлены по два ножа, предназ¬
наченные для измельчения и последующей агломерации
поступающего на переработку материала.
Вал ротора установлен в гидроизолированном подшип¬
никовом узле. С целью предотвращения перегрева под¬
шипника от энергии, выделяющейся в процессе агломе¬
рации, к подшипниковому узлу подводится охлаждающая
жидкость (вода). На одном торце вала выполнен квадрат¬
ный профиль для установки ротора агломератора. Поверх¬
ность второго торца является посадочной базой для креп¬
ления приводного шкива.
Технические характеристики агломератора: рабочий
объем — 1,14 м3; мощность приводного двигателя — 55 кВт;
скорость вращения вала приводного двигателя — 1500
об/мин; скорость вращения ротора —1400 об/мин; силовая
передача — ременная; количество ножей — 4 шт.; количе¬
ство роторов — 1 шт.; рабочее напряжение — 220/380 трех¬
фазного тока, В; оперативное напряжение: 220 переменного
тока, В; его частота — 50 Гц; температура окружающего воз¬
духа допустимая: -5...+35°С; направление работ — верти¬
кальное; высота рабочей зоны — 2150 мм; максимальная
производительность (зависит от материала) — 60 кг/ч; вес
комплектной машины — 3200 кг; габаритные размеры, мм:
длина — 2100, ширина — 900, высота — 2150.
Примером другой конструкции является агломератор
марки SLA-2000 Fa (Беларусь), общий вид которого пред¬
ставлен на рисунке 5.18. Он также предназначен для пе¬
реработки отходов пластмассы, в том числе пленки.
Его основные характеристики: рабочий объем — 2,0 м3;
количество двигателей — 2; мощность каждого двигате¬
ля — 55 кВт; скорость вращения ротора — 1250 об/мин;
160
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
I II
—Iш
Ъ'Ш
Рис. 5.18
Общий вид агломератора SLA-2000 Fa
Таблица 5.6
Основные характеристики агломератора
Рабочий объем, м *
2,0
Скорость вращения вала приводного двига¬
теля, об/мин
1500
Силовая передача
Ременная
Клиновой ремень профиль С:
длина, мм
количество, шт.
3150
10
Количество ножей, шт.
4
Количество роторов, шт.
2
Рабочее напряжение, В
220/380
трехфазного тока
Оперативное напряжение, В
220 переменного тока
Частота, Гц
50
Температура окружающего воздуха допусти¬
мая, °С
-5...+35
Направление работ
Вертикальное
Высота рабочей зоны, мм
700
Максимальная производительность, кг/ч
(зависит от материала)
300-600
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
161
Продолжение табл. 5.6
Масса комплектной машины, кг
4800
Габаритные размеры, мм:
длина
2800
ширина
1990
высота
1990
Гидравлическая система выгрузки:
двигатель:
мощность, кВт
5,5
частота вращения, об/мин
1500
маслонасос, марка
НШ-32
гидрораспределитель, марка
РВО-3/4-222
Система охлаждения, от промышленного
Вода — t = 1—18°С
водопровода
0,1-0,3
давление, МПа
Шнековый транспортер для выгрузки сырья:
двигатель:
мощность, кВт
4
частота вращения, об/мин
1500
шнек, мм:
диаметр
240
длина
3860
Транспортер подачи сырья:
мотор-барабан:
мощность, кВт
1,1
частота вращения, об/мин
200
габаритные размеры, мм:
длина
5070
ширина
870
высота
2250
производительность — 300-600 кг/ч (зависит от матери¬
ала). Работает в автоматическом режиме без участия пер¬
сонала.
Прочие характеристики агломератора представлены в
таблице 5.6. Установки производятся серийно.
5.2.3.
ВИДЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ОСНОВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В настоящее время полимеры нашли широкое примене¬
ние в производстве изделий технического назначения, тары
и упаковки, медицинских изделий, товаров хозяйствен¬
ного использования. До 40% мирового производства по¬
лимеров используются в упаковочной промышленности.
162
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.7
Сводная таблица номенклатуры полимерных отходов
Наименование
Виды
вида полимера
полимерных отходов
1. Отходы полиолефинов (до
50% по массе):
1.1. Полиэтилен высокой
плотности
Тара, емкости для хранения сыпу¬
чих продуктов, ведра, тазы, иг¬
рушки, мебельная фурнитура.
1.2. Полиэтилен низкой
плотности
Сельскохозяйственная пленка,
хозяйственные мешочки, скатерти,
1.3. Полипропилен
пленочные материалы.
Упаковочная пленка для пище¬
вых, кроме молочных, продуктов,
тара для технических жидкостей и
реактивов
2. Отходы полистирольных пла¬
стиков:
2.1. Блочный
и ударопрочный полистирол
Одноразовая посуда, авторучки,
упаковка для молочных продуктов,
банки, решетки, вешалки, шашки,
2.2. Сополимеры стирола
шахматы, шкатулки, вазы.
Детали облицовки интерьера, де¬
2.3. Вспененный полистирол
тали радиоприемника.
Упаковки радиоприборов, аудио-
техники, посуды, холодильников,
теплозвукоизоляционные мате¬
риалы
3. Отходы поливинилхлорида:
Покрытия для полов, стен, мебели,
3.1. Винипласт
различных искусственных кож,
пленок, литьевых изделий.
Отделочные материалы, кровель¬
ные листы, оконные переплеты,
упаковочный материал (сосуды,
контейнеры, флаконы и т. п.)
4. Отходы полиуретана
Формованные и литьевые изделия
5. Отходы полиамида
Текстильные материалы
(трикотажные, чулочно-носочные
изделия и др.), специальные тек¬
стильные материалы (подворот-
ничковая ткань, нетканые мате¬
риалы)
6. Отходы полиэтилентерефта-
лата
Бутылки с затворами и без них, с
типичными остатками содержания
бутылок, с этикетками из бумаги с
водорастворимым или нераствори¬
мым клеем, различных цветов и
типов
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
163
Изделия из полимеров по окончании использования
попадают на свалки, причем тара и упаковка обладают наи¬
более коротким сроком службы — от нескольких дней до
года. Доля полимеров в составе твердых бытовых отходов
постоянно возрастает. В России она оценивается в среднем
в 5-8%. Полимерные отходы, как и сами полимеры, под¬
разделяются на термопластичные и реактопласты. Пер¬
вые из них представляют полимеры, которые при нагре¬
вании приобретают свойства пластичности, текучести,
а вторые — полимеры, которые под действием температу¬
ры не переходят в вязкопластичное или текучее состоя¬
ние. Наибольший интерес для повторного использования
представляют термопластичные полимеры, к которым от¬
носятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Ос¬
новные виды таких полимеров и изделий из них, которые
после использования превращаются в отходы, представ¬
лены в таблице 5.7.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ
Рассмотрим наиболее распространенные полимеры.
К группе полиолефинов относятся полиэтилен (ПЭ) и
пропилен (ПП), получившие наибольшее распространение
на практике.
Полиэтилен
Различают полиэтилен высокого, среднего и низкого
давления. ПЭ высокого давления (ПЭВД) характеризует¬
ся низкой плотностью по сравнению с аналогичными про¬
дуктами. Его получают полимеризацией под давлением
100-350 МПа при 190-300°С в присутствии кислорода или
его пероксидов.
ПЭ низкого давления (ПЭНД) и высокой плотности
получают при давлении 3,5-4 МПа в присутствии метал¬
лоорганических катализаторов (тетрахлорид титана TiCl4
в виде его раствора в бензине; диэтилалхлорид алюминия
А1[(С2Н5)2С1]).
ПЭ среднего давления (ПЭСД) получают при давлении
3,55-7,6 МПа в растворе бензина, циклогексана, ксилола
и др., в присутствии катализаторов — окислов металлов
164
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.8
Физико-механические свойства различных видов полиэтилена
Свойства
полиэтилена
Тип полиэтилена
ПЭВД
ПЭНД
пэсд
Плотность, кг/м3
900-939
948-959
969-970
Температура
плавления, °С
105-108
125-135
130-135
Морозостойкость, °С
-70
Твердость, МПа
14-25
48-52
—
переменной валентности (хром, ванадий, молибден), на¬
несенных на алюмосиликат. Сводная таблица 5.8 свойств
различных видов полиэтилена представлена ниже.
Из представленных в таблице 5.8 пластиков наиболь¬
шее распространение получили ПЭВД и ПЭНД.
Полиэтилен низкой плотности. Этот материал — ли¬
дер мирового рынка полимерных материалов для упаков¬
ки, так как около 45% производимых в мире полимерных
упаковок изготавливают именно из него. Пленки из ПЭНП
получают методом экструзии с раздувом или плоскощеле¬
вой экструзией. Они составляют 75% общего объема по¬
лимерных пленок в упаковке, так как обладают инертно¬
стью, прочностью при низких температурах, стойкостью
к ударам и раздиру.
Упаковки на основе этого пластика обладают малой
массой, значительной сопротивляемостью разрушению,
простотой в изготовлении, низкой проницаемостью для
кислорода, что способствует сохранности продуктов. Из
ПЭНП изготавливают тару для пищевых продуктов (за¬
кусок, сосисок, конфет и др.); лотки, которые можно при¬
менять в микроволновых печах для приготовления пищи
из рыбы, птицы, мяса; бутылки для прохладительных
напитков, минеральной и питьевой воды.
Из пленок ПЭНП изготавливают большое количество
мешков. Из указанного нами материала изготавливают
термоусадочные пленки, которые позволяют при упаков¬
ке в них уменьшить объемы товаров и таким образом за¬
нимаемые места на складах. Пленки из ПЭНП толщиной
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
165
\
.Тара и упаковка
28,6%
Товары народного
пот " ния
Пленки
25,0%
Рис. 5.19
Структура использования полиэтилена высокого давления
(низкой плотности)
более 200 мкм применяют как внутренние вкладыши для
бочек с твердыми химикалиями и различными жидкостя¬
ми и как амортизирующие защитные вкладыши внутри
деревянных ящиков для упаковки тяжелого оборудова¬
ния. Необходимо отметить, что комбинированные пленоч¬
ные материалы из ПЭНП с алюминиевой фольгой приме¬
няют для изготовления пакетов при упаковке соков. Ком¬
бинированные пленки из ПЭНП используют для упаковки
продуктов, подвергаемых пастеризации.
ПЭНП является основой для изготовления амортизи¬
рующего упаковочного материала «Вилатерм-Л», который
надежно защищает упакованную продукцию от механичес¬
ких повреждений, температурных колебаний, проникнове¬
ния влаги, действия микроорганизмов, многих растворите¬
лей и химических веществ, повышает привлекательность
продукции и уменьшает массу тары. Этот материал также
применяют для упаковки тяжелых и сложных по форме из¬
делий, более экономичен по сравнению с пенополиуретаном.
Структура использования полиэтилена высокого давления
(отечественные данные) представлена на рисунке 5.19.
Полиэтилен низкого давления (высокой плотности).
Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) получают газо¬
фазной полимеризацией этилена при низком давлении с
использованием комплексных металлоорганических ката¬
лизаторов на носителе. Этот полиэтилен является лидером
166
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Черная металлургия
4,4%
Цветная металлургия
1,0%
Трубы и детали
трубопроводов
17,8%
Тара и упаковка
49,8%
Товары народного
потребления
27,0%
Рис. 5.20
Структура использования полиэтилена низкого давления
на мировом рынке в производстве «шуршащих» пленок,
более тонких по сравнению с пленками из ПЭНП. Такие
пленки более жесткие, прочные, обладают влагопроницае-
мостью, большей стойкостью к маслам и жирам, чем плен¬
ки из ПЭНП. Для них характерна высокая температура
размягчения, поэтому выдерживают стерилизацию паром.
Комбинированные пленки с нижним слоем из ПЭВП при¬
меняют для упаковки консервированных продуктов со
стерилизацией при температуре не выше 121°С. Так как
температура размягчения ПЭВП выше, чем температура
кипения воды, то пленки из ПЭВП применяют для про¬
дуктов типа «кипяти в упаковке». Пленки из ПЭВП ис¬
пользуют для упаковки пищевых продуктов, срезанных
цветов, изготовления сумок для супермаркетов и универ¬
самов, так как они обладают прочностью и легкостью, ве¬
ликолепными барьерными свойствами по сравнению с
пленками из ПЭНП. Рассматриваемый материал приме¬
няют для изготовления ящичной тары методом литья под
давлением, для изготовления бутылей вместимостью 10-
20 л, бочек вместимостью 50-200 л, канистр вместимос¬
тью 2-20 л, производимых методом экструзионно-выдув¬
ного формования, а также флаконов для косметики и бы¬
товой химии.
На рисунке 5.20 изображена структура использования
ПЭВП.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
167
Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП).
ЛПЭНП по своей структуре подобен ПЭВП, однако имеет
следующие основные преимущества:
• более высокую температуру размягчения, что позволя¬
ет применять его для расфасовки горячих продуктов;
• лучшие эксплуатационные свойства при низких и вы¬
соких температурах;
• более высокую химическую стойкость;
• в 2-3 раза более высокую стойкость к раздиру и про¬
колу;
• большую прочность и относительное удлинение при
разрыве;
• блеск поверхности и устойчивость к растрескиванию.
Рост потребления ЛПЭНП на мировом рынке. ЛПЭНП
более динамичен по сравнению с ПЭНП и ПЭВП, так как
этот полимер позволяет получать тонкие пленки с повы¬
шенными прочностными свойствами.
Этот материал, в частности, предназначен для изготов¬
ления медицинских пакетов, ламинированных и растя¬
гивающих пленок. Наиболее широкое применение он на¬
ходит в производстве стрейч-пленок для машинного и руч¬
ного пакетирования.
Полипропилен (ПП)
Его полимеризацию проводят в присутствии метал-
лорганических катализаторов (диэтилалюминийхлорид
с треххлористым титаном). Физико-механические свой¬
ства ПП представлены в таблице 5.9.
Полипропилен (ПП) получают газофазным или суспен¬
зионным методом полимеризации пропилена. Чаще всего
Таблица 5.9
Физико-механические свойства полипропилена
Плотность, кг/м3
919
Твердость, МПа
40-70
Температура плавления, °С
164-170
Морозостойкость, °С
-10...-15
Водопоглощение, %
0,01-0,03
Температура хрупкости при изгибе, °С
-110-120
168
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
его используют для производства упаковки. В настоящее
время около 36% мирового потребления ПП приходится
на упаковку, а 12% мирового потребления ПП — на про¬
изводство двухосно-ориентированных пленок. Основные
преимущества двухосно-ориентированных пленок перед
конкурирующими полимерными материалами (поливи¬
нилхлорид, полиэфир, полиэтилен) следующие:
• производство пленок с широким диапазоном термосва¬
риваемости;
• высокие физико-механические свойства, позволяю¬
щие производить более тонкие пленки по сравнению с
остальными материалами;
• высокие барьерные свойства к водяным парам;
• оптическая прозрачность и блеск;
• возможность стерилизации продуктов в пленке, а так¬
же применение пленки в суровых зимних условиях и
в низкотемпературных холодильниках;
• возможность нанесения на пленку металлических по¬
крытий и других полимеров;
• производство таких пленок с жемчужным внешним
эффектом за счет частичного их вспенивания.
Такие пленки используют для пищевой упаковки, где
их доля составляет 68%. В настоящее время двухосно-ори¬
ентированные пленки наиболее широко применяют для
упаковки сигарет и производства этикеток. Их использу¬
ют также для термоусадочной упаковки, где требуются
великолепная прозрачность и блеск (коробки с космети¬
кой и туалетными принадлежностями).
Неориентированные раздувные и поливные пленки из
ПП применяют для упаковки текстильных изделий (про¬
стыни, трикотаж, белье, рубашки), так как они имеют
меньшую массу, хорошую свариваемость и великолепную
прозрачность. Эти же пленки используют для упаковки
медицинских изделий многократного использования, из-
за их способности выдерживать автоклавную стерилиза¬
цию при температуре 120-135°С. Листы и ленты из поли¬
пропилена толщиной 0,3-1,6 мм применяют на формо¬
вочных автоматах для расфасовки и упаковки детского
питания, плавленых сыров, сметаны, майонеза, йогурта,
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
169
молока и кефира, меда, мармелада, мясных и рыбных по¬
луфабрикатов и готовых изделий, школьных завтраков,
изготовления коррексов. Кроме того, листы и ленты исполь¬
зуют для изготовления прозрачных вкладышей в картон¬
ных коробках для упаковки постельного белья, одежды.
Упаковочную полипропиленовую ленту с рифленой
поверхностью применяют для упаковки киповых товаров
(газеты, журналы, книги идр.). Ее широко используют
вместо металлической ленты для упаковки погонажных
и штучных изделий из дерева и других материалов.
Полипропиленовый шпагат используют для ручной и
машинной упаковки киповых товаров (печатной продук¬
ции, увязки снопов, тюков сена, при машинной уборке
льна, конопли и др.).
Полипропиленовые мешки применяют для упаковки,
транспортировки и хранения химических сыпучих ве¬
ществ, пищевых продуктов и продуктов сельского хозяй¬
ства. Такие мешки обладают высокой химической стой¬
костью, прочностью, долговечностью, не подвержены гни¬
ению и воздействию плесневых грибов.
Полипропилен также применяют для изготовления
бутылок вместимостью 0,5-1,0 л под фасовку стерилизо¬
ванного молока длительного хранения и натуральных со¬
ков. Стерилизация бутылок, наполненных молоком и на¬
туральными соками, производится в автоклавах-стерили¬
заторах при температуре 120°С.
Полистирол и сополимеры стирола
Полистирольные пластики — полистирол (ПС), уда¬
ропрочный полистирол, АБС-пластики, сополимеры сти¬
рола относятся к числу наиболее распространенных пласт¬
масс.
Полистирол. Промышленное применение нашли сле¬
дующие виды полистирола, различаемые по способу по¬
лимеризации: блочный, суспензионный и эмульсионный
(производится в меньших масштабах). Их физико-хими¬
ческие свойства представлены в таблице 5.10.
К недостаткам полистирола относится его большая
хрупкость и старение. Рассмотрим последнюю характери¬
стику подробнее.
170
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.10
Физико-механические свойства полистирола
Характеристика
Тип полистирола
Блочный
Эмульси¬
онный
Суспензи¬
онный
Плотность, кг/м3
1050-1080
1050-1100
1050-1080
Твердость, МПа
140-150
140-150
140-160
Температура раз¬
мягчения, °С
82
90-95
82
Водопоглощение, %
0,02
0,03
0,02
Температура хруп¬
кости при изгибе, °С
-60
—
—
Изменение во времени свойств полимерных матери¬
алов называется старением. Главная причина старения
полимеров — окисление их молекулярным кислородом,
которое особенно быстро протекает при нагревании.
Окисление часто ускоряется и облегчается под действи¬
ем света, а также в присутствии материалов переменной
валентности.
Различают следующие виды старения: тепловое, тер¬
моокислительное, световое, атмосферное (озоновое), ра¬
диационное и старение под влиянием механических на¬
грузок («утомление полимеров»).
Для нейтрализации процессов старения в состав поли¬
меров вводят стабилизаторы (ингибиторы).
Полистирол общего назначения. Полистирол общего
назначения получают в процессе полимеризации стиро¬
ла. Отметим, что при нагреве свыше 200°С ПС разлагает¬
ся с выделением стирола.
Из ПС общего изготавливают одноразовые стаканы,
сувенирные коробки для кондитерских изделий, мерные
кружки. Этот полимер обладает хорошей прозрачностью
и блеском.
Из блочного полистирола производят двухосно-ориен¬
тированные пленки и листы, обладающие повышенной
прочностью и имеющие высокую размерную стабильность.
Пленки малых толщин применяют для изготовления
прозрачных окошек в картонной коробке, для упаковки
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
171
свежих продуктов, которым необходимы «дышащие
пленки».
Листы из ПС применяют для изготовления прозрач¬
ных жестких стаканчиков к торговым автоматам, жест¬
ких туб для десертов, пресервов, для автоматической про¬
дажи комплексных обедов. С целью обозрения фасован¬
ного свежего мяса с обеих сторон из ориентированных
листов изготавливают прозрачные подносики.
Эмульсионный полистирол общего назначения приме¬
няют для изготовления вспененной тары, которая по мас¬
штабам применения занимает первое место из всех пено¬
пластов. Из вспененных гранул эмульсионного полисти¬
рола методом беспрессового формования изготавливают
крупногабаритные упаковки для хранения и транспорти¬
ровки различных изделий технического назначения, а так¬
же крупногабаритную тару для пищевых продуктов (све¬
жая рыба и др.).
Из листов вспененного ПС методом термоформования
изготавливают тарелки-поддоны, лотки для упаковки про¬
дуктов питания, коробки для яиц, прокладки для ящи¬
ков с яблоками. Этот материал жиростоек, является пре¬
красным теплоизолятором, эластичен, хорошо распреде¬
ляет и гасит ударные нагрузки.
Ударопрочный полистирол. Его получают сополиме-
ризацией стирола с каучуком. Из УП методом литья под
давлением изготавливают различную тару для упаковки
пищевого и технического назначения. Из листов и лент
УП методом термоформования изготавливают тару для
молочных продуктов, подносики, стаканчики и прочие
виды упаковок с минимальной разнотолщинностью стенок
изделий. УП занимает первое место из всех базовых поли¬
мерных материалов на рынке термоформованной тары.
Поливинилхлорид (ПВХ)
В промышленности применяют три основных метода
производства ПВХ: блочный, суспензионный и эмульси¬
онный.
ПВХ — полимер с молекулярной массой от 30 000 до
150 000, с плотностью 1400 кг/м3. При нагреве свыше
140°С он разлагается с выделением хлористого водорода.
172
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Учитывая, что рассматриваемый материал — жесткий
полимер, то для его пластификации широко используют
эфиры фталевой кислоты (дибутилфталат, диоктилфталат
и др.). С использованием пластификаторов получают пла¬
стификаты и винипласты.
Для упаковки применяют композиционные полимер¬
ные материалы на основе ПВХ, пластификаторов, термо¬
стабилизаторов, красителей-наполнителей. Из них изго¬
тавливают пленки, листы, объемные выдувные изделия.
В настоящее время в торговле широко используют тонкие
пленки из пластифицированного ПВХ для упаковки под¬
носов со свежим мясом, так как они обеспечивают высокую
кислородопроницаемость. Эти пленки обладают высокой
прочностью, морозостойкостью, хорошей прозрачностью и
блеском, способностью к усадке при упаковке, они имеют
хорошую стойкость к маслам, жирам, щелочам и кислотам.
Тонкие пленки из ПВХ используют также для термоуса¬
дочной упаковки подносов со свежими овощами и фрукта¬
ми. Листы из непластифицированного ПВХ, в которых ис¬
пользуются незначительные количества пластификато¬
ров, широко применяют для термоформования (коррексы,
блистеры, различная тара). Для получения декоративной
тары листы подвергают вакуумной металлизации.
Из композиций ПВХ изготавливают также прозрач¬
ные объемные изделия методом экструзионно-выдувного
формования (бутылки, небольшие канистры с боковыми
ручками, флаконы).
Полиэтилентерефталат (лавсан, полиэстер, ПЭТФ)
Этот полимер получают полимеризацией терефталевой
кислоты и этиленгликоля в присутствии катализаторов
(ацетаты цинка, марганца, кальция, магния, кобальта,
свинца, триоксида сурьмы, двуоксида титана и др. Моле¬
кулярная масса полимера — 20 000-40 000.
ПЭТФ — твердое вещество белого цвета без запаха,
плотность 1,38-1,40 г/см3, *размяг 245-248°С. Температура
стеклования 70-80°С.
В настоящее время темпы роста производства этого
полимера на мировом рынке из всех базовых полимерных
материалов для тары и упаковки самые высокие и состав¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
173
ляют более 13% в год. Такие темпы роста обусловлены его
широким применением для изготовления пищевой упа¬
ковки, прежде всего бутылок, банок и пленок. Это обус¬
ловлено тем, что данный полимер обладает хорошей про¬
зрачностью и блеском, высокими барьерными свойствами
(для газов), не имеет вкуса и запаха, хорошо удерживает
ароматы парфюмерной продукции. Он очень устойчив к
кислотам и растворителям а также к большинству орга¬
нических соединений. ПЭТФ практически не изнашива¬
ется и не желтеет под воздействием гамма-излучений. Из
него изготавливают бутылки и банки для бутилирован-
ных и минеральных вод, соков, прохладительных напит¬
ков, пива, растительных масел, кетчупов, ликеров, вин и
других алкогольных напитков, парфюмерных продуктов.
Пленки из данного полимера обладают теми же свой¬
ствами, что и компактные материалы. Изготавливают
термоусадочные, поливные неориентированные, двухос¬
но-ориентированные и многослойные пленки для термо¬
формования жестких упаковок. Термоусадочные пленки
используют для вакуумной упаковки продуктов. Много¬
слойные пленки позволяют изготавливать пакеты, кото¬
рые выдерживают кипячение, а также крышки для упа¬
ковок, предназначенных для разогрева в печах. Двухос¬
но-ориентированные пленки применяют для упаковки
кофе, сухих завтраков.
5.2.4.
МАРКИРОВКА ПОЛИМЕРОВ
Одной из основных задач при сборе, заготовке и пере¬
работке полимерных отходов является их правильное раз¬
деление по видам материала, из которых они изготовлены.
Для решения задачи правильного разделения (сепара¬
ции) различных видов полимерных отходов во многих
странах мира введена кодировка пластмасс. В таблице 5.11
представлена система кодирования основных видов про¬
мышленных пластмасс, принятая в США.
Система маркировки полимерных изделий разработана
в Европе. Этот международный знак, указывающий на воз¬
можный рециклинг пластмассы, имеет вид треугольника,
174
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.11
Американская система кодирования
основных видов промышленных пластмасс
Название
пластмасс
Сокращенное
международ¬
ное обозна¬
чение
Химическая
формула
Краткая характери¬
стика пластмассы
Номер
в кодовой
эмблеме
Полиэтилен
термопла¬
стичный
РЕТ
[-СШ-СНН»
Высокая прочность,
упругий с гладкой
поверхностью, бле¬
стящий, не тонет в
воде
1
Полиэтилен
высокой
плотности
HDPE
[-СН2-СН На
с добавками
серы, хлора,
азота
Матовый или полу¬
прозрачный без бле¬
ска, консистенция
воска, теряет форму
после сильного рас¬
творения, не тонет в
воде
2
Поливи¬
нилхлорид
PVC
[-СН2-СН-]„
С1
Химически устойчив,
плотный с очень
гладкой поверхно¬
стью, тонет в воде
3
Полиэтилен
низкой
плотности
LDPE
[-СН2-СН2-]»
Светопроницаемый,
упругий, пластичный
при изгибе, при рас¬
тяжении рвется, не
тонет в воде
4
Полипро¬
пилен
РР
[- СН -СН2-]„
СНз
Твердый, блестящий,
упругий с гладкой
поверхностью, не
растягивается, не
тонет в воде
5
Полистирол
PS
Г сн—сн2—
[6 ]
п
Жесткий, с сильным
блеском, гладкая
трудноповреждаемая
поверхность, тонет в
воде
6
Полисти¬
рол-волокно
ЕРЕ
“ сн—сн2—
[6 ]
п
Матовый с плотной
пленкой, термоустой¬
чив, легкий вес и
ворсистость, гладкая
легкоповреждаемая
поверхность, не тонет
в воде
7
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
175
/\ /V /V /> л
цз оз оз Оз Оз 03 Оз
PETE НОРЕ V PC РР PS Other
Рис. 5.21
Маркировка пластиков в странах ЕС
составленного из трех стрелок. В треугольнике и под ним
имеется ряд символов (цифры, буквы), которые свидетель¬
ствуют о принадлежности пластмассы к тому или иному
виду материала (рис. 5.21).
В частности, число 01 (реже просто цифра 1) в тре¬
угольнике указывает, что изделие выполнено из полиэти-
лентерефталата. Это обычно подтверждается и сочетани¬
ем букв PET, PETE (или ПЭТФ), расположенных под тре¬
угольником.
Число 02 (или 2) обозначает полиэтилен. Надписи РЕ-
HD (полиэтилен высокого давления) или PE-LD (полиэти¬
лен низкого давления) говорят о способах получения дан¬
ного полимера. Возможно слитное написание надписей
(рис. 5.21).
Число 03 (или 3) означает, что материалом является
поливинилхлорид. Знак дополнен буквами PVC или про¬
сто V.
Треугольник с числом 04 (или 4) и буквами PC (или
LDPE) сообщает, что это безопасный поликорбанат — оп¬
тически прозрачный и биологически инертный твердый
материал, который в последнее время все больше исполь¬
зуется для упаковки пищевых продуктов.
Число 05 (или 5) в сочетании с буквами РР (или без
них) означает, что изделие выполнено из полипропилена,
очень близкого по своим свойствам и областям примене¬
ния к полиэтилену. Знак РР можно, например, увидеть
на донышке стаканчика из-под сметаны.
Число 06 (или 6) в треугольнике в сочетании с буквами
PS свидетельствует, что изделие из полистирола. По спо¬
собности к глубокой вытяжке он не имеет конкурентов.
Число 07 (или 7) означает, что материалом изделия с
таким знаком может служить любой термопластичный
176
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.12
Примерная структура полимерных отходов,
выделенных из ТБО
Тип полимерного
материала
Доля в общей массе
полимерных отходов, %масс.
Полиэтилен низкой плотности
40-50
Полиэтилен высокой плоскости
10-15
Полипропилен
3-5
ПВХ
10-15
Полистирол
5-7
ПЭТФ
12-15
Прочие
7-20
полимер. Подобному изделию нельзя контактировать с
пищевыми продуктами и его нежелательно использовать
в быту.
В РФ маркировка полимерных отходов не принята.
Поэтому единственным способом разделения полимер¬
ных отходов является сепарация по виду и форме изде¬
лия, цвету.
Различные оценки дают содержание полимерных от¬
ходов в ТБО от 4-6%, а в отходах коммерческих предпри¬
ятий — до 8 %. Примерная структура полимерных отхо¬
дов, выделенных из ТБО, представлена в таблице 5.12.
5.2.5.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
Вторичное полимерное сырье представляет собой вы¬
шедшие из употребления изделия и промышленные отхо¬
ды из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида,
полистирола и его сополимеров, полиамида, полиэфира и
полиэтилентерефталата, фторопласта и других термопла¬
стичных полимеров, частично утративших свои свойства,
но сохранивших свойства технологические, которые обес¬
печивают возможность их повторного использования в
виде сырья и предназначенные для переработки и исполь¬
зования в промышленности и в быту.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
177
Вторичное полимерное сырье по каждому виду полиме¬
ра классифицируется по следующим основным признакам:
• пленки;
• промышленные отходы (слитки, литники, куски, лен¬
ты, облой, некондиционные изделия);
• тара;
• отходы синтеза полимера (низкомолекулярный поли¬
мер, россыпь гранулята, некондиционный гранулят);
• вышедшие из употребления изделия хозяйственного
назначения;
• вышедшие из употребления изделия технического на¬
значения;
• крупногабаритные изделия.
В соответствии с ФККО (Федеральный классификаци¬
онный каталог отходов) полимерные отходы классифици¬
руются как отходы 5-го класса опасности, к 4-му классу
относятся пыль полимерных материалов, отходы кино- и
фотопленки, стеклопластики (табл. 5.13).
Таблица 5.13
Классификация полимерных отходов по ФККО
Код
Наименование
571 009 03 01 00 5
Отходы клеенки на тканевой основе
571 009 04 01 00 5
Отходы клеенки на бумажной основе
571 010 00 01 00 5
Отходы затвердевшего полиуретана, полиуре¬
тановой пены или пленки
571 011 00 01 00 5
Отходы затвердевших полиамидов
571 012 00 01 00 5
Отходы жесткого пенопласта (исключая
поливинилхлоридный)
571 013 00 13 00 5
Шланги пластмассовые, потерявшие потреби¬
тельские свойства
571 015 00 01 00 4
Отходы фото- и кинопленки, рентгеновской
пленки
571 016 00 01 00 4
Отходы затвердевшего поливинилхлорида и
пенопласта на его базе
571 017 00 01 00 5
Отходы затвердевших полиакрилатов, поли¬
карбонатов, органического стекла
571 018 00 13 00 5
Пластмассовая незагрязненная тара, потеряв¬
шая потребительские свойства
571 019 00 01 00 5
Отходы пластмассовой (синтетической) пленки
незагрязненной
178
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Продолжение табл. 5.13
Код
Наименование
571 020 00 01 00 5
Отходы затвердевшего поливинилацетата
571 021 00 01 00 5
Отходы затвердевшего поливинилового спирта
571 022 00 01 00 5
Отходы затвердевшего поливинилацеталя
571 028 00 01 00 5
Отходы затвердевших полиолефинов (кроме
полиэтилена и полипропилена)
571 029 00 01 00 0
571 029 01 01 99 5
571 029 02 01 99 5
571 029 03 13 99 5
Отходы затвердевшего полиэтилена:
отходы полиэтилена в виде лома, литников
отходы полиэтилена в виде пленки
полиэтиленовая тара поврежденная
571 030 00 01 00 0
571 030 01 01 99 5
Отходы затвердевшего полипропилена:
отходы полипропилена в виде лома,
литников
571 030 02 01 99 5
отходы полипропилена в виде пленки
571 032 00 01 00 0
571 032 01 01 00 4
571 032 02 01 00 5
571 032 03 01 00 5
571 033 00 01 00 5
571 035 00 01 00 5
Отходы затвердевших стеклопластиков:
отходы стеклолакоткани
отходы имидофлекса
отходы стеклослюдопласта
отходы затвердевшего компаунда
отходы затвердевших этролов
(пластмасс на основе эфиров целлюлозы)
571 036 00 01 00 0
571 036 01 01 00 5
Отходы твердых сополимеров стирола:
отходы твердого акрилонитрилбутадиенсти-
рола (пластик АБС)
571 037 00 01 00 5
571 038 00 01 00 5
отходы целлулоида
отходы целлофана
отходы полиэтилентерефталата (в том числе
571 039 00 01 00 5
пленки на его базе)
отходы смеси затвердевших разнородных
571 099 00 01 00 4
578 001 00 01 00 4
пластмасс
отходы полимерных материалов из разма¬
лывающих устройств (легкие фракции)
578 002 00 11 00 4
пыль полимерных материалов с фильтров
размалывающих устройств
5 2 6
ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПЕРЕРАБОТКИ
ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
И ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ НИХ
Основные показатели качества вторичного полимер¬
ного сырья (ТУ 2298-014-01877509-00):
• виды загрязнений (инертные примеси, остатки содер¬
жимого, масла);
• массовая доля загрязнений (от 0 до 5% в зависимости
от вида полимера и типа загрязнений);
• влажность (от 1 до 8% в зависимости от вида полимера).
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
179
При переработке ПЭТФ требования к качеству вторич¬
ного полимерного сырья следующие.
Влажность, %
не более 5
Содержание ПВХ, %
не более 0,25
Загрязнения, клей, %
не более 2
Бумага, %
2
ПЭ и ПП (компоненты бутылок), %
15
Не допускаются включения более 2 мм.
Основные направления переработки полимерных от¬
ходов были указаны в п. 5.2.2 данного учебного пособия.
Существующие операции переработки полимерных
отходов следующие.
1. Механический:
• измельчение с получением дробленки, крошки, сечки
и т. п.;
• измельчение с получением порошка;
• прессование.
2. Термоформование:
• экструзия;
• литье под давлением;
• прессование;
• раздувное формование;
• вальцевание (каландрирование);
• пневмовакуум-формование;
• напыление.
Существующие методы высокотемпературной перера¬
ботки и уничтожения полимерных отходов включают тер¬
мическое разложение:
• сжигание;
• пиролиз;
• крекинг (получение нефтеподобных продуктов).
Существует и ряд других технологических операций,
используемых при переработке полимерных отходов.
Основные виды производства продукции с использо¬
ванием вторичного полимерного сырья методом термофор¬
мования следующие:
• пленка;
180
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
• трубы и шланги;
• тара;
• изделия хозяйственно-бытового назначения;
• изделия технического назначения;
• стройматериалы;
• напольные покрытия (в основном отходы ПВХ);
• огнестойкая пленка (отходы ПВХ).
Наиболее распространенные виды оборудования для
переработки полимерных отходов методом термоформо-
вания:
• прессы червячные;
• агрегаты выдувные;
• линия для производства рукавной пленки;
• линия трубная;
• линия трубная оболочковая;
• линия для производства гофрированных шлангов;
• пресс вулканизационный;
• термопластавтоматы;
• экструдеры.
5.2.7.
ПРИМЕРЫ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ РЕЦИКЛИНГА ОТХОДОВ ПОЛИМЕРОВ
Примером установки для вторичной переработки пласт¬
масс может служить австрийская установка типа RSA-T
(рис. 5.22). С ее помощью подвергают рециклингу про¬
мышленные и бытовые отходы полимеров.
Установка обеспечивает следующее.
1. Повышение производительности до 30% при более
низкой температуре плавления перерабатываемого матери¬
ала. Это стало возможным благодаря принципиально важ¬
ному изменению соотношения объема термоизмельчителя
и размеров экструдера. Увеличенный объем термоизмель¬
чителя позволяет улучшить качество предварительной рез¬
ки, увеличить время пребывания перерабатываемого мате¬
риала в термоизмельчителе и благодаря этому значительно
улучшить температурную однородность материала, пода¬
ваемого в экструдер. В результате этого снижается потреб¬
ление энергии, необходимой для подачи в экструдер и для
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
181
Рис. 5.22
Рабочий цикл установки типа RSA-T:
ТЕ ® ®
1 — лента-транспортер; 2 — термоизмельчитель; 3 — одношнековый экструдер с
жидким охлаждением; 4 — автоматический фильтр расплава; 5 — система горя¬
чей гильотинной грануляции; 6 — сборники для охлаждения и сушки; 7 — возду¬
ходувка.
поддержания постоянной температуры, а также обеспече¬
ния однородности расплава. Поэтому шнеки экструдеров
имеют увеличенную высоту профиля, что в комбинации с
использованием экструдера с охлаждающей жидкостью по¬
зволяет избежать температурных пиков и дает возможность
в целом снизить температуру массы при увеличении про¬
пускной способности и производительности устройства.
2. Значительное снижение термической деструкции
перерабатываемого материала и улучшение MFI (показа¬
теля вязкости регранулята) при повышении производи¬
тельности.
3. Более простой способ загрузки при увеличении пор¬
ций материала — на ленту-транспортер загружаются на¬
сыпные отходы пластмасс, что сокращает количество об¬
служивающего персонала. Увеличенный объем термоиз¬
мельчителя позволяет загружать в машину значительно
большими порциями материал, при этом сохраняется ста¬
бильная температура во всей массе материала и остается
неизменной его плотность в термоизмельчителе. В резуль¬
тате этого работа установки становится более надежной и
стабильной при высокой производительности и без увели¬
чения трудозатрат.
Загрузка установки происходит автоматически (на¬
пример, насыпной материал на ленту-транспортер 1 либо
182
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
пленка непосредственно с рулона). Обслуживающему пер¬
соналу не приходится дозировать подачу материала. В тер¬
моизмельчителе 2 перерабатываемый материал в одном ра¬
бочем цикле одновременно измельчается, перемешивается,
нагревается, сушится и сгущается. Это позволяет перераба¬
тывать материалы с остаточной влажностью до 8% (TVE).
Затем вращающаяся система для резки позволяет исполь¬
зовать центробежную силу для непрерывной загрузки на¬
прямую подсоединенного одношнекового экструдера с жид¬
ким охлаждением 3. Это позволяет экономить до 40% энер¬
гии по сравнению с многоступенчатыми технологиями.
В экструдере материал пластифицируется, гомогени¬
зируется и, если необходимо, дегазируется (ТЕ, TVE). Пос¬
ле того как поток расплава проходит через большой само¬
очищающийся автоматический фильтр расплава 4 и затем
через систему горячей гильотинной грануляции 5 или
штранговой грануляции, он превращается в однородный
дегазованный гранулят цилиндрической или сферической
формы, который затем поступает в сборники для охлаж¬
дения и сушки 6 гранулята. Затем гранулят транспорти¬
руется через воздуходувку 7 или трубопровод к бункеру
или для засыпки в мешки.
Экономическая и экологическая эффективность уста¬
новки заключается в следующем:
• хорошая дегазация обрабатываемого материала;
• загрязненные фильтры не оказывают негативного воз¬
действия на качество дегазации;
• значительно более высокая производительность по
сравнению с обычными экструдерами с дегазацией.
Развитием данного устройства является установка для
вторичной переработки пластмасс высокопроизводитель¬
ной системой дегазации RGA-TVE.
Обычные экструдеры с дегазацией часто не отвечают
возросшим требованиям сегодняшнего дня. Фирма EREMA
разработала новый дизайн экструдера модификации TVE
(рис. 5.23), в котором фильтр расплава расположен перед
дегазационным отверстием экструдера. Это конструктив¬
ное решение позволяет производить дегазацию и одновре¬
менно тонкую фильтрацию.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
183
Рис. 5.23
Схема установки типа TVE:
1 — загрузка термоизмельчителя; 2 — термоизмельчитель; 3 — шнек экструде¬
ра; 4 — фильтр расплава; 5 — зона дегазации экструдера; 6 — шнек; 7 — корот¬
кий высокопрофильный шнек; 8 — соответствующие системы.
Применение данной системы позволяет избежать про¬
блем, возникающих с использованием обычных экстру¬
деров с дегазацией, таких, например, как ограниченная
напорная жесткость или дегазация, недостаточная для
последующего процесса переработки (из-за сильной про-
крашенности и/или загрязненности, а также вследствие
высокой влажности перерабатываемого материала).
Установка работает следующим образом. Загрузка 1
термоизмельчителя происходит автоматически (например,
загрузка на ленту-транспортер), т. е. оператор не должен
производить дозирование подаваемого материала. В термо¬
измельчителе 2 в одном рабочем цикле перерабатываемый
материал одновременно измельчается, перемешивается,
нагревается, сушится и сгущается. Система вращающих¬
ся ножей обеспечивает непрерывную загрузку напрямую
соединенного одношнекового экструдера. Материал посту¬
пает на шнек экструдера 3 и там пластифицируется. В кон¬
це зоны пластификации расплав из экструдера выводится
на фильтр расплава 4. В полностью автоматической само¬
очищающейся системе сменных фильтров расплав очища¬
ется, возвращается в экструдер и выводится в следующую
зону дегазации 5 экструдера. Герметичность 6 шнека меж¬
ду зоной пластификации и зоной дегазации обеспечивается
184
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.14
Основные характеристики установок типа ТУЕ
RGA-системы
Диаметры шнеков
экструдера, мм
Средняя производитель¬
ность, кг/ч (зависит от харак¬
теристик материала)
70 TVE
70
240-330
80 TVE
80
330-450
100 TVE
100
550-700
120 TVE
120
750-900
160 TVE
160
1100-1500
212 ТУЕ
212
1500-2500
посредством обратной подачи уплотнительной резьбы. Это
достигается благодаря тому, что небольшое количество
уже очищенного расплава постоянно проталкивается в
направлении, противоположном направлению подающе¬
го действия экструдера. Таким образом предотвращается
оседание частиц перерабатываемого полимера в зоне гер¬
метичности.
Благодаря изменению положения шнека в осевом на¬
правлении можно изменять параметры пластификации и
дегазации и таким образом выбирать наиболее оптималь¬
ные режимы для данного материала.
После того как расплав минует зону дегазации и прой¬
дет через зону короткого высокопрофильного шнека 7,
который из-за особенностей своей конструкции создает
лишь незначительную дополнительную тепловую нагруз¬
ку для расплава, последний напрямую выводится на соот¬
ветствующие системы 8 (например, на систему грануля¬
ции, выдувную головку для пленки, оголовок трубы, фор¬
мовочное устройство). В таблице 5.14 приведены основные
характеристики установок типа TVE.
Экономическая и экологическая эффективность уста¬
новок типа TVE заключается в следующем:
1) замена измельчительных ножей в термоизмельчи¬
теле производится без регулировки в течение нескольких
минут;
2) низкие удельные энергозатраты (приблизительно от
0,18 до 0,32 кВт/кг);
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
185
3) включения газа в массе расплава, возникающие в
процессе фильтрации вследствие самораспада загрязнений
на сетках фильтра, выводятся через последующую зону
дегазации экструдера;
4) загрязнения, которые в традиционных экструдерах
с дегазацией могут привести к газообразованию после
зоны дегазации, отфильтровываются перед зоной дега¬
зации;
5) только полностью расплавленный материал может
пройти через зону дегазации экструдера (нерасплавлен¬
ные крупные частицы задерживаются на фильтре распла¬
ва до их полного плавления);
6) пики давлений, возникающие вследствие закупор¬
ки сеток фильтра, если концентрация загрязнений стано¬
вится очень высокой, не оказывают негативного воздей¬
ствия на дегазацию (исключена опасность протечки рас¬
плава через дегазационные отверстия);
7) не возникает опасности того, что при замене сеток
включения воздуха попадут в поток расплава, а затем и на
фильеру;
8) повышается износостойкость, так как загрязнения
отфильтровываются уже в середине экструдера;
9) TVE-дизайн экструдера позволяет достигать исклю¬
чительно хорошей гомогенности массы расплава;
10) износостойкое исполнение (корпус цилиндра из
сплава двух металлов, режущая кромка шнека армирова¬
на и азотирована).
Экономические преимущества:
1) оптимальное соотношение цены и производительно¬
сти (капиталовложений на килограмм произведенного ма¬
териала);
2) компактный дизайн;
3) долгое время не требует профилактики, т. е. низкие
сервисные затраты;
4) высококачественный конечный продукт;
5) система выборочного визуального контроля с выво¬
дом параметров на дисплей позволяет записывать произ¬
водственные показатели и производить диагностику в ди¬
станционном режиме (через модем).
186
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
5.2.8.
УТИЛИЗАЦИЯ БЕЛОЙ ЖЕСТИ
Белая жесть — сталь, покрытая оловом, поступает на
утилизацию в разнообразных формах. Из нее изготовля¬
ют банки для овощных, фруктовых, мясных, рыбных и
молочных консервов, кронен-пробки, используемые в бу¬
тылках для пива и других напитков; винтовые крышки
стеклянных бутылок, а также боковые и нижние грани
жестяных банок напитков. К оловосодержащим отходам
относится также промышленный и бытовой лом цветных
металлов, вышедшие из употребления паяные и луженые
изделия, отходы химических производств и др.
Для производства белой жести сталь прокатывается
(вальцуется) в тонкую жесть, затем на нее обычно элект¬
ролитическим (гораздо реже горячим) способом наносят
олово. Отечественные предприятия при электролитичес¬
ком покрытии стальной основы оловом средней толщины
0,2 мм расходуют от 10 до 20 г/м2 этого металла, что соот¬
ветствует толщине покрытия от 0,7 до 1,4 мкм и массе оло¬
ва в 1 т жести Sn от 6,5 до 13 кг. Существуют технологии
получения более тонкой жести толщиной от 0,05 мм со сред¬
ним расходом Sn 2 г/м2. Большинство банок и бутылок пос¬
ле формования белой жести в емкости и перед заполнени¬
ем изнутри лакируются, чтобы избежать коррозии и ис¬
ключить влияние металла на вкусовые качества продукта.
Использованная упаковка из белой жести до поступ¬
ления на рециклинг должна быть отсортирована. В каче¬
стве основной технологической операции используется
магнитная сепарация. Белая жесть как ферромагнитный
продукт сначала намагничивается, а затем удаляется с
помощью магнитов с конвейерной ленты, по которой дви¬
жутся смешанные твердые отходы.
В ЕС отсортированные отходы сбрасываются в сбор¬
ную шахту, затем прессуются в кипы массой до 200 кг и
направляются на металлургические заводы, где добавля¬
ются при производстве стали.
Отсортированные отходы белой жести в РФ поступа¬
ют на дальнейшую переработку, которую обычно прово¬
дят, используя один из трех основных способов:
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
187
• хлорирование;
• применение кислых растворов;
• применение щелочных растворов.
Первый из этих способов основан на реакции
Sn + 2С12 -> SnCl4 И- 533 кДж. (5.2)
Хлорное олово реагирует с металлическим оловом по
реакции
SnCl4 + Sn -> 2SnCl2. (5.3)
Процесс необходимо проводить при полном отсутствии
влаги на обрабатываемом материале, используя только
сухой хлор, так как в противном случае в присутствии
воды хлор реагирует с железом, образуя FeCl3.
Хлорное олово, полученное по реакции (5.2), приме¬
няется в текстильной и других отраслях промышленнос¬
ти. Этот процесс экзотермический и обязательным усло¬
вием его проведения является непрерывный отвод тепла.
Переработку отходов жести ведут в железных реакторах
в течение 10-12 ч при давлении газа 0,0735-0,196 МПа
при температуре 38-40°С. Существует и высокотемпера¬
турная модификация процесса, проводимая при темпера¬
туре до 300°С.
Полученное хлорное олово очищают от избыточного
свободного хлора и примесей железа дистилляцией. В даль¬
нейшем при необходимости оно может быть переработано
на металлическое олово или оловянные соли.
Применение кислых растворов основано на том фак¬
те, что олово находится в них в виде двухвалентных кати¬
онов, поэтому при одной и той же плотности тока их кис¬
лых растворов выделяется в два раза больше олова, чем из
щелочных. В результате снижается расход энергии, что
является существенным преимуществом кислых ванн пе¬
ред щелочными.
Кроме того, в кислых растворах возможно примене¬
ние высокой плотности тока. Электролиз в 10%-ном ра¬
створе серной кислоты — один из основных способов, при¬
меняемых для снятия олова с отходов жести. Возможно ис¬
пользование модифицированного электролита на основе
188
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
H2S04 следующего состава: 200 г/л серной кислоты, 40 г/л
олова, 10 г/л двухромокислого калия, 1-1,5 г/л желати¬
на, 2,5 г/л поваренной соли.
Осадок олова поступает на брикетирование. Подготов¬
ленные брикеты, которые могут долго храниться, не под¬
вергаясь окислению, поступают на переплавку.
К достоинству описанного способа можно отнести
возможность применения большой плотности тока, до
1000 А/м2. Кроме того, по этому способу можно работать
при комнатной температуре и получить легко проплавляе¬
мые осадки олова.
Этот способ, однако, не получил широкого распрост¬
ранения из-за сложности изготовления раствора, необхо¬
димости частой корректировки ванн и большого расхода
серной кислоты.
Кроме предложений снимать олово с отходов жести в
кислых растворах, был предложен ряд способов регене¬
рации олова, основанных на применении щелочных ра¬
створов. Щелочные растворы по сравнению с кислыми
имеют то преимущество, что не растворяют железа, по¬
этому при их использовании можно применять обычную
стальную аппаратуру, которая корродирует в кислых
растворах.
В качестве растворителя олова применяют едкий натр
NaOH (каустическая сода).
Растворение олова в растворе едкого натра протекает с
образованием станнита натрия по реакции
Sn -I- 2NaOH -> Na2Sn02 + Н2. (5.4)
Однако эта реакция протекает медленно из-за высоко¬
го перенапряжения водорода на олове.
Ускорение перехода олова в раствор едкого натра про¬
исходит в присутствии кислорода, так как деполяриза¬
цией кислородом достигается нужный эффект. При этом
образуется станнат натрия:
Sn + 2NaOH + 02 -> Na2Sn03 + Н20. (5.5)
В водных растворах попы SnOH|~ и SnOH§~ подверга¬
ются гидролизу с образованием HSn02 и Sn(OH)§".
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
189
В слабощелочных растворах станниты распадаются по
схеме:
HSn02 ОН" + SnO. (5.6)
При избытке щелочи станниты переходят в станнаты:
2HSn02 + 2Н20 -> Sn(OH)|" + Sn. (5.7)
Олово при этом частично выпадает в осадок. В каче¬
стве окислителей при растворении олова в щелочах при¬
меняют различные соединения.
Согласно одному из предложений для обработки отхо¬
дов жести применяют раствор ацетата свинца: отходы об¬
рабатывают горячим щелочным раствором РЬ(С2Н302)2,
олово переходит в раствор, а эквивалентное количество
свинца — в осадок. Осадок свинца растворяют в уксусной
кислоте и вновь используют. Олово щелочного раствора
осаждают различными реагентами: диоксидом углерода,
известковым молоком и др.
Процесс осуществляют в перфорированном вращаю¬
щемся барабане, помещенном в ванну, наполненную ще¬
лочным раствором.
Вместо РЬ(С2Н302)2 применяют оксид свинца РЬО:
Sn + 2NaOH + 2РЬО -> Na2Sn03 + 2Pb + H20. (5.8)
В качестве окислителей применяют также Мп02 или
NaN03. Осадок, содержащий до 35% Sn, отделяют от ра¬
створа на фильтре и промывают. Из него различными спо¬
собами может быть получено металлическое олово. От¬
фильтрованный раствор после добавки щелочи вновь ис¬
пользуют для снятия олова.
При действии на олово растворов NaOH в присутствии
NaN03 происходят следующие реакции: селитра легко
отдает свой кислород и образуется азотистокислый на¬
трий:
2NaN03 -► 2NaN02 + 02. (5.9)
Кислород участвует в реакции
Sn + 2NaOH + 02 -> Na2Sn03 + Н20.
(5.10)
190
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Азотистокислый натрий, образовавшийся из селитры,
служит деполяризатором:
4NaN02 + 6Н2 -► 2N2 + 4NaOH + 4Н20 (5.11)
или
2NaN02 + 6Н2 -► 2NH3 + 2NaOH + 2Н20. (5.12)
Из этих реакций следует, что при взаимодействии во¬
дорода с азотистокислым натрием возможно выделение
азота или аммиака.
Суммарная реакция с образованием аммиака может
быть представлена следующим уравнением:
4Sn + 6NaOH + 2NaN03 -► 4Na2Sn03 + 2NH3. (5.13)
Из раствора станната натрия олово может быть выде¬
лено различными способами: электролизом с нераствори¬
мыми анодами, осаждением: с помощью С02, КаНС03или
Са(ОН)2, а также действием кислот, например серной.
При обработке растворов станната натрия углекисло¬
той или двууглекислой содой олово осаждается в виде Sn02
по реакциям:
Na2Sn03 -I- С02 ->• Sn02 + Na2C03; (5.14)
Na2Sn03 + 2NaHC03 -> Sn02 -I- 2Na2C03 -I- H20. (5.15)
Осаждение олова известью происходит по реакции
Na2Sn03 + Са(ОН)2 -> CaSn03 -h 2Na2OH. (5.16)
При обработке раствора станната натрия серной кис¬
лотой олово осаждается в виде гидроксида:
Na2Sn03 И- H2S04 + 2Н20
-► Sn(OH)4 + Na2S04 + Н20. (5.17)
Содержание едкого натра в растворах, применяемых
для снятия олова с отходов жести, обычно составляет око¬
ло 10-12%.
Чтобы ускорить растворение олова, иногда через ра¬
створ барботируется воздух как источник кислорода. Од¬
нако барботаж щелочных растворов воздухом приводит к
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
191
ускорению карбонизации растворов за счет С02, содержа¬
щегося в воздухе:
2NaOH + С02 -> Na2C03 + Н20, (5.18)
что требует частой регенерации растворов.
Селитру добавляют примерно из расчета 1 часть на
10 частей NaOH.
При осаждении олова с помощью С02 или NaHC03 об¬
разуется раствор соды, который вновь можно использо¬
вать в процессе после его каустификации, которая идет по
реакции
Na2C03 + Са(ОН)2 -► СаС03 + 2NaOH. (5.19)
При этом регенерируется около 80% NaOH от расчет¬
ного количества.
Обработку растворов для осаждения олова углекислым
газом С02 ведут в различной аппаратуре в зависимости от
масштабов производства.
Оксид олова из пульпы выделяют на вакуум-фильтрах,
фильтр-прессах или центрифугах. Отфильтрованный оса¬
док оксида олова после сушки можно либо использовать в
промышленности (например, керамической), либо подвер¬
гнуть восстановительной плавке для получения металла.
Достоинствами этого способа следует считать неслож¬
ную аппаратуру, простоту обслуживания и возможность
использования различных видов отходов жести; недостат¬
ками — необходимость работать с большими объемами
растворов, а также обязательную предварительную очис¬
тку растворов от выщелачивания для получения чистого
диоксида олова.
В качестве примера рассмотрим схему цепи аппара¬
тов технологического процесса снятия олова на заводе
«Уайтон Стил и Ко» (США), показанную на рисунке 5.24.
Жестяной скрап поступает на установку в виде руло¬
нов кромочной обрези электролитически луженой жести,
а также в виде других отходов (например, бракованных
листов горячего лужения). Подаваемая на установку кро¬
мочная обрезь плотно наматывается на мотовило, образуя
рулоны шириной 1 м и диаметром 0,75 м. Масса каждого
192
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.24
Схема цепи аппаратов для снятия олова
с отходов жести на заводе «Уайтон Стил и Ко»:
1 — рулон кромочной обрези; 2 — пила; 3 — листовой скрап; 4 — бак с раствором
для снятия олова и барабан; 5 — бак для промывки; 6 — пакетировочный пресс;
7 — центрифуга; 8 — бак для растворения станната натрия; 9 — бак для осажде¬
ния гидроокиси олова; 10 — фильтр; 11 — газовая сушильная печь; 12 — элект¬
ропечь для восстановления.
рулона — от 680 до 815 кг. Содержание олова в отходах
колеблется в широких пределах — от 2,5 до 10 кг на 1 т
обрези в зависимости от качества жести.
Рулоны с отходами жести доставляются в цех регене¬
рации олова в вагонах и выгружаются электромагнитным
краном. Для резки рулонов на мелкую обрезь применяют
дисковую пилу толщиной 3 мм, диаметром 1,5 м, которая
приводится в действие от мотора мощностью 265 кВт со
скоростью 1800 об/мин.
Во время распиловки на пилу под высоким давлением
подается вода, предупреждающая оплавление концов об¬
рези.
Мелкую обрезь, полученную в результате распиловки,
в рыхлом виде загружают электромагнитным краном в
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
193
барабаны для снятия олова, длина которых 3,3 м, диаметр
2,4 м; они обшиты толстой железной сеткой.
Каждый барабан вмещает от 2,3 до 3,0 т скрапа. На¬
сыпная масса садки из кромочной обрези меньше, чем
плоских обрезков жести. По возможности барабаны заг¬
ружают смесью обоих сортов скрапа.
Барабан опирается на четыре колеса с ребордами, ус¬
тановленные на днище бака. Он приводится во вращение
от мотора мощностью 2,2 кВт со скоростью 1 об/мин.
После снятия олова барабан поднимают краном и ос¬
тавляют подвешенным над баком в течение 30 с, чтобы
дать стечь раствору. Затем барабан последовательно по¬
гружают в два бака для промывки скрапа и извлечения
приставшего к нему станната натрия. После этого снима¬
ют торцовую крышку, барабан помещают на гидравличес¬
кий подъемник, которым он наклоняется, и скрап разгру¬
жается в приямок.
Из приямка скрап выгружается электромагнитным
краном (диаметр плиты 140 см) в приемный бункер паке¬
тировочного пресса, который превращает его в плотно
спрессованные пакеты массой 250-300 кг. Пакеты выб¬
расываются прессом на ленточный транспортер, подаю¬
щий их в железнодорожные вагоны для доставки к марте¬
новским печам.
Из раствора осаждают гидроксид и пульпу направля¬
ют на фильтрование.
Фильтрация гидроксида улучшается при нагреве пуль¬
пы до 60°С. При этом за 2,5 ч на пластинах фильтра на¬
капливается слой кека толщиной около 25 мм, что соот¬
ветствует около 180 кг сухого гидроксида.
Кек промывают горячей водой для более полного уда¬
ления сульфата натрия и передают в газовую сушильную
печь, которая при 425-540°С выдает в час 545 кг сухого
оксида.
Высушенный оксид смешивают с дробленым антраци¬
том крупностью примерно 3 мм из расчета 16 кг угля на
100 кг оксида. Эту смесь загружают в электропечь: садка
состоит из 270 кг окиси и 40 кг угля. Температура в элек¬
тропечи 1200-1260°С.
194
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Из 270 кг оксида получается примерно 180 кг металли¬
ческого олова. Расход электроэнергии на восстановление
270 кг оксида олова составляет 250 кВт ч, расход угольных
электродов (диаметр 63,5 мм, длина 735 мм, масса 4 кг)
30 шт. в месяц, или 1 кг на 100 кг восстановленного олова.
Металл имеет следующий состав, %: 0,01 РЬ; 0,018 Sb;
0,001 Bi; 0,003 Al; 0,010 As; 0,015-0,027 Си; остальное —
олово.
Расход реагентов на получение 1 кг олова из отходов
электролитической луженой жести составлял, кг: 4,25
каустической соды (100% NaOH), 2,5 серной кислоты, 0,85
нитрата натрия, 0,10 углекислого натрия, 0,01 угольных
электродов.
ЭЛЕКТРОЛИЗ В ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРАХ.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Один из весьма распространенных способов снятия
олова с жестяного скрапа — электролиз в растворе едкого
натра. По этому способу жестяной скрап обрабатывается
в электролизной ванне, где служит растворимым анодом.
Электролитический метод используется также для
осаждения олова на катодах из щелочных растворов с при¬
менением нерастворимых анодов.
Широкому распространению способа электролитичес¬
кого растворения олова с отходов жести способствовали
следующие его достоинства:
1) олово электрохимически хорошо растворяется в ще¬
лочных растворах;
2) железо в щелочных растворах не растворяется, по¬
этому остающийся после снятия олова жестяной скрап не
подвергается коррозии;
3) пассивность железа в щелочных растворах позволя¬
ет применять для изготовления аппаратуры обыкновен¬
ную сталь;
4) щелочные электролиты обладают высокой электро¬
проводностью, поэтому электролиз в щелочных растворах
протекает при невысоком напряжении.
Электропроводность растворов NaOH в зависимости от
концентрации при 18°С приведена ниже;
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
195
Концентрация раство¬
ра NaOH, %
1
2
4
5
6
8
10
Удельная электропро¬
водность, Ом-1-см-1
0,016
0,088
0,163
0,197
0,224
0,273
0,312
Концентрация раство¬
ра NaOH, %
15
20
25
30
35
40
Удельная электропро¬
водность, Ом-1 см-1
0,349
0,328
0,272
0,207
0,151
0,116
5) концентрация ионов водорода в щелочных раство¬
рах невелика, перенапряжение водорода в этих условиях
составляет 0,5 В, поэтому водород выделяется на катоде в
небольших масштабах;
6) этот способ можно реализовать как в крупном, так
и в небольших масштабах.
К основным недостаткам электролиза в растворах кау¬
стической соды (без добавок окислителей) следует отнести
получение на катодах губчатого олова, переплавка которо¬
го требует дополнительных затрат и вызывает потери. Кро¬
ме того, из-за низкого электрохимического эквивалента
олова в щелочных растворах расходуется больше энергии,
чем при работе с кислыми электролитами.
Значение нормальных потенциалов олова, характери¬
зующих переход олова в различную степень ионизации:
Sn —> Sn2+ -0,14 В;
Sn -> Sn4+ +0,05 В; (5.20)
Sn2+ -> Sn4+ +0,2 В,
а также потенциалы электрохимических процессов, про¬
исходящие при электролизе олова в щелочных растворах:
Sn -> Sn2+ -0,906 В
(раствор 0,44 - н. Sn2+, 3 - н. NaOH);
Sn -> Sn4+ -0,875 В
(раствор 0,024 - н. Sn4+, 3 - н. NaOH); (5.21)
Sn2+ -> Sn4+ -0,845 В
(раствор 0,44 - н. Sn2+, 3 - н. NaOH),
196
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
показывают, что потенциалы приведенных реакций из¬
меняются в сторону более положительных значений.
В соответствии со значениями потенциалов при анод¬
ном растворении олово должно было бы переходить в ра¬
створ в виде Sn2+. Но ввиду близости значений потенци¬
алов Sn -> Sn2+ и Sn -» Sn4+ даже небольшое повышение
анодного потенциала, вызываемое образованием анод¬
ного шлама, приводит к сближению потенциалов реак¬
ций на аноде, и фактически проходят оба процесса:
Sn Sn2+ и Sn -> Sn4+ с преимущественным протеканием
второго.
Таким образом, при анодном растворении олово пере¬
ходит в раствор главным образом в виде ионов Sn4+. Одно¬
временно в растворе в небольшом количестве присутству¬
ют ионы Sn2+.
В соответствии со значениями потенциалов на катоде
очевидно должен был бы идти в первую очередь процесс
Sn4+ -I- 2е -> Sn2+, а затем Sn2+ -I- 2е -> Sn, однако скорость
реакции Sn4+ -I- 2е Sn2+ мала и реакция Sn2+ + 2е -> Sn
протекает значительно быстрее. Поэтому ионы Sn2+, со¬
держащиеся в щелочном растворе, при электролизе немед¬
ленно восстанавливаются на катоде в металле и в прика-
тодном слое остаются ионы Sn4+, которые также восста¬
навливаются непосредственно до металла.
Ионы Sn2+ и Sn4+ образуют в щелочных растворах ком¬
плексы:
Sn2+ +ЗОН- <->HSn02 +Н20; (5.22)
Sn4+ + 60Н- <-> SnO§" + 3H20. (5.23)
В водных растворах ионы подвергаются гидролизу с
выпадением Sn02 в осадок.
Равновесие реакции 2Sn2+ <-> Sn+ -I- Sn4+ определяется
константой:
К =
°Sn4+
С2
USn2-
(5.24)
При температуре 25°С и содержании Sn4+, равном
1 г-ион/л, концентрация Sn2+ составляет 10"1 г-ион/л.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
197
Таким образом, равновесие реакции 2Sn2+ о Sn+ -I- Sn4+
в щелочных растворах сильно сдвинуто вправо.
Анодное растворение олова описывается следующими
реакциями:
Sn2+ + ЗОН- = HSn02 + Н20 + 2е; Е'=-0,91В; (5.25)
HSn0i+30H+H20 =
= Sn(OH)|" + 2е; Е° =-0,93В. (5,26)
Так как имеет место реакция:
HSn02 + 2Н20 = Sn + Sn(OH)2", (5.27)
то в растворе преобладающей формой олова является
Sn(OH)^~ и на катоде происходит непосредственный раз¬
ряд Sn(OH)|" с осаждением олова.
Так как для реакции
2Н20 + 2е -> Н2 + 20Н";
Е° = -0,828 В, (5.28)
т. е. потенциал выделения водорода имеет более положи¬
тельное значение, чем потенциал выделения олова из стан-
натных растворов, то на катоде в первую очередь должен
выделяться водород.
В практических условиях выделение водорода на ка¬
тоде ограничено, так как на олове водород имеет высокое
перенапряжение, которое растет с повышением плотнос¬
ти тока и при DK = 100 А/м2 достигает 1 В.
В связи с реакцией 40Н~—► 2Н20 -I- 02 + 4е на аноде вы¬
деляется кислород.
Водород, выделяющийся на катоде, при смешении с
анодным кислородом может образовывать взрывоопасный
гремучий газ, что следует учитывать в технологии произ¬
водства. В результате гидролиза станнитов и станнатов,
находящихся в щелочных растворах, образуются трудно¬
растворимые кислоты: оловянистая H2Sn02 и оловянная
H2Sn03, которые выпадают в осадок, что приводит к сни¬
жению концентрации олова в растворе.
198
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Поэтому для стабилизации растворов и поддержания
в них нужной концентрации олова необходимо иметь из¬
быток свободного едкого натра.
Благодаря высокому перенапряжению водорода на оло¬
ве процесс электролиза, протекает с высоким выходом по
току.
При осаждении олова на железный катод в начале
электролиза происходит обильное выделение водорода,
так как при применяемых плотностях тока перенапря¬
жение водорода на железе значительно меньше, чем на
олове (~ 0,5 В). После покрытия железа оловом выделе¬
ние водорода на катоде почти прекращается.
На рисунке 5.25 приведена схема технологического
процесса снятия олова с жестяного скрапа методом элект¬
ролиза в растворе едкого натра.
На рисунке 5.26 изображена схема технологического
процесса металлургического передела оловосодержащих
материалов.
Выход металлического олова при обработке отходов
жести разные авторы оценивают по-разному.
Известны следующие показатели извлечения и потерь
олова: извлечение в металл составляет около 85%; поте¬
ри — остаток на скрапе 5,6%, при электролизе и регене¬
рации электролита 6,2%, при обработке катодного осад¬
ка и плавке 3,2%.
Извлечение олова составляет 94-95%, однако эти циф¬
ры относятся только к переработке чистых обрезков жес¬
ти с высоким содержанием олова на них.
Результаты работы электролитических установок на не¬
которых консервных заводах дают следующие показатели
извлечения олова: с 1 т обрезков жести — от 16,5 до 18,5 кг;
с 1 т старых банок — от 11 до 13 кг. Колебания в выходе
олова зависят от качества перерабатываемой жести.
Практическое извлечение олова на разных установ¬
ках, применяющих электролитический метод с получе¬
нием губчатых осадков, колеблется в широких пределах
(от 75 до 90%). Олово в процессе извлекается в разные про¬
дукты — катодное (губчатое) олово, переплавляемое в
чушковой металл, изгарь и шлам.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
199
Отходы жести
Сортировка
I
Обрезки жести
I
Банки
♦
Раздирка
♦ Г
Раствор соды, горячая вода
Промывка
Промывные воды
♦
Улавливание жиров
Жиры
»
Укладка в корзины
Раствор NaOH
*
Подогрев раствора
t
Электролиз
Черная жесть
Вода^
Промывка
Г~
Черная
жесть
на склад
1
Шлам из ванн
»
Промывка
»
Фильтрование
Сушка
Губчатое олово
Вода
I
Раствор
Промывка
"Г
Фильтрование
тр|
Шлак
Брикетирование
t
Плавка
г
Т
Рафинирование
f
Шихтовка
Плавка
I
Ф<
Съемы f Г
Чушковое олово
на склад
Отвальный
шлак
Промывные воды
Регенерация
раствора
Раствор
СО,
\
Осаждение
олова
I
Фильтрование
I Sn02
Раствор
Обезжиривание
нг »
| Жиры
Раствор
СаО
1
Регенерация
щелочи
)
СаС03
В отвал
Раствор NaOH
Рис. 5.25
Схема технологического процесса
электролитического снятия олова с жестяного скрапа
в растворе едкого натра с получением губчатого олова
200
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Брикетированное Очистка с катодов
губчатое олово твердых осадков
85-90% Sn 90-95% Sn
Флюс
(смесь 50%
древесного угля
и о0% канифоли)
Промытый
и высушенный
шлам из ванны
20% Sn
■ Плавки в котле при 350-400°С
f
Оловянистая зола
I
Удаление
механических
примесей
1
Металлическое олово
I
Слив в подогретые
изложницы
Древесный
уголь
Восстановительная плавка
при 900-950°С
Отстаивание» слив в изложницы
Богатые шлаки
и съемы
I
Антрацит
Измельчение
I
Восстановительная плавка
при 1000-1100С
I
Шлак 5% Sn
I
Восстановительная
плавка
при 1100-1300С
» *
Черновое олово
I
Рафинирование
1
Рафинированное
олово
Отстаивание»
слив в изложницы
1
Отвальные
шлаки
0,5% Sn
Съемы
Съемы
“Твердое олово”
*
Огневое рафинирование
Рис. 5.26
Схема металлургической переработки оловосодержащих материалов
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
201
5 2 9
РЕЦИКЛИНГ АЛЮМИНИЯ
В настоящее время алюминий — один из востребован¬
ных металлов. Основными областями применения алюми¬
ниевой продукции в мире являются транспортное маши¬
ностроение, строительство и упаковочные материалы, сово¬
купная доля которых в промышленно развитых странах
составляет около 70-80% от общего потребления алюминия.
Алюминий широко применяется для производства
упаковки: банок для прохладительных напитков, кон¬
сервных банок, аэрозольных баллонов, оберточной фоль¬
ги, блистерных упаковок, баков и др.
Упаковка потребляет в мире около 21% общего коли¬
чества алюминия — и эта цифра остается сравнительно
постоянной. В последнее время мировое потребление алю¬
миниевых полуфабрикатов, включая отливки, находится
в среднем на уровне 22 млн т. Следовательно, на упаковку
расходуется около 4,5-4,7 млн т алюминия. Текущее по¬
требление алюминия в РФ превышает 1,0 млн т.
Сегодня важнейшую роль в развитии алюминиевой
промышленности занимает производство вторичного алю¬
миния. Главными преимуществами рециклинга алюми¬
ния по сравнению с производством первичного металла
является экономия рудных и энергетических ресурсов,
Таблица 5.15
Расчетный срок службы алюминиевых изделий в РФ
и коэффициент выхода отходов
Области
применения
Средний срок службы
алюминиевых
изделий, лет
Коэффициент
выхода отходов
Транспорт
10
75
Машиностроение
10
60
Эле ктротехника
15
80
Строительство
30
40
Оборудование
10
60
Тара, упаковка
2
50
Товары бытового
потребления
15
30
202
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
существенное снижение вредного воздействия на окружа¬
ющую среду и утилизация отходов потребления. Харак¬
теристика в различных областях применения, а также ко¬
эффициент выхода отходов представлен в таблице 5.15.
Средний уровень использования промышленных отхо¬
дов алюминия в РФ составляет более 30%. В России дей¬
ствуют около 400 предприятий, перерабатывающих алю¬
миниевый скрап.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА
ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
Рассмотрим этот вопрос, основываясь на работе Г. В. Га-
левского с соавт.
Лом и отходы цветных металлов (в том числе алюми¬
ния) классифицируются по физическим признакам на
классы, по химическому составу — на группы и марки, по
показателям качества — на сорта.
Масса лома и кусковых отходов всех групп согласно
ГОСТ 1639-2009 должна быть не более 100 кг, размеры —
не более 600x600x1500 мм, размеры кусков низкокаче¬
ственного лома и отходов не должны превышать ЮООх
х 1000x2000 мм. Проволока, обрезь труб, листов, лент, вы¬
сечка из листов, фольга, тубы, проводники тока должны
поставляться в пакетах или связках, и их масса не долж¬
на превышать 150 кг. По соглашению между поставщи¬
ком и потребителем допускается сдача лома и отходов алю¬
миния, превышающих указанные выше массу и размеры.
Лом и отходы алюминия и алюминиевых сплавов по
ГОСТ 1639-2009 разделены на три класса: лом и куско¬
вые отходы (класс А), стружку (класс Б) и прочие отхо¬
ды (класс Г). Класс А в свою очередь подразделяется на
10 групп.
Группа I. Алюминий чистый (нелегированный), содер¬
жание А1 — не менее 99%, примесей — не более 1% (в том
числе Si — 0,5; Fe — 0,5; Zn — 0,1; Си — 0,05%); в группу
входят металлы марок А999, А995, А99, А95, А85, А8,
А7, А7Е, А6, А5, А5Е, АО, АД0, АД.
Группа II. Сплавы алюминиевые деформируемые с
низким содержанием магния, не более, %: Mg — 0,8; Си —
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
203
4,8; Fe — 0,7; Si — 0,7; Zn — 0,3; в группу входят сплавы
марок Д1, В65, Д18, Д1П, АД31.
Группа III. Сплавы алюминиевые деформируемые с
высоким содержанием магния, не более, %: Mg— 1,8;
Си — 4,9; Fe — 0,7; Si — 0,7; Zn — 0,3; в группу входят
сплавы марок Д12, Д16, АМг1, Д16П.
Группа IV. Сплавы алюминиевые литейные с низким
содержанием меди, не более, %: Си — 1,5; Si — 13,0; Fe —
1,5; Mg — 0,6; Zn — 0,5; в группу входят сплавы марок
АЛ5, АЛ32, АЛ 2, АЛ 4, АЛ4-1, АЛ9, АЛ9-1, АЛ34 (ВАЛ5),
АК9 (АЛ4В), АК7 (АЛ9В), АЛ5-1.
Группа V. Сплавы алюминиевые литейные с высоким
содержанием меди, не более, %: Si — 8,0; Fe — 1,6; Mg —
0,84; Zn — 0,6; в группу входят сплавы марок АЛЗ, АЛ6,
АК5М2 (АЛЗВ), АК7М2 (АЛ14В), АЛ7, АЛ19, АК5М7
(АЛ 10В), АЛЗЗ (ВАЛ1).
Группа VI. Сплавы алюминиевые деформируемые с
высоким содержанием магния, не более, %: Mg — 6,8; Si —
0,8; Fe — 0,5; Си — 0,2; Zn — 0,2; в группу входят сплавы
марок АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгбп, АМгб.
Группа VII. Сплавы алюминиевые литейные с высо¬
ким содержанием магния, не более, %: Mg — 13,0; Fe —
1,5; Si — 1,3; Си — 0,3; Zn — 0,2; в группу входят сплавы
марок АЛ8, АЛ27, АЛ27-1, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1,
АЛ28.
Группа VIII. Сплавы алюминиевые деформируемые с
высоким содержанием цинка, не более, %: Zn — 7,0; Mg —
2,8; Си — 2,0; Fe — 0,7; Si — 0,7; в группу входят сплавы
марок В95,1915,1925.
Группа IX. Сплавы алюминиевые литейные с высоким
содержанием цинка, не более, %: Zn— 12,0; Si— 8,0;
Си — 5,0; Fe — 1,3; Mg — 0,3; в группу входят сплавы ма¬
рок АЛ11, АК4М4, АК4М2Ц6.
Группа X. Низкокачественные лом и кусковые отхо¬
ды алюминия и алюминиевых сплавов, не отвечающие
требованиям всех перечисленных групп.
Группа I включает три сорта. Содержание металла в 1,
2 и 3-м сортах должно быть не менее 97, 90 и 85% соот¬
ветственно. Группы II-V подразделены на четыре сорта,
204
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
причем 2-й и 3-й сорта отражают требования как к куско¬
вым материалам (2-го и 3-го сортов), так и к лому (2-го и
3-го сортов). Содержание металла в 1-м сорте не менее
96%, во 2-м — не менее 93 (для отходов) и 90 (для лома),
в 3-м — не менее 85, в 4-м — не менее 75%. Группы VI-IX
имеют по три сорта, к металлу 2-го сорта отдельные тре¬
бования к кусковым отходам и лому, содержание метал¬
ла в 1-м сорте не менее 96%, во 2-м — не менее 90 и 85%,
а в 3-м сорте — не менее 75% . Группа X включает два
сорта, содержание металла в 1-м сорте не менее 70%, во
2-м — не менее 50%.
Классификация стружки алюминия и алюминиевых
сплавов (класс Б) по группам аналогична классификации
лома и кусковых отходов. В группы I-IX входит струж¬
ка сыпучая трех сортов и вьюнообразная пакетирован¬
ная (4-й сорт), металлургический выход должен быть не
менее (%): для 1-го сорта — 90, для 2-го — 75, для 3-го —
70, для 4-го — 85. В группу X входит низкокачественная
стружка двух сортов, металлургический выход 1-го сорта
не менее 50%, 2-го — не менее 40%.
Прочие отходы алюминия и алюминиевых сплавов
(класс Г) подразделяют только по сортам в зависимости от
металлургического выхода, последний равен 80% для 1-го
сорта и 40 и 30% соответственно для 2-го и 3-го сортов.
К прочим отходам относят также алюминиевые тубы,
фольгу, мелкую стружку и алюминиево-наждачную пыль.
Кроме этого, сложный лом подразделяют на пять
групп, в том числе представляющие для нас интерес:
группа II — освинцованный кабель и провода с алюми¬
ниевой жилой и группа III — кабель с алюминиевой обо¬
лочкой и медной жилой. Лом бытовой подразделяют на
восемь групп, в том числе: группа I — алюминий и спла¬
вы на алюминиевой основе и группа VIII — лом алюмини¬
евый консервной тары.
Качество лома и отходов алюминия определяет возмож¬
ность их применения взамен первичного сырья для получе¬
ния готовой продукции. Наиболее эффективно использовать
лом и отходы алюминия на выпуск тех марок сплавов, при
обработке которых они образовались, так как в данном слу¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
205
чае сырье уже легировано необходимыми компонентами,
что минимизирует или полностью исключает применение
легирующих присадок. Приготовленные в результате это¬
го вторичные сплавы после рафинирования по качеству
практически не уступают первичным. Повышение каче¬
ства вторичного сырья снижает затраты на его переработ¬
ку и улучшает качество приготовленных из него сплавов.
Как показывает практика, доля низкокачественного
сырья в общей заготовке лома и отходов алюминия состав¬
ляет около 60%, а первых сортов — не более 10%. При
первичной переработке лома и отходов алюминия на спе¬
циализированных предприятиях его качество повышает¬
ся — удельный вес низкокачественных лома и отходов,
поставляемых на металлургические предприятия, снижа¬
ется в 1,5 раза, первых сортов — возрастает в 2 раза.
Существуют формулы, позволяющие рассчитать коли¬
чество образующихся лома и отходов Q:
<Э = (П С .*) + [М Сх Ки (1-*п)] + Пл, (5.29)
где П — плановая потребность предприятия в алюминии
и содержащих его материалах, т; С — содержание алюми¬
ния в потребляемых материалах, доли ед.; К — выход от¬
ходов, доли ед.; М — плановая потребность в алюминии и
содержащих его материалах на капитальный и текущий
ремонт оборудования, т; Сг — содержание алюминия в
материалах для ремонтных нужд, доли ед.; Кп — коэффи¬
циент использования алюминийсодержащих материалов
при выполнении ремонтных работ, доли ед.; Ки — потери
алюминия в процессе эксплуатации основных средств,
доли ед.; Пл — количество алюминия в ликвидируемых
основных и оборотных средствах, т.
Количество амортизационного лома Qa алюминия мож¬
но определить по формуле
Qa = 0,75[Q'-(<7 + <7')], (5.30)
где Q9 — количество потребляемого алюминия; q — коли¬
чество отходов; qy — пополнение фонда алюминия; 0,75 —
коэффициент возврата алюминия в виде амортизацион¬
ного лома, выбывающего из фонда алюминия.
206
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Структуру сырьевых ресурсов вторичных цветных ме¬
таллов определяет соотношение лома и отходов, которое
существенно различается по отдельным цветным метал¬
лам в связи с особенностями их использования в народ¬
ном хозяйстве. В среднем доля отходов по всем вторич¬
ным цветным металлам составляет 57%, а доля амортиза¬
ционного лома — 43%. Для алюминия это соотношение
составляет 75 и 25% соответственно.
Нормативы выхода отходов не являются стабильны¬
ми, и по мере развития техники, совершенствования тех¬
нологии и организации производства они должны пере¬
сматриваться.
Общая технологическая схема рециклинга (по К. Шмит¬
цу) представлена на рисунке 5.27.
Из нее следует, что перед плавкой алюминиевый скрап
и лом проходят ряд подготовительных операций, к кото-
|Сбор скрапа| |Сбор скрапа| |Сбор скрапа| [Сбор скрапа| |Сбор скрапа|
т
Рис. 5.27
Схема технологического процесса рециклинга алюминия
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
207
рым, в частности, относится ручная сортировка, измель¬
чение, сепарация алюминия, удаление покрытий. По спе¬
циальным технологиям перерабатывают многослойные
материалы, содержащие алюминий. После этого отходы
подвергают металлургической обработке, включающей пе¬
реработку, рафинирование и литье алюминиевых сплавов.
В процессе сортировки выделяются все виды лома и
отходов, которые являются готовым сырьем для метал¬
лургической переработки, а остальные направляются на
разделку. Значительная часть алюминиевого лома после
разделки подвергается пакетированию с целью его уплот¬
нения и уменьшения потерь при хранении и переработке.
При сортировке алюминиевой упаковки ее необходи¬
мо отделить от неметаллических примесей, а также уда¬
лить отходы других цветных металлов, в первую очередь
сплавы на основе меди (бронза, латунь). Содержание цвет¬
ных металлов в ТБО — около 0,7%. Для осуществления этих
технологических операций используется электродинами¬
ческая сепарация — комбинированный процесс магнитно¬
го обогащения, основанный на использовании различий в
магнитной восприимчивости материалов (извлечение фер¬
ромагнитных компонентов) или в их электрической прово¬
димости (извлечение диа- и парамагнитых компонентов).
Обычно крупность извлекаемых компонентов — 40-50 мм.
Чаще всего сортировка алюминиевых упаковок осуще¬
ствляется с помощью электродинамических (вихревых)
сепараторов, которые за рубежом носят название неже¬
лезных или NE-сепараторов.
Такое устройство состоит из транспортной (конвейер¬
ной) ленты, вокруг которой по управляющим кольцам
вращаются магниты, создающие в алюминиевых частях
упаковки вихревой электрический ток. Этот ток созда¬
ет магнитное поле с направлением, противоположным
направлению магнитного поля NE-сепаратора. Вслед¬
ствие этого в конце сортировочной ленты алюминиевые
части отходов выталкиваются и перекидываются через
разделительную стенку. Для повышения качества сор¬
тировки вихревые сепараторы устанавливают не толь¬
ко на основном сортировочном потоке, но и в потоке,
208
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
используемом для сортировки остатков, что позволяет
отделить малоразмерные составные части алюминиевой
упаковки, которые прошли через барабанное сито (бара¬
банный грохот).
В вихревых сепараторах новых типов, используя про¬
тивоположно вращающиеся магниты, алюминий направ¬
ляется не только через разделительную стенку, но и в на¬
правлении, обратном основному потоку.
Рассмотренные сепараторы наряду с чистым алюми¬
нием захватывают также алюминийсодержащие много¬
слойные материалы.
Отходы, состоящие из чистого незагрязненного алю¬
миния, могут плавиться непосредственно, в то время как
многослойные алюминийсодержащие материалы на пред¬
варительной стадии их переработки должны быть обяза¬
тельно очищены от лаков, полимерных материалов или
бумаги. Обычно это достигается применением метода пи¬
ролиза при температуре ~500°С. Твердый остаток пироли¬
за — пиролизный кокс — отделяют от алюминия с помо¬
щью сит. Образующийся в этом процессе газ и кокс могут
использоваться в качестве энергоносителей на последую¬
щих стадиях рециклинга.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ
ЛОМА И ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ
Рассмотрим этот вопрос, основываясь на работе Г. В. Га-
левского с соавт. На технологической схеме первичной
обработки алюминиевого лома и отходов (рис. 5.28) пред¬
ставлена практически вся номенклатура вторичного алю¬
миниевого сырья, поступающего на заводы.
Значительная часть вторичного алюминиевого сырья
представляет собой стружку, технологическая схема пер¬
вичной обработки которой представлена на рисунке 5.29.
Согласно этой схеме сыпучая и витая стружки складиру¬
ются раздельно. Грохочение витой стружки осуществля¬
ется с целью отделения сыпучей стружки класса 100 мм.
Грохочение сыпучей стружки заключается в отделении
кусков крупностью более 100 мм, которые поступают на
видовую сортировку.
| Пакетирование"] | Пакетирование"]
| Пакеты алюминия |
Рис. 5.28
Упрощенная технологическая схема первичной обработки лома и отходов алюминия и алюминиевых сплавов
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 209
210
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Стружка
Сыпучая
1
1
Витая
1
» 1
I. Грохочение
1
Кусок
1
1
Стружка
1
1
Стружка витая
1
♦
Сортировка по видам
♦
II. Дробление
т
VII. Сортировка
Стружка Кусок
I
III. Удаление влаги и масла
I
Сухая обезжиренная стружка
I I
IV. Грохочение VIII. Пакетирование
| 1
Стружка мелкая Отсев
V. Магнитная сепарация
I 1
Магнитная фракция Немагнитная фракция
IX. Обработка по другим VI Брикетирование
схемам
Готовая продукция (стружка) по ГОСТу
1 1
Сыпучая Витая
| t
Брикеты, россыпью Пакеты
Рис. 5.29
Технологическая схема первичной обработки
стружки алюминия и алюминиевых сплавов
Прошедшая грохочение витая стружка подвергается
дроблению, а не дробимые предметы выбрасываются и по¬
ступают на сортировку. Если нет возможности произвести
дробление витой стружки, ее подвергают сортировке, ко¬
торая заключается в отделении лома, кусковых отходов,
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
211
посторонних предметов и пр. После сортировки стружку
брикетируют и направляют на переплавку.
Прошедшая грохочение и дробление сыпучая струж¬
ка поступает на сушку для удаления влаги и масел. Сухая
обезжиренная стружка направляется на грохочение с це¬
лью отсева землистой фракции -3...+0 мм, которая затем
отправляется заводам черной металлургии по специаль¬
ным техническим условиям. Очищенная от мелкой фрак¬
ции стружка поступает на магнитную сепарацию, в про¬
цессе которой из нее выделяется магнитная фракция, пе¬
рерабатываемая по специальным схемам. Немагнитная же
фракция идет на переплавку или брикетирование.
На рисунке 5.30 приведены технологические схемы
переработки шлака— рисунок 5.30а, скрапа— 5.306 и
стружки — 5.30в, используемые на заводах компании «Ре¬
металл» и «Рефиналса» (Испания). Эти наглядные схемы
не требуют пояснений, но заметим, что линию переработки
а
Рис. 5.30
Технологические схемы подготовки к плавке
шлаков фольги (а), скрапа (б), стружки (в)
212
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
шлаков на заводе «Рефиналса» применяют и для обработ¬
ки отходов фольги.
Схемы металлургической переработки. Переработка
лома и отходов алюминия производится в печах различ¬
ных конструкций (табл. 5.16).
Таблица 5.16
Применение печей в алюминиевой промышленности
№
Вид печи
Плавиль¬
ный завод
Рафини¬
рованный
завод
Литей¬
ный завод
Электро¬
лизный
завод
1.00
Отражательная
печь стационар¬
ная
4
3
3
0
1.11
Печь с верти¬
кальной загруз¬
кой
2
1
0
0
1.12
Круглая печь
1
0
0
0
1.13
Печь с открытым
боковым метал-
лоприемником
0
0
2
0
1.14
Двухкамерная
печь
3
1
1
0
1.15
Печь с сухим
подом
0
3
0
0
1.16
Печь для скоро¬
стного плавления
0
0
3
0
1.17
Шахтная печь
0
0
3
0
1.21
Отражательная
печь наклоняе¬
мая
4
3
3
4
1.22
Бочкообразная
печь
2
3
0
0
1.33
Овальная печь
2
3
0
0
2.00
Тигельная печь
0
0
3
0
2.21
Тигельная ин¬
дукционная печь
2
1
3
1
2.21
Индукционная
канальная печь
2
0
1
2
3.00
Роторная бара¬
банная печь
0
4
0
0
Примечание. О — не используется, 1 — используется в особых случаях,
2 — часто используется, 3 — стандартная технология, 4 — основная
технология.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
213
Обычно температура процесса лежит в пределах 700-
830°С. Наиболее чистый алюминий и его сплавы получа¬
ются в среде защитных газов (аргон, азот и гелий).
Отечественная классификация печей для переработки
лома и отходов алюминия представлена ниже.
Все существующие плавильные печи, используемые
для переработки лома и отходов алюминия, по методу на¬
грева можно подразделить на две основные группы:
• топливные;
• электрические.
К первой группе относятся печи, обогреваемые газом
или мазутом, ко второй — обогреваемые электроэнергией.
Плавильный агрегат выбирают на основе экономичес¬
ких расчетов с учетом конкретных условий производства.
Практически лом и отходы алюминия и его сплавов мож¬
но плавить в любой печи, так как температура их плавле¬
ния невысока. Однако вследствие специфики плавки вто¬
ричного сырья целесообразнее использовать тот тип печи,
который позволяет переплавлять сырье с наименьшими
потерями, высокой степенью извлечения и наименьшими
материальными и энергетическими затратами.
Практический опыт по переработке вторичного алю¬
миниевого сырья, накопленный в мировой практике, по¬
зволил определить основные тенденции в развитии и со¬
вершенствовании тепловых агрегатов и их условную клас¬
сификацию.
Топливные печи в зависимости от вида рабочего про¬
странства разделяются на тигельные и ванные. Последние
в свою очередь могут быть стационарными, поворотными
и вращающимися.
Электрические печи по способу превращения электри¬
ческой энергии в тепловую делятся на печи сопротивле¬
ния и индукционные.
Печи сопротивления по форме рабочего пространства
подразделяются на тигельные и камерные, а индукцион¬
ные печи в зависимости от наличия сердечника делятся
на тигельные и канальные.
Температура плавления чистого алюминия равна
660,37°С, а его сплавов — значительно ниже и для эв¬
214
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
тектического силумина составляет только 562°С. При
сравнительно низкой температуре плавления алюминий
обладает высокими значениями скрытой теплоты плавле¬
ния (391,2 кДж/кг, или 93,3 ккал/кг) и теплоемкости как
в твердом (1,033 кДж/(кг°С), или 0,247 ккал/кг °С), так
и в жидком (1,63 кДж/(кг °С), или 0,390 ккал/(кг °С) — при
температуре плавления) состоянии. Поэтому для плавки
алюминия требуется боль¬
шое количество тепла. На¬
пример, для нагрева алюми¬
ния до 700°С необходимо
вдвое больше тепла, чем для
нагрева такого же количе¬
ства меди до температуры
1100°С, или немного более,
чем для нагрева такого же
количества стали до 1600°С.
Количество тепла, рас¬
ходуемого на нагрев, плавле¬
ние и перегрев расплавлен¬
ного металла до заданной
температуры, можно опре¬
делить с помощью диаграм¬
мы (рис. 5.31) как разность
энтальпий в заданном диа¬
пазоне температур.
Процесс теплообмена в
печи заключается в передаче
тепла от источника энергии
к металлу для его нагрева и плавления путем радиации, кон¬
векции и теплопроводности. Как правило, эти три вида дей¬
ствуют совместно, но роль каждой составляющей существен¬
но меняется в зависимости от конструкции печи (рис. 5.32).
В отражательной пламенной печи (широко используе¬
мой для переплавки лома и отходов алюминия) шихта на¬
гревается при лучеиспускании от раскаленных стен и сво¬
да печи, а также при непосредственном соприкосновении
металла с печными газами (см. рис. 5.32а). Поэтому ме¬
талл, загруженный на сухую подину, нагревается только
Нт-Н0, кДж/кг
Рис. 5.31
Зависимость изменения
энтальпии алюминия
от температуры
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
215
а б в г
Рис. 5.32
Плавка шихты в печах различного типа:
а — на сухой подине в отражательной печи; б — в отражательной печи с ванной
жидкого металла; в — в тигельной; г — в индукционной канальной печи.
снаружи и, несмотря на высокую теплопроводность алюми¬
ния, шихта в печи прогревается крайне неравномерно. Пос¬
ле образования на подине слоя жидкого металла (рис. 5.32б)
процесс плавления ускоряется и снизу за счет передачи
тепла. Опыт работы отражательных печей, оборудованных
устройствами для перемешивания расплава, показывает,
что производительность плавки возрастает на 10-30%.
Следует отметить, что высокая отражательная способность
алюминия (он поглощает всего 10% лучистой энергии,
тогда как медь — 30, а железо — 42%) делает малоэффек¬
тивным радиационный нагрев при плавке сплавов в отра¬
жательных печах.
Жидкий металл нагревается через открытую поверх¬
ность, причем тепло от верхних слоев металла к нижним
передается только благодаря теплопроводности металла,
поскольку слои металла, имеющие меньшую плотность, не
могут опуститься вниз, так что конвекционных потоков ме¬
талла в ванне не образуется. Наличие на поверхности метал¬
ла оксидной пленки или слоя флюса резко замедляет про¬
цесс плавки, вследствие чего происходят дополнительные
потери металла за счет его окисления. Поэтому при плавке
мелких отходов (стружка, мелкий шлак) практикуют их заг¬
рузку в ванну с предварительно наплавленным металлом.
При плавке металла в тигельной печи условия нагрева
металла значительно лучше, чем в отражательной, так как
он нагревается через дно и стенки тигля. Скорость подве¬
дения тепла к металлу Н зависит от его поверхности S,
отнесенной к его объему V:
Н = S0*5 / V0’33.
(5.31)
216
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Для тигельных печей оно составляет 2-3, а для пла¬
менных — 1,5-3,0. Благоприятные условия нагрева созда¬
ются при конвекционном движении металла, нагреваю¬
щегося снизу и с боков.
Процесс плавления алюминиевых сплавов существен¬
но ускоряется при погружении шихты в расплав, когда
одновременно с прогревом шихты идет ее растворение в
металле.
Особенно хорошо плавится металл в индукционных
электрических печах — за счет тепла, создаваемого в са¬
мом металле, и за счет тепла жидкого перегретого метал¬
ла. При этом жидкий металл хорошо перемешивается не
только благодаря конвекции, но и вследствие взаимодей¬
ствия магнитного поля с наведенным в металле током.
Если плавка ведется с применением флюсов, то на их
нагрев и расплавление также расходуется большое коли¬
чество тепла. Например, для нагрева и расплавления флю¬
са, состоящего из равных частей хлористого калия и хло¬
ристого натрия, требуется столько же тепла, сколько нуж¬
но для расплавления флюса, состоящего из равных частей
хлористого калия и хлористого натрия требуется столько
же тепла, сколько нужно для расплавления равного им по
массе количества алюминия.
Типичные технологические схемы рециклинга алюми¬
ния представлены ниже. На рисунке 5.33 представлены
технологические схемы переплавки различных видов лома
и отходов, используемые на заводах фирмы «Реметалл».
Переработку кусковых отходов (5.33а) проводят в отра¬
жательной печи, из которой расплавленный металл по¬
ступает в миксер, а затем разливается в установки по¬
лунепрерывного литья, предварительно пройдя через
фильтр. Переработку мелких фракций лома и отходов
(5.336) проводят в роторной и отражательной печах, при¬
чем из последней металл, пройдя через фильтровальную
установку, попадает на разливку.
На рисунке 5.34 представлена технологическая схема
разливки сплава в чушки, применяемая на заводах ком¬
пании «Реметалл». Металл, пройдя через фильтр, посту¬
пает на колесный дозатор (он широко используется на
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
217
гШ
^^_От£ажательная печь Миксер
Миксер
^ Фильтр
777777777777Z
Система
загрузки
м Ш
Машина /не*=§
вертикального-4 йёй
литья >
Отражательная
печь
Рис. 5.33
Технологическая схема переплавки
кусковых (а) и мелких (б) отходов лома и алюминия
Линия литья чушек
Литейная машина и чушкоукладки Пакетирование
Кантователь чушек
/> Г TS Г **7лГ7лГ7Ъ-7яТв7
Литейный конвейер
Узел подготовки'
к пакетированию
Дегазация и
фильтрация
Рис. 5.34
Технологическая схема разливки сплава в чушки,
пакетирования, взвешивания и увязки пакетов фирмы «Реметалл»
многих заводах мира), с помощью которого отмеряется
определенная доза металла и заливается в изложницу ли¬
тейного конвейера. Последняя треть конвейера охлажда¬
ется водяным туманом, а образующиеся пары отсасыва¬
ются и выбрасываются в атмосферу. Чушки, выпавшие из
изложниц литейного конвейера, попадают на горизонталь¬
ный транспортер, проходят установку дополнительного
218
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
охлаждения чушек и поступают на чушкоукладчик, а за¬
тем на устройство для взвешивания, пакетирования и
увязки пакетов.
Выбор технологической схемы в значительной мере
зависит от тех видов сырья, которые перерабатываются
на данном заводе.
На отечественных предприятиях выпускаются сплавы
разных вторичных цветных металлов (алюминий, медь,
цинк и т. д.). С целью сокращения капитальных и эксп-
Рис. 5.35
Упрощенная технологическая схема производства
вторичного алюминия
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
219
луатационных затрат ряд переделов на указанных заво¬
дах используется для переработки всех видов сырья (сор¬
тировка, взвешивание, пиротехнический и радиационный
контроль и т. д.). Но, несмотря на это, технологические
схемы на таких заводах достаточно сложны, поскольку
используемое оборудование зависит от вида металла. От¬
сюда понятно, что в каждом конкретном случае техноло¬
гическая схема завода создается с учетом конкретных ус¬
ловий и, как правило, эти схемы постоянно меняются под
влиянием рынка.
В качестве примера на рисунке 5.35 приведена упро¬
щенная схема завода, рекомендуемая американской фирмой
CM II, Inc. Данная схема предусматривает переработку ли¬
тейного шлака, стружки и крупного скрапа и рассчитана
на производство до 60 тыс. т вторичного алюминия в год.
5.2.10.
РЕЦИКЛИНГ СВИНЦА
Ранее в СССР выпуск основного количества свинца ба¬
зировался на переработке рудного сырья (получение пер¬
вичного свинца) и примерно лишь до 20% металла получа¬
ли из вторичного сырья и промышленных отходов некото¬
рых предприятий цветной металлургии и аккумуляторных
производств (А. Д. Бессер). После технологических изме¬
нений 1991 г. на долю РФ приходилось около 10% от об¬
щего объема выплавляемого в СССР свинца. Основные за¬
воды-производители этого металла находились на терри¬
тории Казахстана и Украины. В настоящее время общая
потребность РФ в свинце оценивается в 140-160 тыс. т
в год (А. Г. Морачевский). Сейчас наращивание производ¬
ства свинца в России происходит за счет переработки вто¬
ричного сырья, состоящего из аккумуляторного лома и
прочих металлосодержащих отходов.
УТИЛИЗАЦИЯ АККУМУЛЯТОРНОГО ЛОМА
Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) широко
используются в качестве автономных химических источ¬
ников тока уже около 150 лет. За это время многократно
улучшились их характеристики, повысился срок службы,
220
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
существенно расширилась область их применения. В насто¬
ящее время СКА занимают первое место среди всех других
видов химических источников тока, и альтернативы в транс¬
портных средствах и других областях их применения нет*.
Свинцовый аккумулятор представляет собой вторич¬
ный (перезаряжаемый) химический источник тока; по-
луреакции, протекающие на его электродах, легко обра¬
тимы. Он состоит из свинцового анода и катода в виде
свинцовой решетки, набитой оксидом свинца (IV). Элек¬
тролитом служит серная кислота. На электродах свин¬
цового аккумулятора протекают следующие полуреакции.
На аноде:
РЬ(тв.) + S04~ (водн.) <-» PbS04(TB.) + 2е~. (5.32)
На катоде:
РЬ02(тв.) + 4Н+ (водн.) + SO|~(водн.) + 2е" о ggj
<-► 2PbS04(TB.) + 2Н20(ж.).
Суммарная реакция описывается уравнением
РЬ(тв.) + РЬ02(тв.) + 4Н+(водн.) + возводи.)
разрядка ^
^ зарядка (5.34)
2PbS04 (тв.) + 2Н20(ж.).
Ток, получаемый от свинцового акуммулятора, может
быть усилен, если сконструировать катод в виде ряда пла¬
стин, которые чередуются с несколькими анодными плас¬
тинами (рис. 5.36). Каждый такой аккумулятор дает на¬
пряжение, приблизительно равное 2 В. Батареи, исполь¬
зуемые в автомобилях, обычно состоят из шести таких
аккумуляторов, соединенных последовательно и дающих
напряжение около 12 В.
Для перезарядки батареи необходимо пропускать че¬
рез нее ток от внешнего источника. Это заставляет элек-
* Несмотря на наметившуюся в последнее время тенденцию к замене
свинцовых аккумуляторных батарей менее экологически опасными
литий-ионными, литий-полимерными и никель-металлогидридными,
рост общего количества автотранспорта приводит к ежегодному увели¬
чению массы отходов свинцово-кислотных аккумуляторов во всем мире.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
221
Анодная
пластина из РЬ
Катодная
пластина из РЬ,
покрытая РЬ02
H2S04 (водн.)
Рис. 5.36
Свинцовые аккумуляторы:
а — свинцовый аккумулятор — блок аккумуляторной батареи; б — схема авто¬
мобильной батареи.
тродные реакции протекать в обратном направлении.
Когда свинцовая аккумуляторная батарея полностью
заряжена, серная кислота в ней имеет относительную
плотность, приблизительно равную 1,275. В процессе раз¬
рядки на обоих электродах происходит образование суль¬
фата свинца (И), что снижает концентрацию серной кис¬
лоты и, следовательно, ее плотность. Поэтому относитель¬
ная плотность серной кислоты в свинцовом аккумуляторе
указывает, насколько она разряжена. При перезарядке от¬
носительная плотность серной кислоты восстанавливает
свое исходное значение.
Отработанные СКА (срок эксплуатации основных ти¬
пов СКА — до 3 лет) экологически опасны. Причина этого
заключается в токсичности содержащегося в аккумуля¬
торах свинца (до 60% массы СКА) и химической агрес¬
сивности кислотного электролита — раствора серной кис¬
лоты. В РФ ежегодно выходят из строя миллионы единиц
свинцовых аккумуляторов и проблема их утилизации (ре¬
цикл инга) требует особого внимания.
222
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
В Западной Европе, США и Японии разработаны и эф¬
фективно действуют системы сбора и транспортировки
отработанных свинцовых аккумуляторов на перерабаты¬
вающие предприятия. Поэтому во многих странах приня¬
ты специальные законодательные акты и правительствен¬
ные постановления по рециклингу отработанных СКА.
Комплекс мер, финансируемых главным образом государ¬
ством, не только способствовал решению указанной эко¬
логической проблемы, но и позволил увеличить долю вто¬
ричного свинца в общем балансе его производства на бо¬
лее чем 60%.
Сбор и переработка отработанных свинцовых аккуму¬
ляторов в экономически развитых странах рассматрива¬
ется как важная экологическая проблема и пользуется
государственной законодательной и финансовой поддер¬
жкой. Поэтому в этих странах на переработку идет более
90% аккумуляторного лома, в частности: в Германии —
95%; в Швеции — свыше 98%; в Японии — свыше 90%;
в США — не менее 97%.
Ввиду токсичности свинца эта деятельность находит¬
ся под жестким экологическим контролем. Как правило,
имеется законодательная база, определяющая ответствен¬
ность за загрязнение окружающей среды и регламентиру¬
ющая оборот свинцовых аккумуляторов. Предусмотрены
законодательные меры и экономические рычаги, обязы¬
вающие автопредприятия и индивидуальных автовладель¬
цев сдавать на переработку отработанные СКА. Например,
в Швеции и Италии введена система сбора залога при им¬
порте и покупке СКА, собранные средства поступают не¬
посредственно предприятию-переработчику.
В зарубежной практике свинцово-кислотные аккуму¬
ляторы поступают на перерабатывающее предприятие с
электролитом, причем все перерабатывающие заводы ути¬
лизируют этот электролит. Поскольку переработка не при¬
носит прибыли, то соответствующие убытки компенсиру¬
ются государством. Собранные на приемных пунктах (му¬
ниципальных или фирм-произодителей) неразделанные
аккумуляторы с электролитом помещают в контейнеры
специальной конструкции с крышками и транспортиру¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
223
ют далее в вагонах или машинах с укрытием, что исклю¬
чает загрязнение окружающей среды по пути их следова¬
ния. Правила транспортировки должны соответствовать
требованиям Базельской конвенции по транспортировке
вредных отходов. Более 2/3 отработанных свинцовых ак¬
кумуляторов в мире перерабатывается по технологии, ко¬
торая включает предварительную разделку и сепарацию
лома. Это обеспечивает раздельное получение свинцово¬
сурьмянистых сплавов из мягкого свинца.
Извлекаемый из свинцовых аккумуляторов полипро¬
пилен используется повторно. Эбонит применяют в дорож¬
ном строительстве или захоранивают вместе с поливинил¬
хлоридной изоляцией.
В РФ представляется своевременным начать система¬
тическую работу по регламентации оборота отработанных
СКА и внедрению экологически безопасных технологий
их переработки.
Свинец по содержанию в воздухе относится к 1-му клас¬
су опасности и его ПДК в атмосферном воздухе составляет
0,0003 мг/м3, а в воздухе рабочей зоны — 0,05 мг/м3
(среднесуточная). Свинец как загрязнитель сточных вод
относится ко 2-му классу опасности и его концентрация в
воде, используемой в хозяйственно-бытовых целях, не
должна превышать 0,03 мг/л. Такое же ПДК по свинцу
установлено и в питьевой воде, а его концентрация в вод¬
ных объектах рыбохозяйственного назначения не долж¬
на превышать 0,01 мг/л. В почве концентрация свинца не
должна превышать 6 мг на 1 кг почвы. Для предприятий,
перерабатывающих и производящих свинец, обязатель¬
ны профилактические меры по защите рабочего персона¬
ла и необходимо наличие санитарно-защитной зоны.
По экспертным оценкам, на территории РФ, а именно
на свалках, площадках автотранспортных организаций,
предприятий железнодорожного, морского и авиацион¬
ного транспорта, находится порядка 1 млн т свинца в
виде непереработанного аккумуляторного лома. При
существующем положении дел с его рециклингом эта ве¬
личина ежегодно должна возрастать по одним данным —
на 50-60 тыс. т, по другим — до 100 тыс. т.
224
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
С другой стороны, отечественные потребители свин¬
ца — заводы аккумуляторной, кабельной, химической
промышленности уже сейчас испытывают дефицит свин¬
ца (особенно рафирированного) и его сплавов, оцениваемый
теми же 50-60 тыс. т. Сырьевая проблема уже привела к
резко возросшему импорту свинцовых аккумуляторов.
ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ
РЕЦИКЛИНГА СВИНЦА
Как указывает А. Г. Морачевский, в мировой практи¬
ке до настоящего времени существуют две принципиаль¬
но различные технологии переработки лома свинцовых
аккумуляторов с разными модификациями — это плавка
неразделенного лома со сжиганием органической массы в
воздухе или в техническом кислороде и технология, вклю¬
чающая предварительную разделку сырья с получением
свинцовосодержащих полупродуктов для последующего
металлургического передела. В этом случае органические
отходы подлежат либо последующей переработке, либо
захоронению. Еще около 20 лет назад наиболее распрост¬
ранено было первое направление со следующей схемой:
подготовка шихты, состоящей из аккумуляторного лома
и прочего вторичного сырья, кокса и оборотного шлака,
шахтная плавка шихты с получением чернового свинца и
с дожиганием органических веществ в камерах с газовы¬
ми или мазутными горелками, пылеулавливание, преиму¬
щественно в рукавных фильтрах с последующей перера¬
боткой пыли, рафинирование черного свинца с получени¬
ем товарного металла и побочных продуктов.
В СССР около 80% вторичного свинцового сырья пе¬
рерабатывалось в шахтных печах. Схема такой печи изоб¬
ражена на рисунке 5.37.
Основные части шахтной печи: горн, шахта и колош¬
ник. Вся печь опирается на соответствующий фундамент.
Один из главных недостатков шахтной плавки любого
вида свинецсодержащего сырья — необходимость громозд¬
ких и дорогостоящих систем газоочистки, далеко не полнос¬
тью обеспечивающих необходимые санитарные требования.
Считается, что общая стоимость установки для очистки
1,р5
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
225
Рис. 5.37
Шахтная печь для плавки свинца (поперечный разрез)
226
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
отходящих газов почти в два раза превышает стоимость
основного металлургического оборудования. К числу дру¬
гих недостатков шахтной плавки можно отнести (А. Г. Мо-
рачевский):
• наличие сложного и экологически опасного переде¬
ла — агломерации мелкой фракции сырья перед шах¬
тной плавкой;
• переход части свинца в низкокачественный штейн*,
рациональный метод переработки которого отсут¬
ствует;
• использование относительно дорогого и дефицитного
кокса;
• необходимость дополнительного оборудования для пе¬
реработки пыл ей шахтной плавки.
Следует, однако, отметить, что шахтная плавка —
весьма универсальный процесс, позволяющий перераба¬
тывать вторичное сырье практически любого состава.
Помимо шахтной плавки для переработки аккумуля¬
торного лома применяют плавку в электрических печах
(А. М. Кунаев с соавт.).
Для переработки вторичного свинца применяют руд¬
но-термические электрические печи, в которых тепло вы¬
деляется непосредственно в слое жидкого шлака с высо¬
ким удельным сопротивлением при прохождении через
него электрического тока (джоулево тепло), а также при
микродуговом разряде в газовой фазе у поверхности элек¬
трода. Электрический ток подводится через графитовые
электроды, погруженные в слой жидкого шлака. Пре¬
имущества электроплавки при переработке вторичного
свинцового сырья по сравнению с шахтной плавкой сле¬
дующие:
• низкий расход кокса;
• сокращение расхода воздуха;
• уменьшение потерь тепла и пыли с отходящими газами.
При использовании электроплавки следует учитывать,
что этот процесс предъявляет повышенные требования к
* Штейн представляет собой сплав сульфидов железа, меди, цинка и
свинца.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
227
подготовке вторичного сырья, особенно при получении
свинцово-сурмянистого сплава*.
Процесс переработки вторичного свинца в электропе¬
чах осуществляется следующим образом.
Исходный лом после дробления разделяется на две сви¬
нецсодержащие фракции: металлизированную (с содержа¬
нием до 90% свинца и 4-5% сурьмы) и оксидно-сульфат¬
ную (содержащей около 70% свинца, 0,7% сурьмы, осталь¬
ное — сера, кислород и другие примеси). Органические
отходы являются отвальным продуктом. Электроплавке
подвергается оксидно-сульфатная фракция; металлизиро¬
вания я фракция переплавляется отдельно.
При плавке свинецсодержащего сырья в шихту допол¬
нительно добавляют соду. При этом протекают следующие
основные химические реакции:
PbS04 4 Na2C03 + 4С Pb + Na2S + ЗС02 4 СО; (5.35)
РЬО + Na2C03 4* С —> РЬ 4* Na20 -I- ЗС02 4 СО; (5.36)
В результате реализации процесса получали в качестве
товарного продукта свинцово-сурьмянистый сплав. Суще¬
ственным недостатком процесса является большой расход
соды, достигающий 40-50% от массы оксидно-сульфат¬
ной фракции. Поэтому в дальнейшем в Казахстане была
разработана и внедрена в практику аналогичная бессодо-
вая технология электроплавки с получением шлаков, не
оказывающих отрицательного воздействия на окружаю¬
щую среду и пригодных для последующей переработки.
В РФ институтом «Гинцветмет» (Москва) также раз¬
работана и запатентована технология бессодовой бесштей-
новой электрической плавки разделанного аккумуля¬
торного лома и других видов вторичного свинцового
сырья, обладающая, по данным ее авторов, максимальной
* Эти сплавы содержат 90 и более процентов свинца (в зависимости
от сорта), а также сурьму.
РЬО 4 СО -> РЬ 4 С02;
Na2S 4 ЗРЬО —> ЗРЬ 4 Na20 4 S02.
(5.37)
(5.38)
228
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
безотходностью и экологической безопасностью. Разрабо¬
тан типовой проект установки для переработки аккуму¬
ляторного лома с выпуском 15 тыс. т свинца и его сплавов
в год.
Поступающий на переработку аккумуляторный лом
подвергается механизированной сепарационной разделке
на следующие фракции: металлическую, оксидно-суль¬
фатную, полипропиленовую, эбонитовую, поливинилхло¬
ридную. Утилизируется электролит, перерабатываются
все оборотные и промежуточные продукты производства.
Основные показатели рассмотренной технологии пред¬
ставлены ниже.
Удельная производительность по
черновому свинцу
4,5 т/м2 в сутки
Расход электроэнергии на плавку
480-520 кВт ч на 1 т свинца
Расход кокса (по углероду)
3-4%
Выход шлака
3-5%
Безвозвратные потери свинца
менее 1,5%
Температура шлака
1100-1150°С
Температура свинца
900-950°С
Количество образующихся техно¬
логических газов
200-250 нм3 на 1 т свинца
Кроме того, авторы характеризуют свою технологию
следующим образом. Для завода производительностью
15 тыс. т свинца и его сплавов в год выброс вредных ве¬
ществ в атмосферу не превысит (кг в год): свинца — 680,
сурьмы — 41,5, мышьяка — 0,5. Установка для очистки
отходящих газов от диоксида серы в скрубберах, орошае¬
мых известковым молоком, позволит уловить 99,8% серы,
содержащейся в сырье, и обеспечить соблюдение санитар¬
ных норм выброса сернистого газа в атмосферу. Существу¬
ют и иные отечественные процессы пирометаллургичес-
кой переработки вторичного свинца.
За рубежом более 2/3 отработанных СКА перерабаты¬
ваются по технологии, которая включает получение свин¬
цово-сурьмянистых сплавов и мягкого свинца. В мире
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
229
широко используют оборудование и технологии итальян¬
ской фирмы «Engitec Technologies». По ее проекту в РФ
построен завод производительностью 25 тыс. т в год свин¬
ца готовой продукции ЗАО «МЕТКОМ Групп» (Московс¬
кая область). В отличие от других предприятий по пере¬
работке аккумуляторного лома, действующих на тер¬
ритории России, технологическая схема предполагает
утилизацию свинцовых аккумуляторов, содержащих
электролит. Изложим подробно эту технологию, основы¬
ваясь на монографии А. Г. Морачевского.
В цехе подготовки сырья производится разделка ак¬
кумуляторов с получением товарного сульфата натрия,
свинецсодержащих продуктов (металлической и оксидно¬
сульфатной фракции), десульфатизация оксидно-суль¬
фатной фракции гидрометаллургическим способом с при¬
менением карбоната натрия, очистка раствора сульфата
натрия от примесей. При разделке аккумуляторов приме¬
няется гидродинамическая сепарация. Образуются: метал¬
лическая фракция (решетки и полюсы, приведенная плот¬
ность доЮ г ем-3), фракция полипропилена (приведенная
плотность менее 1 г ем-3), фракция эбонита и сепараторов
(приведенная плотность в пределах 1,01-1,40 г ем-3), пуль¬
па, состоящая преимущественно из сульфата свинца, ок¬
сидов свинца, незначительного количества металлического
свинца и других компонентов аккумуляторного лома, пере-
измельченных при дроблении. После операции десульфата-
ции твердая фаза содержит: соединение 5PbC03Na2C03,
РЬО, остаточное количество PbS04, РЬ02, РЬ, примеси.
Жидкая фаза представляет собой раствор сульфата натрия
и избыточного карбоната натрия. Оксидно-карбонатный
кек промывается горячим конденсатом (60-70°С) с участ¬
ка кристаллизации сульфата натрия. Из отмытого от суль¬
фатов кека сжатым воздухом удаляется влага до остаточ¬
ного содержания 10-12%.
Раствор сульфата натрия содержит в качестве приме¬
сей незначительные количества соединений свинца, же¬
леза, олова, сурьмы. Примеси переводят в осадок добав¬
лением раствора сульфида натрия. Избыток сульфида на¬
трия после отделения осадка примесей удаляют с помощью
230
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
пероксида водорода. Раствор сульфата натрия, собранный
в резервуаре хранения перед операциями, связанными с кри¬
сталлизацией, имеет концентрацию 15-21 %масс. Na2S04.
Оборудование для плавления, рафинирования, газо¬
очистки на предприятии ЗАО «МЕТКОМ Групп» спроек¬
тировано французской фирмой «BJ-Industries». В каче¬
стве плавильных агрегатов используются ротационные
полноповоротные короткобарабанные печи с рабочим
объемом 3 и 5 м3. По характеру происходящих процессов
такая печь является вариантом отражательной печи, мед¬
ленно поворачивающейся вокруг своей оси (скорость вра¬
щения от 0,1 до 1,5 мин-1).
Печи обогреваются сжиганием газообразного топлива
(природного газа и кислорода) внутри печи. Горелка уста¬
новлена в торце печи, факел направлен вдоль оси и нагре¬
вает как расплав, так и стенки печи. В отличие от стацио¬
нарной отражательной печи, для нагрева расплава исполь¬
зуется не только тепло факела горелки, но и тепло стенок
печи, также нагреваемых факелом горелки при вращении
печи. Происходит постоянный подогрев расплава не толь¬
ко с поверхности (от факела горелки), но и от стенки, а так¬
же перемешивание расплава. Благодаря этому необходи¬
мая температура поддерживается во всем объеме распла¬
ва, а процессы восстановления свинца идут с большей
скоростью и меньшим расходом топлива и восстановите¬
ля. Использование кислорода в дутье позволяет сократить
объем отходящих газов, соответственно и затраты на их
очистку и потери тепла с газами.
Кроме основного назначения — плавления, печи такой
конструкции выполняют функции сушильного и смеси¬
тельного оборудования.
Отходящие от печей технологические газы имеют тем¬
пературу 800-900°С, запыленность до 2000 мг м-3 и на
выходе из печей попадают в вертикальные вытяжные ка¬
меры. Очистка газов осуществляется с помощью рукав¬
ных фильтров. Перед фильтрацией технологические газы
смешиваются с воздухом, что приводит к понижению их
температуры до 140-170°С. Особое внимание уделяется
проблеме аспирирования газов, что позволяет поддержи¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
231
вать состояние воздуха рабочей зоны по запыленности и
содержанию свинца в пределах установленных нормати¬
вов. Печи находятся в специальных укрытиях, которые
позволяют локализовать и удалить пыли и газы, образу¬
ющиеся в процессе проведения плавки. Очистка аспира¬
ционных газов (общий объем до 80 тыс. нм3*ч-1) произво¬
дится рукавным фильтром.
Химический состав перерабатываемых материалов
приводится в таблице 5.17. Технологический режим ра¬
боты печей — периодический (циклический), состоит из
следующих операций: загрузка шихты; сушка шихты;
расплавление; отстаивание; выпуск расплава.
Продолжительность цикла зависит от вида сырья и
колеблется от 3,5-4,5 ч при плавке металлической фрак¬
ции до 6,5-7,5 ч при плавке десульфатированного кека.
Та блица 5.17
Химический состав перерабатываемых материалов (%масс.)
Материал
Сви¬
нец
Примеси
Sb
Sn
As
Си
S
Bi
Металлическая
фракция
70-95
3,0-
7,0
До
0,3
До
0,3
До
0,3
До
0,2
До
0,03
Десульфуризо-
ванная паста
55-70
До
0,3
До
од
До
0,1
До
0,1
До
1,0
До
0,02
Изгарь, съемы,
шламы*, крошка,
шлаки, стружка
40-80
1,0-
8,0
До
2,0
До
0,3
0,1-
0,3
0,5-
3,0
До
0,1
Аккумуляторный
лом ручной раз¬
делки
55-80
2,0-
6,0
До
0,2
До
0,2
0,2-
0,6
До
3,0
До
0,03
Съемы и дроссы**
рафирирования
60-85
0,5-
15,0
0,5-
5,0
0,5-
3,0
0,5-
8,0
0,5-
8,0
0,05-
5,0
Оборотная пыль
50-80
1,0-
4,0
0,1-
1,0
0,1-
1,0
До
0,1
0,1-
3,0
До
0,03
Оборотные мате¬
риалы собствен¬
ного производства
10-80
од-
5,0
0,1-
1,0
0,1-
1,0
0,1—
0,5
0,2-
1,0
До
0,05
Примечания. * Шламы — это осадки нерастворимых металлов, оксидов
и химических соединений, получающихся при растворении анода при
электролизе; ** дроссы (или съемы) — твердые соединения цветных
металлов, образующиеся при плавке и рафинировании, всплывающие
на поверхность расплава и удаляемые механическим путем.
232
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.18
Химический состав чернового металла (мае. %)
Материал
Сви-
нец
Примеси
Sb
Sn
As
Си
Ag
Bi
Черновой металл из
десульфированной
пасты
99,9-
99,5
0,4-
1,0
До
0,01
До
0,01
До 0,3
0,001-
0,002
0,010-
0,017
Черновой металл из
металлической
фракции
96,0-
97,0
2,8-
3,5
0,02-
0,07
До
0,05
0,04-
0,06
0,015-
0,003
0,015-
0,020
Черновой металл из
металлической
фракции и оборот¬
ных материалов
собственного произ¬
водства
90-
95,5
4,0-
9,0
До 0,3
До 0,1
До 0,3
До
0,05
До
0,02
Отмечается, что применяемая технология позволяет при
необходимости проводить так называемый промежуточ¬
ный выпуск, т. е. выпуск части расплава до момента обра¬
зования жидкого шлака. При этом содержание таких эле¬
ментов, как сурьма, олово, мышьяк, в полученном черно¬
вом свинце оказывается намного ниже, чем в черновом
свинце, полученном в результате окончательного выпуска.
Данная технологическая операция позволяет получать чер¬
новой сплав с пониженным содержанием вредных приме¬
сей и сурьмы, производить «мягкий» свинец с наименьши¬
ми затратами. Химический состав чернового металла, по
данным ЗАО «МЕТКОМ Групп», приведен в таблице 5.18.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ
РЕЦИКЛИНГА СВИНЦА
В РФ и странах СНГ основной способ переработки вто¬
ричного свинца (в частности СКА) — пирометаллургичес-
кий. Он изложен выше. Моральная и физическая изно¬
шенность используемого оборудования и очистных соору¬
жений приводит к образованию значительного количества
высокотоксичных отходов, поступающих в окружающую
среду в виде свинецсодержащей пыли и шлаков. Напри¬
мер, концентрация свинцовой пыли на границе санитар¬
но-защитной зоны наиболее крупного предприятия по пе¬
реработке вторичного свинца Украины ЗАО «Свинец» при
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
233
производительности 12 тыс. т свинца в год достигает 1,2-
1,41 ПДК (валовый выброс 24-46 т/год). Все это требует
внедрения новых технологий переработки вторичного свин¬
ца, способных снизить нагрузку на окружающую среду.
Одна из таких технологий — электрохимическая, ос¬
нованная на химическом либо элетрохимическом раство¬
рении свинецсодержащих компонентов аккумуляторов и
извлечении свинца из электролита методом электрорафи¬
нирования и электроэкстракции*. Существует несколько
схем электрохимической переработки СКА: с предвари¬
тельным разделением на металлическую и сульфадно-ок-
сидную фракции (в этом случае металлическая фракция
подлежит металлургической переплавке, а сульфидно¬
оксидная — растворению после предварительной обработ¬
ки подходящим реагентом с последующим извлечением
свинца из полученного электролита электрорафинирова¬
нием) и без разделения (извлечение свинца из свинцовых
пластин (анодов) электрорафинированием или после из¬
мельчения пластин, обработки и растворения электроэк¬
стракцией).
С экологической и технологической точек зрения элек¬
трохимические технологии обладают рядом преимуществ
по сравнению с пирометаллургическими. Товарными про¬
дуктами, получаемыми в процессе металлургического пе¬
редела, являются свинцово-сурмянистые сплавы марок
ССуА (ГОСТ 1292-81) и УС-1 (ТУ 87 РК 00200928-98-98) и
свинец марки С2 (ГОСТ 3778-77), в то время как при элек¬
трохимической переработке возможно получение только
чистого свинца марок С1 и С2, так как ухудшающие каче¬
ство металлы-примеси либо выпадают из электролита в
виде шлама, либо переходят в его раствор и на катоды не
осаждаются. Выход по продукту при пирометаллургичес-
кой переработке составляет 50-70%, при электрохими¬
ческой — 75-90%.
Все электрохимические технологии включают предва¬
рительную разделку аккумуляторных блоков на органи¬
* Электрорафинирование — это электролиз растворимыми РЬ-ано-
дами, а электроэкстракция — с нерастворимыми анодами.
234
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
ческую и металлические фракции, что исключает процесс
сжигания органики и выделения образующихся в этом
процессе вредных веществ.
Процесс электрохимической переработки сопровожда¬
ется гораздо меньшими выбросами свинца в атмосферу:
при пирометаллургическом способе выброс свинца в виде
пыли составляет в среднем 2 кг/т, а при электрохимичес¬
ком в виде аэрозоля — 0,01 кг/т.
Следует указать, что переработка свинцовых аккуму¬
ляторных пластин электрорафинированием сопровожда¬
ется очень малым выделением газообразных продуктов
электролиза на электродах, так как анод является раство¬
римым, кислород на нем не выделяется, как и водород на
катоде вследствие высокого выхода свинца по току.
Поэтому барботажный унос вредных веществ из элек¬
тролита невелик. Например, удельные выбросы фторис¬
тых соединений (фтористого водорода и тетрафторида
кремния) с поверхности кремнефтористо-водородного
электролита составляет 0,004-0,006 г/м2 с в зависимости
от концентрации кремнефтористо-водородной кислоты в
электролите, что в 1,5-3 раза меньше, чем при свинцева¬
нии с нерастворимыми анодами.
Установлено также (Н. Bombach et al., Н. В. Исаева-
Парцвания с соавт.), что выбросы газообразных загряз¬
няющих веществ с поверхности электролита не зависят
от плотности тока при электролизе, поэтому повыше¬
ние его скорости за счет увеличения электродной плот¬
ности тока приводит в итоге с снижению валовых заг¬
рязняющих веществ с поверхности электролита (в среднем
в 1,5-2 раза).
При электрохимической переработке свинца в про¬
мышленности обычно применяют следующие растворы:
кремнефтористо-водородные, борфтористо-водородные и
сульфаминовые. Из них свинец выделяется на катоде в
форме плотного крупнокристаллического осадка, склон¬
ного к дендритообразованию по кромкам электродов, по¬
этому для получения плотных мелкокристаллических
осадков электролиз ведут с добавкой в электролит поверх¬
ностно-активных веществ.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 235
Электрорафинирование свинца в растворах кремне-
фтористо-водородной кислоты. В современной практике
применяют электролит, содержащий, г/л: 60-90 свинца,
в виде PbSiF6; 80-150 свободной H2SiF6; 0,1 столярного
клея или желатины в качестве ПАВ.
Свежий электролит готовят следующим образом. Сна¬
чала из плавикового шпата CaF2 и концентрированной сер¬
ной кислоты получают плавиковую кислоту по реакции
CaF2 + H2S04 = 2HF + CaS04. (5.39)
Полученную плавиковую кислоту фильтруют через
слой кускового кварца или кварцевого песка, наложен¬
ный на фильтрующую поверхность нутч-фильтра. Крем¬
незем растворяется с выделением тепла:
Si02 + 6HF = H2SiF6 + 2Н20. (5.40)
Процесс регулируют таким образом, чтобы избежать
перегрева и связанного с ним испарения HF.
Электрохимическую переработку свинца осуществляют
по технологической схеме, представленной на рисунке 5.38.
Свинец, содержащий Bi
1
Рис. 5.38
Электрохимический способ рециклинга свинца
236
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Перерабатываемый свинец расплавляют и отливают в
аноды в виде пластин с заплечиками, которыми они опи¬
раются на борта ванны. Обычно толщина анодов 20-40 мм,
а их масса колеблется в пределах 150-200 кг. Толщина
анодов зависит от количества примесей, содержащихся в
свинце: чем больше примесей, тем меньшей толщины де¬
лают анод.
В качестве катодов употребляются свинцовые листы
толщиной 1 мм. Катоды на 10-12 мм больше по ширине и
длине, чем аноды. Это делают для того, чтобы избежать
образования дендритных отложений по краям катода.
Электролитную ванну (рис. 5.39) делают из бетона и
железобетона и покрывают изнутри кислотоупорной фу¬
теровкой: винипластом, гудроном, кислотостойкой плит¬
кой и др. Объем ванн от 1,2 до 6,3 м3. Они группируются в
блоки, расположенные на одном уровне или в виде каскада.
Электрохимическое рафинирование свинца проводят
при сравнительно низкой плотности тока, поддерживая
на аноде от 100 до 220-240 А/м2. Расстояние между по¬
верхностями электродов 40-50 мм. Напряжение на ванне
при этом составляет 0,35-0,5 В, поднимаясь по мере сра¬
батывания анодов до 0,6-0,8 В. Чем чище анодный сви¬
нец, тем интенсивнее можно проводить электролиз. Тем¬
пературу электролита обычно поддерживают на уровне
35-40°С без подогрева.
В рассматриваемом процессе достигается высокий вы¬
ход по току: 96-97%. Вследствие большого электрохими¬
ческого эквивалента свинца и низкого напряжения на ван¬
не расход электроэнергии небольшой— всего 110-150
(иногда до 200) кВт ч на 1 т свинца.
Поперечный разрез
Уровень электролита
§♦
Продольный разрез
10t Ч Анод Катод
Рис. 5.39
Ванна для электролитического рафинирования свинца
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
237
Электрорафинирование свинца в растворах борфтор-
водородной кислоты. Применение растворов бофторводо-
родной кислоты (HBF4) имеет некоторые преимущества
перед кремнефторводородными растворами, рассмотрен¬
ными выше, однако использование первых из них срав¬
нительно ограничено вследствие дефицитности борного
ангидрида и его достаточно высокой стоимости.
Борная кислота хорошо растворима в растворах HF.
Раствор готовят либо непосредственно в электролизных
ваннах, либо в сборниках растворов. Отмечается, что
применение борфтористых растворов благоприятно при
рафинировании анодов с высоким содержанием висмута
(до 5%). Известно использование электролита следующего
состава, г/л:
РЬ в виде Pb(BF4)2
100
Свободный HBF4
50
Избыточный В(ОН)з
100
Желатин
0,2
Борфторводородный электролит готовят следующим
образом. Кристаллическую борную кислоту вводят в ра¬
створ плавиковой кислоты при перемешивании. Одновре¬
менно реакционную смесь охлаждают. При этом образу¬
ется борфтористая кислота:
4HF + Н3В03 = HBF4 + ЗН20. (5.41)
В полученный охлажденный раствор HBF4 добавляют
основной углекислый свинец. При этом протекает следую¬
щая реакция образования свинцовой соли борфтористо-
водной кислоты:
2РЬС03 Pb(OH)2 + 6HBF4 -►
-► 2Pb(BF4)2 + 2C02t + 4Н20. (5.42)
После отстаивания получившийся раствор использу¬
ют для электролиза. Электролиз проводят с плотностью
тока 100-150 А/м2. Выход по току в кислых растворах
достигает 95%. На катоде осаждается гладкий осадок
свинца с блестящими кристалликами, менее склонный к
денуритообразованию.
238
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Электрорафинирование в растворах сульфаминовой
кислоты. Сульфаминовая кислота (HS03NH2) представля¬
ет собой кристаллическое вещество. Она не гигроскопич¬
на, бесцветна, не имеет запаха, хорошо растворяется в
воде: около 230 г на 1 л воды при комнатной температуре.
Водные растворы сильно ионизированы и обладают высо¬
кой электропроводностью. Кислота хорошо реагирует с
карбонатом свинца, его оксидом и гидроксидом с образо¬
ванием свинцовой соли Pb(S03NH2)2. Растворимость этой
соли в воде очень высока: около 200 г/л, поэтому она не
кристаллизуется, подобно кремнефтористому свинцу,
в порах шлама, не забивает их и не затрудняет циркуля¬
ции раствора. Вследствие этого анодный процесс идет спо¬
койно, без явлений пассивации.
Существуют два способа получения сульфаминовой
кислоты:
• из мочевины;
• аммиачный способ.
По первому способу мочевину растворяют в избытке
серной кислоты и затем добавляют 65-70%-ный олеум,
в результате чего выпадают кристаллы сульфаминовой
кислоты, которые отделяются фильтрацией, реакция
протекает по уравнению
NH2CONH2 + H2S04 + SOg = 2HS03NH2I + C02t. (5.43)
Технология производства сульфаминовой кислоты ам¬
миачным способом складывается из следующих операций.
1.. Получение аммиака и серного ангидрида промежу¬
точной соли — имидбисульфата аммония:
3NH3 + 2S03 = NH(S020NH4)2. (5.44)
2. Гидролиз имидбисульфата аммония в присутствии
серной кислоты с образованием кристаллической сульфа¬
миновой кислоты:
NH(S020NH4)2 + Н20 = HSOgNHgi + (NH4)2S04. (5.45)
Реакция гидролиза протекает в две стадии.
Существенное преимущество сульфаминового электро¬
лита — более равномерное действие на аноды, в результа¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
239
те чего получают анодный шлам с повышенной равномер¬
ностью структуры и более гладкие катоды.
Технологические характеристики процесса следую¬
щие. При рафинировании анодов из вторичного свинца
электролит имеет состав, г/л: свинца — 80, сульфамино-
вой кислоты — 70. Процесс ведется при комнатной тем¬
пературе, напряжение на ванне составляет 0,4 в, плотность
тока — 80-120 А/м2. Выход по току — около 93%, расход
электроэнергии — 140 кВт ч на тонну катодного свинца,
в котором содержится до 99,995% свинца и следы меди,
сурьмы и олова.
К недостаткам электрохимических технологий пере¬
работки можно отнести сравнительно невысокую скорость
процесса. Время растворения аккумуляторных пластин в
зависимости от параметров электролита составляет около
суток. Отметим, что существуют технологические приемы,
позволяющие ускорить этот процесс.
Другим недостатком этой технологии является исполь¬
зование предварительных операций по переводу нераство¬
римых в большинстве электролитов соединений свинца
(сульфата и диоксида в количестве 20-35%) в раствори¬
мую форму. Процесс осуществляется с использованием ра¬
створов гидроксида либо карбоната натрия за счет добавле¬
ния пероксида водорода либо металлического свинца.
5.2.11.
РЕЦИКЛИНГ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
К черным металлам относятся железо и его сплавы,
которые составляют более 90% в общемировом производ¬
стве металлов. Большая доля в общем объеме твердых от¬
ходов принадлежит металлическим отходам. Вторичные
ресурсы металлов складываются из лома (-43%) и отхо¬
дов (-57%).
Ломом называют вышедшие из употребления детали
и изделия из металлов и сплавов, отходами — промыш¬
ленные отходы всех стадий передела, содержащие метал¬
лы или состоящие из них, получаемые при плавке и меха¬
нической обработке, а также не поддающийся исправле¬
нию брак деталей и изделий, возникающий в процессе
240
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
производства. Так, в черной металлургии образование
лома и отходов металлов на 1 т выплавляемой стали дос¬
тигает 650 кг, поэтому вопрос о рациональном использо¬
вании металлических отходов приобретает важное значе¬
ние. Емкость рынка черного лома в России держится на
уровне 18-25 млн т в год.
Эффективность использования лома и отходов метал¬
ла зависит от их качества. Загрязнение и засорение ме-
таллоотходов приводят к большим потерям при перера¬
ботке, поэтому сбор, хранение и сдача их регламентиру¬
ются специальным стандартом ГОСТ 2787-75 «Металлы
черные вторичные. Технические условия».
Основные операции первичной обработки металлоотхо-
дов — сортировка, разделка и механическая обработка. Сор¬
тировка заключается в разделении лома и отходов по видам
металлов. Разделка лома состоит в удалении неметалли¬
ческих включений. Механическая обработка включает
рубку, резку, пакетирование и брикетирование на прессах.
Пакетирование отходов организуется на предприяти¬
ях, на которых образуется 50 т и более высечки и обрезков
в месяц. Каждая партия должна сопровождаться удостове¬
рением о взрывобезопасности и безвредности. Стружку пе¬
рерабатывают на пакетирующих прессах, стружкодробил-
ках, брикетировочных прессах. Брикетированию (окуско-
вание механическим уплотнением на прессах, под молотом
и других механизмах) подвергается сухая и неокисленная
стружка одного вида, не содержащая посторонних приме¬
сей с длиной элемента до 40 мм для стальной и 20 мм для
чугунной стружки. Прессование вьюнообразной стружки
целесообразно проводить в отожженном состоянии, так как
при этом отпадает необходимость выполнения таких под¬
готовительных операций, как дробление, обезжиривание,
отбор обтирочных материалов и мелких кусков металла.
На предприятиях, где образуется большое количество
металлоотходов, организуются специальные цехи (участ¬
ки) для утилизации вторичных металлов. Чистые одно¬
родные отходы с паспортом, удостоверяющим их хими¬
ческий состав, используют без предварительного метал¬
лургического передела.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
241
Для переработки лома черных металлов и металличес¬
ких отходов используют различные технологические
процессы, схемы и аппараты. Многие металлургические
агрегаты, например шахтные печи, к которым в первую
очередь относятся доменные и вагранки, могут быть ис¬
пользованы для переработки практически любых видов
отходов. Кроме того, они обладают достаточной произво¬
дительностью.
РЕЦИКЛИНГ ЛОМА И ОТХОДОВ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
В ШАХТНЫХ ПЕЧАХ
Основные преимущества переработки рассматривае¬
мых отходов в шахтных печах следующие (П. И. Черно¬
усое):
• полностью исключаются выбросы токсичных соедине¬
ний на поверхность земли (поскольку доменные и ваг¬
раночные шлаки и шламы являются ценным сырьем
для строительной индустрии);
• минимизируются сбросы в водный бассейн (так как в
черной металлургии вода используется для охлажде¬
ния агрегатов и лишь незначительно для влажной очи¬
стки от неуловленной пыли и смыва мелкодисперсные
отходов);
• минимизируются выбросы в атмосферу (в доменном
процессе невозможно, например, образование таких
токсичных соединений, как диоксины и фу раны, ок¬
сидов азота, любых сложных углеводородных соеди¬
нений, и т. п.);
• доменный газ является ценным энергетическим сырь¬
ем и полностью утилизируется.
Доменная печь (см. рис. 5.40) представляет собой шах¬
тную печь, для которой характерно развитие рабочего про¬
странства в высоту. Она служит для получения чугуна.
Доменный процесс является сложной совокупностью раз¬
нообразных физико-химических, технических, механи¬
ческих и аэродинамических явлений. Он протекает в ус¬
ловиях движения твердых и плавящихся масс сверху вниз
и встречного потока газов снизу вверх (реализуется прин¬
цип противотока фаз).
242
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.40
Вертикальный разрез и профиль доменной печи объемом 2700 м3
Рис. 5.41
Принципиальная схема применения техногенных материалов в шахтных печах
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 243
244
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рабочее пространство доменной печи состоит из колош¬
ника, шахты, заплечиков и горна. Верхняя цилиндричес¬
кая часть рабочего пространства печи предназначена для
распределения загружаемых в печь материалов. Накоп¬
ленные в горне жидкие продукты плавки (чугун, шлак)*
периодически выпускают из печи. Температура в домен¬
ной печи (температура газового потока) меняется по вы¬
соте с 1900-1300°С на уровне фурм** до 400-200°С на вы¬
ходе из колошника. Принципиальная схема переработ¬
ки техногенных материалов (металлических отходов)
представлены на рисунке 5.41.
Доменная плавка как процесс и доменная печь как аг¬
регат сформировались в эпоху Средневековья*** и до сих
пор не изменили своей сущности. Доменный процесс от¬
личают следующие особенности:
• непрерывный характер;
• противоточное движение шихты и газа;
• наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и
жидкого состояния;
• значительный диапазон температур;
• значительный диапазон давлений (от 10 до 500 кПа);
• широкий спектр объемов агрегата и, следовательно,
единичных мощностей (до 12 тыс. т чугуна в сутки);
• высокая продолжительность кампании печи (10-20 лет)
и соответственно проплавление большого количества
чугуна за кампанию (20-40 млн т);
• минимальное количество вредных выбросов в окружаю¬
щую среду.
Вагранка — это печь, применяемая в литейном произ¬
водстве для плавки чугуна. Вагранка (рис. 5.42) имеет вер¬
* Основные виды продуктов доменной плавки:
1) передельный чугун для мартеновских цехов состава 0,5-1,3% Si,
0,6-1,2% Мп, 0,15-0,2% Р, 0,03-0,07% S;
2) литейный чугун, содержащий до 3,26-3,75% Si, до 0,91-1,3% Мп
и 0,02-0,07% S с пределами по фосфору 0,1-0,3% для высокопрочно¬
го литья и 0,3-1,2% для художественного литья;
3) доменные ферросплавы: ферромарганец с 70-75% Мп и 7% С;
ферросилиций с 12-18% Si и 2% С; зеркальный чугун с 10-25% Мп.
** Фурмы — это устройства для подвода дутья и выпуска продуктов
плавки.
•** Доменная плавка существует уже около семи столетий.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
245
тикальную шахту, в нижней части которой расположен
горн, служащий для накопления жидкого чугуна. Сред¬
няя часть шахты полностью загружается шихтовыми ма¬
териалами — смесью металла, топлива (кокса) и флюсов
(специальных добавок), обеспечивающих жидкотекучесть
и другие свойства расплава. Из горна чугун перетекает в
копильник, откуда выпускается в разливочный ковш че¬
рез нижнюю лётку (специальное отверстие, заделываемое
после окончания плавки и выпуска металла). Металли¬
ческая шихта состоит из получаемого в домне литейно¬
го чугуна (в чушках), чугунного лома, возврата металла
литейного цеха (брак отливок, лом литников, прибылей
и т. п.), стальных отходов металлургического производ¬
ства (так называемого скрапа), ферросплавов для улучше¬
ния свойств (легирования) получаемого чугуна.
Для ускорения розжига печи и интенсификации плав¬
ки металла в печь подают обогащенный кислородом воз¬
дух. Производительность вагранки зависит от ее разме¬
ров, состава шихты, вида и расхода топлива.
Рис. 5.42
Схема вагранки:
1 — желоб для выпуска чугуна из ко-
пильника; 2 — лётка; 3 — копильник;
4 — фурмы для дутья; 5 — воздушный
коллектор; 6 — шахта; 7 — загрузоч¬
ное окно; 8 — искроуловитель; 9 —
труба; 10 — загрузочная бадья; 11 —
разливочный ковш.
246
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Таблица 5.19
Международная классификация доменных печей
малого объема
Вид агрегата и междуна¬
родное сокращенное
обозначение
Полезный
объем, м3
Производитель¬
ность, т/сут
Компактная ДП (CBF)
500-1500
1000-4000
Малая или мини ДП,
МДП (MBF)
100-500
300-1000
Микро ДП
До 100
Менее 300
Печи малого объема, используемые для переработки
твердых отходов. Малыми доменными печами называют¬
ся агрегаты с рабочим объемом 2000 м3. Наиболее попу¬
лярные на сегодняшний день печи с объемами 135, 150,
215, 300 и 350 м3, что соответствует производительности
в диапазоне от 100 до 250т/год чугуна. В таблице 5.19
представлена международная классификация доменных
печей малого объема.
Важным преимуществом печей MBF является универ¬
сальность сырьевых условий работы. В качестве топлива
для печей MBF может использоваться как кокс, так и дре¬
весный уголь. В таблице 5.20 представлены показатели
работы некоторых печей MBF.
Компактные доменные печи (CBF-Compact Blast Fur¬
nace) предназначены специально для оснащения мини¬
заводов. Их отличают высокая экономичность и гибкость
производственного цикла.
Основные характеристики печи CBF, направленные на
снижение капиталовложений до минимума:
• отсутствие основной башенной конструкции, типич¬
ной для обычных печей;
• оснащение по всей высоте холодильниками из меди и
чугуна с шаровидным графитом в сочетании с систе¬
мой оборотного водяного охлаждения;
• вертикальный конвейер подачи шихты;
• компактные литейный двор и воздухонагреватели;
• высокая степень автоматизации систем управления.
Некоторые конструкции этих печей оснащены устрой¬
ствами для вдувания мазута и других нефтепродуктов.
Показатели работы некоторых печей MBF
Бразилия
Таблица 5.20
Индия
Показатель
MSA Ns 2
Белу-
Оризонти
Gerdau No 1
Дивинопо-
лис
Sidersul
Ns 1 Рибас
ДУ Риу
Парду
Sesa Goa
Ne 1 Гоа
Midwest
№ 1 Шри-
какулам
Kirlos Каг
Ns 2 Хоспет
Usha Marti
Ns 1
Джамсхе-
диур
Kalyani
Ns 1 Хоспет
Полезный объем, м3
250
118
136
175
215
250
215
250
Выплавляемый чугун
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
передель¬
ный
Ввод в эксплуатацию,
год
1986
1992
1990
1992
1993
1995
1994
1998
Производительность,
т/(м3сут)
2,83
2,20
2,28
1,60
1,21
1,82
2,26
2,10
Твердое топливо, вид
древесный
уголь, кокс
древесный
уголь, кокс
древесный
уголь, кокс
кокс
кокс
кокс
кокс
кокс
Расход, кг/т чугуна
640
630
640
600
700
640
590
620
Крупность, мм
10-120
12-120
12-120
20-60
15-25
15-60
15-60
25-60
Зольность, %масс.
2-15
3-15
4-15
12
21
15
13
12
Железорудные мате¬
риалы (вид)
кусковая
РУДа,
метал¬
лолом,
кусковая
руда, ме¬
таллолом,
окатыши
кусковая
руда, ока¬
тыши
кусковая
РУДа
кусковая
руда
кусковая
руда
кусковая
РУДа
кусковая
РУДа
Крупность, мм
OKgT^QH
6-32
9-25
10-30
10-30
10-30
8-30
6-30
Содержание Fe,
%масс.
66
65
66
65
64
65
65
65
Температура дутья,
°С
800
750
700
800
750
780
760
750
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 247
248
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Комплекс, состоящий из нескольких МДП, способен
обеспечить дешевый и надежный источник производства
чугуна.
Доменные печи также могут быть использованы для
переработки других отходов, кроме лома и отходов чер¬
ных металлов. Например, в последние десятилетия в про¬
изводственных масштабах освоены технологии вдувания
в доменные печи следующих материалов:
• пыли мешочных фильтров, колошниковой пыли и дру¬
гих мелкодисперсных вторичных материалов и шламов;
• мелких частиц чугунного и стального скрапа и желе¬
зорудной мелочи, играющих роль дешевых замените¬
лей кусковых железорудных материалов;
• титанистого железняка (ильменита — FeTi03) и син¬
тетических титаносодержащих материалов, напри¬
мер рутилита (технология фирмы Sacht-leben Chemie
GmbH, Дуйсбург, Германия) для увеличения срока
службы огнеупорной футеровки горна;
• легирующих для быстрого корректирования состава
чугуна.
Кроме того, в доменных печах можно утилизировать
пластмассовые отходы и шламы гальванических произ¬
водств.
Утилизация пластмассовых отходов в доменных пе¬
чах. Одним из наиболее перспективных материалов для
Таблица 5.21
Химический состав пластмасс и ископаемого топлива, %масс.
Элементы
Природный
газ
Уголь энер¬
гетический
Мазут
Пластмассы
Углерод
70-75
75-80
85-87
75-80
Водород
22-26
4-5
10-12
10-14
Зола
0
8-12
0,05-0,10
4-6
Сера
До 0,001
0,6-1,2
2,0-2,5
0,5-1,5
Хлор
0
0,1-0,3
До 0,05
До 1,5
Фтор
0
До 0,01
До 0,001
До 1,5
Калий
0
0,2-0,3
До 0,001
0,03-0,06
Натрий
0
До 0,1
До 0,001
0,08-0,12
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
249
вдувания в доменные печи являются пластмассовые от¬
ходы. При таком способе их утилизации, во-первых, ис¬
ключаются выбросы суперэкотоксикантов, а во-вторых,
даже в доменных печах малого и среднего объема полно¬
стью утилизируются отходы крупных промышленных
регионов. Важнейшей характеристикой отходов пласт¬
масс (как, впрочем, и самих пластмассовых изделий) яв¬
ляется их энергетическая ценность. По химическому
составу и теплоте сгорания пластмассы подобны основ¬
ным ископаемым топливам — природному газу, нефти,
углям (табл. 5.21).
Теплота сгорания некоторых горючих материалов при¬
ведена ниже.
Материал
Теплота
сгорания,
МДж/кг (м3)
Полиэтилен, полипропилен
43,0-45,0
Нефтепродукты, мазут
40,0-42,5
Природный газ
30,0-38,5
Кокс
28,0-32,5
Антрацит
26,0-28,0
Энергетические угли
13,0-20,5
Поливинилхлорид
16,0-18,0
Коксовый газ
15,0-17,0
Дерево, бумага и ТБО
12,0-18,0
Структура обращения с отходами пластмасс в Японии
и Германии, т. е. в странах, где организована четкая струк¬
тура их сбора и сортировки, представлена ниже, %масс.
Вид работ
Япония
Германия
Рециклинг для производства
вторичных полимеров
20-25
35-40
Сжигание для производства энергии
35-40
15-20
Захоронение на полигонах
35-40
40-45
250
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
КОМПЛЕКСНЫЕ РЕШЕНИЯ
ПО ГЛОБАЛЬНОМУ РЕЦИКЛИНГУ
НА БАЗЕ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Японская компания JFE Group внедрила комплексную
технологию повторного использования промышленных и
бытовых отходов в качестве вторичных ресурсов при про¬
изводстве чугуна. Она включает утилизацию пластмас¬
совой упаковки, отходов электробытовых приборов, бу¬
тылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ), пищевых отхо¬
дов и др.
Для организации переработки пластмассовой тары и
упаковки, которая была начата в 2000 г. на территории
металлургических комбинатов в Кэйхине и Фукуяме, со¬
оружено и введено в эксплуатацию оборудование по пере¬
работке пластика в доменное сырье общей мощностью
120 тыс. т/год, что позволило перерабатывать свыше 20%
всех собранных муниципальных отходов.
Для переработки отходов в доменное сырье прессован¬
ные и упакованные отходы, собранные и сортированные
муниципальными органами, подвергаются измельчению
и поступают в классификатор для разделения пластика
по видам и для удаления посторонних предметов. Твер¬
дые формованные детали, бутылки и другие изделия на¬
правляются на участок ручной сортировки, в котором уда¬
ляются объекты, не пригодные для переработки, после
чего материал дробится до определенной крупности и ста¬
новится пригодным для использования в качестве восста¬
новителя в доменной печи. Таким образом, максимально
реализуется выгода от размещения оборудования на тер¬
ритории металлургического предприятия и достигается
практически безотходная переработка использованных
бутылок из ПЭТ.
В 2001 г. компания JGF Urban Recycle ввела в эксплу¬
атацию цех по переработке использованных электробы¬
товых изделий четырех типов (телевизоры, стиральные
машины, кондиционеры воздуха, холодильники) общей
годовой мощностью 800 тыс. единиц. В структуре матери¬
алов этих изделий более 80% приходится на черные ме¬
таллы, пластик и цветные металлы.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
251
При строительстве цеха переработки опирались на
опыт, накопленный компанией JFE Group в технологии
измельчения сортировки и рециклинга. Все, что остается
после ручного демонтажа, измельчают и подвергают ме¬
ханической сортировке. В воздушном сепараторе отделя¬
ется теплоизоляционный материал (уретан), который за¬
тем прессуют для сокращения объема и используют как
доменное сырье. В магнитном сепараторе отделяют чер¬
ный металл и утилизируют в производстве чугуна. Весь
пластик, на который приходится около 30% массы мате¬
риалов электробытовых приборов, используется в каче¬
стве доменного сырья.
Фирма Japan Recycling построила на территории ме¬
таллургического комбината в Тибе систему переработки
пищевых отходов в биомассу процессом Bigadan метано¬
вой ферментацией. Переработка начата в 2003 г. Мощ¬
ность оборудования для переработки пищевых отходов
равна 30 т/сут, оно позволяет вырабатывать 4700 м3/сут
биогаза с содержанием метана около 60%. Биогаз исполь¬
зуется в качестве добавки к доменному дутью.
УТИЛИЗАЦИЯ ШЛАМОВ
ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МДП
Среди многочисленных промышленных отходов осо¬
бое место занимают шламы гальванического производ¬
ства. Они содержат высокотоксичные металлы: кадмий,
кобальт, никель, цинк, хром, свинец.
Несмотря на значительное снижение объемов гальва¬
нического производства в последние 20 лет, проблема ути¬
лизации шламов и сбросных вод гальванических цехов
остается для РФ одной на наиболее важных. Согласно Фе¬
деральной целевой программе «Отходы» они относятся к
первому классу токсичности и выделяются в отдельную
группу по проблематике утилизации и безопасного захо¬
ронения. Ситуация заметно осложняется в связи с нали¬
чием большого количества учтенных и неучтенных захо¬
ронений шламов на местах бывших гальванических про¬
изводств.
252
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
В передовых индустриальных странах захоронение
опасных промышленных отходов стоит очень дорого, по¬
этому гальваношламы там перерабатываются с выделени¬
ем меди, никеля и цинка. Однако проблемы существуют и
здесь: непрерывное ужесточение нормативных требований
к качеству сбросных вод гальванических производств к
настоящему времени привело по существу к исчерпанию
технических возможностей традиционных технологий их
реагентной очистки. Достаточно сказать, что требуемая
остаточная концентрация ионов меди и цинка в очищен¬
ных стоках гальванических производств в соответствии
со стандартами стран Западной Европы, США и Японии
должна быть существенно ниже допустимого их содержа¬
ния в питьевой воде.
Между тем практика последних лет опровергает воз¬
можность создания бессточных гальванических произ¬
водств, что в совокупности с требованиями об обязатель¬
ном разделении локальных стоков с организацией замк¬
нутых циклов водопользования заставляет искать новые
пути утилизации гальваноотходов. В лучшем случае со¬
временные малоотходные технологии гальванического
производства позволяют существенно снизить расход по¬
требляемой и сбрасываемой воды, но количество гальва¬
ношламов при этом остается таким же, как это было до
предпринятых мер. В целом можно констатировать, что
используемые в настоящее время методы очистки сточ¬
ных вод и локальных стоков в гальванотехнике: реагент¬
ные, электрохимические, ионообменные, мембранные,
дистилляционные и др. — являются дорогостоящими, тре¬
буют значительных капиталовложений и дополнительных
производственных площадей и не решают кардинальным
образом проблему снижения нагрузки на окружающую
природную среду.
В шламах гальванического производства металлы
чаще всего присутствуют в виде гидроксидов, оксидов,
неорганических солей и органических комплексов. В пос¬
ледние годы их состав значительно усложнился вследствие
применения способа очистки сточных вод методом элект¬
рокоагуляции с использованием стального скрапа в каче¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
253
стве растворимого анода. В результате образующиеся шла¬
мы содержат не только соединения металлов, используе¬
мых в гальваническом производстве, но и входящих в
состав вышеупомянутого скрапа, т. е. по своему хими¬
ческому составу и металлургическим свойствам близки к
полиметаллическим рудам.
Переработка гальваношламов должна включать обя¬
зательное выделение по крайней мире 10-15 ценных ме¬
таллов, а не 2-3, как это имеет место сейчас, даже при
применении передовых технологий.
Поскольку применение мелкодисперсных материалов
в большинстве пирометаллургических агрегатов требует
их предварительной подготовки, были проведены опыты
по возможности окускования гальваношламов методами
брикетирования и агломерации. Брикеты из прокален¬
ных при 700°С в нейтральной атмосфере гальваношла¬
мов показали плохую прессуемость даже при высоких
давлениях. Использование гальваношламов в качестве
добавки к шихте для производства доменного агломерата
(до 20% масс.) не привело к значительным изменениям ос¬
новных показателей процесса агломерации. Однако изве¬
стно, что повышение доли гальваношламов в аглошихте
приводит к увеличению содержания цинка и щелочей в
агломерате, что неблагоприятно сказывается на протека¬
нии доменного процесса и других металлургических пе¬
ределов. Таким образом, агломерация гальваношламов не
решает в полной мере проблему их утилизации.
Наиболее целесообразной представляется следующая
технологическая схема переработки гальваношламов пи-
рометаллургическими методами (см. рис. 5.43).
Сырой гальваношлам в виде пульпы собирается в ре¬
акторе и смешивается при необходимости с другими из¬
мельченными компонентами шихты: коксиком, желези¬
стыми кварцитами и известняком. После обработки в цен¬
трифуге с целью удаления влаги смесь гальваношлама
(влажностью 20-30%) с коксовой мелочью загружают в
приемный бункер. Далее смесь обрабатывается с помощью
пресса, обеспечивающего ее прохождение через насадку с
отверстиями диаметром до 5 мм. Это дает возможность
Отходящий газ
А
Рис. 5.43
Принципиальная схема комплексной переработки шламов гальванических производств на базе доменной печи
254 ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ производств
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
255
образования кипящего слоя в печи при температуре до
950-1000°С.
Получаемые влажные брикеты попадают на ленту пла¬
стинчатого транспортера сушильной установки, проходя
через которую, подсушиваются отходящими газами из ре¬
актора с кипящим слоем до влажности 1-1,5%. Подго¬
товленные таким образом брикеты поступают в двухподо¬
вую установку с кипящим слоем. Металлизированные
брикеты из печи с кипящим слоем подвергаются горяче¬
му прессованию, в результате чего получаемые «прессов¬
ки» можно использовать для выплавки легированных и
специальных чугунов или лигатур. Железистый кварцит
и известняк могут добавляться в исходную шихту для
поддержания содержания железа в подготовленном для
плавки продукте на уровне 24-35% масс, и основности
1,0-1,3.
Поступающий в печь с кипящим слоем горячий вос¬
становительный газ (с температурой около 1050°С) обес¬
печивает температурный уровень процесса, при котором
некоторые элементы возгоняются и переходят в газовую
фазу. К легковозгоняемым элементам, входящим в состав
гальваношлама, относится германий, селен, мышьяк, на¬
трий, калий, кадмий, свинец и цинк. Таким образом, в пе¬
чи с кипящим слоем происходит не только восстановле¬
ние и обогащение легковосстановимых оксидов и железа,
но и селективное разделение элементов.
Лабораторные опыты по улавливанию вышеупомяну¬
тых возгонов позволяют сделать вывод о возможности их
использования в качестве сырья для цветной металлур¬
гии в виде обогащенных соответствующими элементами
концентратов.
Показатели доменного процесса с использованием прес¬
совок из металлизированных гальваношламов определя¬
лись расчетным путем. Анализ полученных результатов
показывает, что при использовании в доменной шихте до
60% металлизированного продукта химический состав
выплавляемого металла будет близок к некоторым мар¬
кам хромоникелиевых чугунов (Ni > 0,5; Сг < 3,5; Si > 0,75;
Мп > 0,6; Р < 0,5; S < 0,05). При дальнейшем увеличении
256
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
расхода металлизированного продукта, получаемого из
смеси гальваношламов, химический состав выплавляемо¬
го в доменной печи металла аналогичен химическому со¬
ставу чернового ферроникеля, получаемого в рудовосста¬
новительных печах.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАГРАНОК
ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ЦИНКОСОДЕРЖАЩИХ ПЫЛЕЙ
Пыль, шламы, прокатная окалина и другие побочные
продукты металлургических процессов на заводе с полным
циклом большей частью утилизируются на агломерацион¬
ных фабриках. Доля этого использования на крупных ме¬
таллургических заводах Европы и Японии в настоящее вре¬
мя достигает 80%. Как правило, не перерабатываются на
агломерационных фабриках продукты, содержащие цинк,
свинец, другие тяжелые металлы, щелочи, масла. Наи¬
большей трудоемкостью отличается оборотное использо¬
вание пыли и шламов с высоким содержанием цинка, вы¬
ход которых в металлургическом производстве особенно
велик.
Проблема утилизации пылей и шламов приобретает
особое значение в связи с увеличением выплавки стали в
дуговых исчах с применением амортизационного металло¬
лома. Его оборотное использование сопровождается увели¬
чением загрязнения стали такими цветными металлами,
как медь, олово, хром, никель, мышьяк, сурьма, висмут
и др. При этом цинк и свинец испаряются из металличес¬
кой ванны и подвергаются повторному окислению в пото¬
ке отходящего газа.
Наибольшее количество пыли накапливается в аппа¬
ратах грубой очистки технологических газов. Даже на
передовых электрометаллургических печах промышлен¬
но развитых стран выход уловленной пыли составляет не
менее 12-15 кг на 1 т стали. Таким образом, в мире в це¬
лом образуется до 4 млн т пыли электродуговых печей
ежегодно. Содержание некоторых элементов пыли элект¬
родуговых печей Японии, Германии и США (по данным
Организации экономического сотрудничества и развития),
приведено ниже, %масс.:
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
257
Компонент
Zn
Fe
Pb
С
Mn
Cr
Mo
Cu
Содержание
18-
30
25-
36
2,2-
3,5
3-4
2-3
0,6-
1,0
0,2-
0,4
0,1-
0,2
Из приведенных данных следует, что в пыль ежегодно
попадает около 1 млн т цинка. Это обусловлено тем, что в
электродуговой печи происходит активная возгонка цин¬
ка как из твердого металлолома, так и из жидких матери¬
алов.
Большое количество технологий в разных странах
мира находятся в стадии разработки и опытно-промыш¬
ленных испытаний. Большинством исследователей наи¬
более перспективными признаются технологии рецирку¬
ляции пыли электродуговых печей в шахтных агрегатах
с коксовой насадкой, прежде всего в ваграночных печах.
Производство литейного и передельного товарного чу¬
гуна в вагранках в индустриальных странах в настоящее
время становится все более привлекательным. Хорошо
зарекомендовавшие себя вагранки с горячим дутьем рабо¬
тают с производительностью до 100 т/ч. Вагранка OxiCup
позволяет получать передельный чугун из отходов метал¬
лургического производства (шламы и пыли) с применени¬
ем «самовосстанавливающегося агломерата». Еще одним
решением по переработке отходов в литейных цехах в ваг¬
ранке, работающей на 100% кислорода, является процесс
KSK (Krcislauf gas — Sauerstoff — Kupolfen).
В вагранках можно перерабатывать большие количе¬
ства цинка, которые получают из автомобильном лома
или собственных отходов сталеплавильного производ¬
ства. Низкая цена такого материала с повышенным со¬
держанием цинка в сочетании с выгодой от продажи пыли,
обогащенной цинком, на заводе по извлечению этого ме¬
талла может, по мнению специалистов фирмы «Kuttner»,
значительно повысить экономичность производства.
В последние годы были разработаны новые техноло¬
гии, обеспечивающие рециклинг в вагранках разнообраз¬
ных вторичных материалов. В основном это процессы вду¬
вания сухих мелких гранулированных частиц (обычно
пыли) и методы брикетирования сухих и влажных отходов.
258
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
В настоящее время имеется несколько способов рециклин-
га пыли вдуванием через фурмы. В цехах с вагранками
успешно применена система с использованием принципа
отсасывания при помощи насадки Вентури. Чтобы избе¬
жать прилипания в подводящих трактах и в транспорти¬
рующем оборудовании, цинкосодержащую пыль из сис¬
темы газоочистки вагранки перед ее вдуванием обычно
смешивают с коксовой мелочью или нефтекоксом. Этот
мелкогранулированный коксик заменяет литейный кокс,
что также повышает экономичность.
Типичным показателем является переработка 1600
кг/ч пыли и нефтекокса в вагранке с горячим дутьем для
плавки лома производительностью 40 т/ч. Содержание
цинка в пыли достигает при этом 40%.
В качестве альтернативы для вдувания пыли были раз¬
работаны различные способы агломерации и брикетиро¬
вания. Если необходимо подвергнуть рециклингу влаж¬
ные остаточные материалы, например кек из фильтров
мокрой системы газоочистки, наиболее подходящим спо¬
собом считается компактирование. Однако в большинстве
случаев для получения устойчивых брикетов использует¬
ся связка, в качестве которой опробованы цемент, сили¬
кат натрия (жидкое стекло), меласса и некоторые другие
вещества.
Большие количества окисленных вторичных матери¬
алов могут быть переработаны в вагранке в форме «само-
восстанавливающихся» агломератов или «углеродистых»
брикетов. Эти кусковые материалы могут содержать от¬
ходы сталеплавильных цехов, рудную мелочь и практи¬
чески любые другие мелкодисперсные железосодержа¬
щие материалы. В компактированной порошковой смеси
углеродистого брикета восстановление оксидов и окисле¬
ние углерода происходят через промежуточные продук¬
ты реакции СО и С02. Исследования показывают, что об¬
щая степень восстановления оксидов железа определя¬
ется в первую очередь степенью окисления углерода в
смесь С02 и СО, которая преобладает в порах между час¬
тицами. При 1400°С соблюдается самая высокая скорость
реакции.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
259
Вагранка OxiCup. Технология OxiCup впервые была
реализована в промышленном масштабе на заводе Thys-
senKruppStabl (TKS) в Дуйсбурге (Германия) в 1999 г.
В верхней части печи установлена дозирующая ворон¬
ка для загрузки шихты, а перед ней размещена кольцевая
камера для выхода газа. При таком устройстве печь рабо¬
тает без отходящих газов в верхней части. Средняя часть
печи предназначена для предварительного подогрева ших¬
ты и в конечном счете для расплавления компонентов, из
которых образуются чугун и шлак. Нижняя часть пред¬
ставляет собой горн и разделитель чугуна и шлака.
Нижняя часть заполнена коксом (коксовая насадка).
Горячее дутье температурой 500-600°С и кислород вдува¬
ют через коксовую насадку для получения высоких тем¬
ператур (выше 2000°С), при которых происходят перегрев
и науглероживание капель жидкого металла при их кон¬
такте с коксом.
В зависимости от состава отходов, качества кокса, за¬
данного состава чугуна, состава шлака и потерь тепла при
охлаждении фурм и корпуса требуется примерно 800 м3
горячего дутья и 100 м3 кислорода для сжигания 15-20%
кокса на 1 т шихты. Опыт применения данной техноло¬
гии показывает, что одна шахтная печь OxiCup способна
переработать практически все трудноутилизируемые от¬
ходы и побочные продукты одного комбината или ряда
заводов. В такой печи можно перерабатывать материалы
с высоким содержанием цинка из текущих и накоплен¬
ных отходов металлургического производства или авто¬
мобильного лома.
OxiCup позволяет также перерабатывать без дополни¬
тельной подготовки такие тяжеловесные материалы, как
настыли или металлические фракции шлака десульфура¬
ции. Ограничения по размеру перерабатываемых матери¬
алов зависят от размеров печи и достигают 600-800 мм
для настылей и 400x400x400 мм для пакетированных ма¬
териалов (например, легковесного автолома).
Ваграночные процессы MR-OCF (multi role — oxygen
cupola furnace) и KSK (Krcislaufgas — Sauerstoff — Ku-
polfen). Многоцелевая вагранка с кислородным дутьем
260
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
представляет собой обогреваемую коксом шахтную печь,
работающую на дутье из чистого кислорода. Колошнико¬
вый газ возвращают в процесс, а отходящие газы отводят
из зоны с температурой 800-1000°С. Отсутствие азотного
балласта позволяет добиться высокого энергетического
коэффициента полезного действия.
Отходы, опускающиеся в шахтную печь вместе с обыч¬
ными шихтовыми материалами, нагреваются в восстано¬
вительной атмосфере в противотоке. При этом происхо¬
дит разложение органических компонентов, вследствие
чего газ в нижней части шахты обогащается продуктами
газификации. Весь шахтный газ улавливается и вместе с
кислородом снова подается в фурмы. При этом приходится
мириться с тем, что в вагранку поступает подсасываемый
через колошник атмосферный воздух. Отсос из шахты осу¬
ществляется в результате эжекции потоков кислорода, по¬
ступающего в специальные горелки с направленными со¬
плами. В турбулентном потоке кислорода имеющиеся в
циркулирующем газе продукты пиролиза сгорают прак¬
тически полностью. Продукты сгорания разлагаются в
примыкающей зоне восстановления в результате гетеро¬
генных реакций, а продукты реакций снова оказываются
в шахтном газе. Так как газ отсасывается в зоне, где раз¬
ложение органических компонентов материалов, загру¬
жаемых через колошник, уже завершается, отходящие
газы практически не содержат углеводородов и других
органических соединений.
Таким образом, кислородная вагранка обеспечивает
благоприятные условия для расплавления различных ма¬
териалов, связанных или смешанных с ломом (например,
промасленного или имеющего пластмассовое покрытие
лома, лома с красочным, резиновым или цинковым по¬
крытием). Такую вагранку можно использовать и для эко¬
логически чистой переработки отходов других отраслей
промышленности, например старых автомобильных шин,
пыли из фильтров или высушенного шлама из осветли-
тельных установок.
В результате циркуляции обезвоженного шлама из ус¬
тановок мокрой газоочистки, а также пыли с фильтровали-
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
261
ной установки концентрация ZnO в пыли достигает 40%.
Обогащение цинком поддерживается также вдуванием
или эжекцией пыли из электропечей или загрузкой через
колошник окатышей, изготовленных из пыли электроста¬
лей лавильных печей. Таким образом, в вагранке получа¬
ют ценный материал для цинковой промышленности. Не¬
значительное количество балластного азота в отходящих
газах дает возможность усовершенствовать известный из
доменного производства «энергетический контур цирку¬
ляции».
Отходящие газы с теплотой сгорания до 7350 кДж/м3
пригодны для перевода их энергии в электрическую. При
этом получают такое количество электроэнергии, что ее
хватает не только для удовлетворения потребностей ваг¬
раночного цеха, но и для снабжения энергией собствен¬
ной кислородной установки. Таким образом, необходимый
для процесса кислород получают за счет энергии отходя¬
щих газов установки.
Ваграночный процесс KSK представляет собой дальней¬
шее усовершенствование кислородной вагранки MR-OCF.
Процесс KSK очень похож на технологию процесса в ваг¬
ранке с горячим дутьем или в кислородной вагранке OxiCup:
есть аналогия и в поведении цинка, и в рециклинге пыли.
В дополнение к процессу переработки загрязненного лома
здесь возможен процесс переработки и других промыш¬
ленных отходов, например отслуживших автомобильных
покрышек, пыли из фильтров и высушенного канализа¬
ционного шлама.
ПРОЦЕСС STAR
STAR — процесс восстановительной плавки в плотно
упакованном слое кокса — представляет собой разработ¬
ку лаборатории производства чугуна фирмы Kawasaki
Steel. Установка была запущена в эксплуатацию в 1994 г.
Первоначально процесс был разработан с целью производ¬
ства ферросплавов посредством плавления рудной мелочи
без предварительною спекания. Однако в промышленном
масштабе процесс STAR применили для рециркуляции
пыли, образующейся в ходе кислородно-конвертерного
262
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
производства коррозионно-стойких сталей. В настоящее вре¬
мя достигнут уровень производительности 150-160 т/сут.
STAR-процесс отличается следующими характерны¬
ми особенностями:
• применение шахтной печи, заполненной плотноупа-
кованным коксом;
• оснащение шахтной печи двухуровневыми фурмами;
• непосредственное использование тонкодисперсных
сырьевых материалов без их предварительной агло¬
мерации.
Тонкодисперсный сырьевой материал вдувают через
верхние фурмы, после чего он плавится непосредственно
в зоне циркуляции кокса. В области между двумя уровня¬
ми фурм образуется высокотемпературная восстанови¬
тельная зона, поскольку шахтная печь обеспечивает хо¬
роший теплообмен между восходящим потоком газа и
опускающимся коксом. Жидкие оксиды сырьевого мате¬
риала восстанавливаются до металла по мере того, как сте¬
кают через высокотемпературный плотноупакованный
слой кокса. Восстановленный жидкий металл и шлак сте¬
кают по направлению к поду печи, а элементы с высоким
давлением пара, включая цинк и свинец, испаряются и
выносятся через колошник печи. В процессе восстанови¬
тельной плавки используется мелкий кокс, обладающий
низкой прочностью.
Для одновременной регенерации цинка и железа из
пыли электродуговых печей на установке смонтирован
один комплект двухуровневых фурм, через которые пода¬
ют горячее дутье, обогащенное кислородом. Пыль элект¬
родуговых печей вдувают пневматически через верхнюю
фурму вместе с флюсом, который применяется для регу¬
лирования состава шлака. Жидкий металл и шлак выте¬
кают из горна.
Пары цинка, удаляемые вместе с отходящим газом,
быстро охлаждаются водой, подаваемой из распылителя,
с образованием цинкового шлама, который улавливается
в скруббере Вентури. Из этого шлама регенерируют цинк.
Колошниковый газ состоит главным образом из моноок¬
сида углерода и азота и используется в качестве топлива.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
263
ПЕРЕРАБОТКА СТАЛЬНОГО ЛОМА (СКРАПА)
Стальной лом широко применяют в сталеплавильном
производстве: мартеновском, конвертерном, электроплавке.
На 1 т стали в среднем расходуется 0,35-0,40 т стального
лома, 30-40% составляет оборотный лом металлургических
заводов. Лом тщательно сортируют, отделяя легированный
от нелегированного, разделяя по крупности. Негабаритный
лом измельчают на копрах или подрывают его. Мелкие от¬
ходы — тонкий лист, стружка и другой легковес пакетиру¬
ют на механических или более мощных пакетир-прессах.
Чугунный скрап обычно используют в мартеновских
печах. Мартеновский процесс позволяет перерабатывать
разнообразные шихты (смеси) по соотношению в них чугуна
и скрала. Благодаря ему можно получить литую сталь плав¬
лением лома и чугуна на поду ванны отражательной печи.
Превращение чугуна в сталь предполагает окисление
его примесей, следовательно, процесс должен быть окис¬
лительным и в мартеновской печи должны создаваться
окислительные условия. Мартеновская печь является
пламенной отражательной печью. Ее принципиальная
схема представлена на рисунке 5.44. Температура в печи
Рис. 5.44
Принципиальная схема мартеновской печи, отапливаемой газом:
1 — мартеновская печь; 2 — шлаковики; 3 — регенераторы; 4 — тарельчатый воз¬
душный клапан; 5 — дымовые шиберы; в — тарельчатый газовый клапан; 7 —
дымовой клапан; 8 — дымовой шибер; 9 — вентилятор; 10 — труба.
264
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
составляет 1690-1830°С (на выходе из печи температура
газообразных продуктов — 1650-1670°С).
Скрап-процесс. Основная составляющая шихты —
стальной лом, чугуна в шихте 26-45%. Наибольшее коли¬
чество железной руды вводят в печь после расплавления
шихты для интенсификации и регулировки окисления
примесей. Скрап-процессом можно работать на газовом и
жидком топливе (мазут), на твердом и жидком чугуне.
Выход жидкой стали по отношению к металлической час¬
ти шихты всегда менее 100% (93-95%).
Скрап-рудный процесс характерен для высокой доли
чугуна — от 45 до 80% массы металлической части ших¬
ты. В этом случае необходимо окислить больше количе¬
ства примесей чугуна. Окисление только за счет кислоро¬
да печной атмосферы чрезвычайно затянуло бы процесс,
поэтому в завалку (загрузку печи) дают твердые окисли¬
тели в виде богатой железной руды в количестве 12-30%
от массы металлической части шихты. При применении
кислорода в плавке доля железной руды падает. Кроме
того, окисление примесей после расплавления активизи¬
руют добавками железной руды на шлак.
В результате значительного расхода железной руды в
плавке выход жидкой стали по отношению к металличес¬
кой части шихты достигает 101-105%. Металлическая
часть шихты состоит из столь большой доли чугуна, что
необходимо применять жидкий чугун. Поэтому скрап-руд¬
ный процесс обычно осуществляют на заводах полного
металлургического цикла.
Существуют комбинированные способы переработки
скрапа, основанные на совместной работе нескольких аг¬
регатов (дуплекс- и триплекс-процессы).
Топливо для мартеновских печей. Мартеновские печи
различаются по применяемому топливу.
Большая часть мартеновских печей работает на сме¬
шанном газовом топливе — смеси доменного и коксового
газов, при этом возможна добавка других газов. Принци¬
пиальная схема мартеновской печи, отапливаемой газом,
приведена на рисунке 5.44. Мартеновские печи могут так¬
же отапливаться высококалорийным газом (коксовым или
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
265
природным). В недавнем прошлом имели большое распро¬
странение мартеновские печи, отапливаемые мазутом.
Переработка скрапа в кислородно-конверторном про¬
цессе. Кислородно-конвенторный процесс выплавки стали
из жидкого чугуна проводят в глуходонных конвертерах
01650
Рис. 5.45
Кислородный конвертер емкостью 100-130 т
266
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
с подачей кислорода под большим давлением вертикаль¬
но сверху. Общий вид такого конвертера представлен на
рисунке 5.45.
Кислородно-конверторный процесс обладает многими
преимуществами среди других аналогичных процессов, в
частности обладает высокой производительностью. Так,
в 55-тонном конвертере выплавляется в год больше ста¬
ли, чем в 500-тонной мартеновской печи, а в 100-тонном
конвертере столько же, сколько в 900-тонной мартеновс¬
кой печи, работающей с применением кислорода. Кроме
того, капитальные затраты на 1 т стали в конвертерных
цехах (с учетом смежных участков) в 1,3-1,7 раза мень¬
ше, чем в мартеновских цехах, и в 1,7-1,8 раза меньше,
чем в элетросталеплавильных цехах.
Исходными материалами кислородно-конвертерной
плавки являются: жидкий чугун, скрап, железная руда,
известь, разжижающие добавки.
Добавляемый в качестве железосодержащего и охлаж¬
дающего материала скрап должен быть в кусках, не пре¬
вышающих определенных размеров и массы. Максималь¬
ный размер кусков 200x200x600 мм (масса до 150-200 кг).
Размеры кусков скрапа необходимо согласовать со скоро¬
стью их растворения в жидком металле.
Максимальное количество добавляемого скрапа дос¬
тигает 25-30% от массы жидкого чугуна.
Укажем, что температура процесса плавки в реакци¬
онной зоне составляет приблизительно 2200-2400°С. Кис¬
лородно-конверторным способом можно получать не толь¬
ко обычные углеродистые, но и легированные стали.
Переработка скрапа в электропечах. В электропечах
выплавляются преимущественно высококачественные
стали — инструментальные, нержавеющие, жаропрочные
и жаростойкие, конструкционные, а также сплавы с осо¬
быми свойствами. Для их производства используются ду¬
говые и индукционные печи, а также (в меньших масшта¬
бах) установки электрошлакового переплава, вакуумные
индукционные и вакуумные дуговые печи, плазменные
дуговые и электронно-лучевые печи. Основное количество
электростали выплавляется в дуговых печах.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
267
Наибольшее распространение получили трехфазные
печи с тремя электродами и непроводящей садкой. В них
электрические дуги горят между каждым из электродов и
металлической садкой (загрузкой). Нагрев металла про¬
исходит в основном за счет тепла, излучаемого дугами.
В РФ используются печи емкостью 0,5-400 т.
При производстве стали в электропечах используют¬
ся: стальной лом, шихтовая заготовка, легированные ме-
таллоотходы, губчатое железо, чугун передельный (кок¬
совый) и древесно-угольный, шлакообразующие, легиру¬
ющие добавки и раскислители.
Стальной (электропечной) лом не должен быть загряз¬
нен никелем, медью и мышьяком. Содержание фосфора
не выше 0,05%. Габариты отдельных кусков не должны
превышать 600x350x250 мм. Желательно сортировать и
хранить отдельно мелкий, средний и крупный лом.
Легированный лом, в зависимости от состава, сорти¬
руется по 46 группам. По степени легковесности и харак¬
теру отдельных кусков он подразделяется на три класса:
брикеты, стружку и обсечку. При наличии смешанных и
чрезмерно легковесных отходов производится предвари¬
тельный переплав их на паспортную или шихтовую бол¬
ванку определенного химического состава, которая так¬
же добавляется в шихту электропечей. Температура плав¬
ки зависит от сорта выплавляемой стали и составляет:
1590-1600°С для высокоуглеродистых сталей и 1630-
1640°С для конструкционных сталей.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
ДЛЯ АВТОРЕЦИКЛИНГА
Автомобилестроение является отраслью индустрии,
в которой внедрение инновационных технологий осуще¬
ствляется наиболее быстрыми темпами. В мире эксплуати¬
руется более 800 млн автомобилей, около 8% из них еже¬
годно выводятся из эксплуатации. В 2008 г. в мире было
произведено 70,5 млн новых автотранспортных средств,
в том числе легковых автомобилей 52,6 млн единиц.
Современный автомобиль имеет срок эксплуатации, ко¬
торый в первую очередь определяется моральным износом.
268
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Ежегодно примерно 50 млн автомобилей выводится из сфе¬
ры потребления. Также ежегодно в результате ремонта и
технического обслуживания автомобилей образуется по¬
чти 50 млн т отходов и техногенных материалов. Наиболь¬
шие трудности для утилизации представляют неметалли¬
ческие автомобильные компоненты. Это изделия из пласт¬
массы, резины, стекла, обивка. Введенные в Европе и
многих других странах мира законы и стандарты по эко¬
логической безопасности автомобилей распространяются
и на стадию утилизации отслуживших автомобилей, их
компонентов и материалов, требуя организации системы
авторециклинга.
Утилизация старых автомобилей невозможна без раз¬
вития инфраструктуры и законодательной базы для рег¬
ламентации взаимодействия всех участников процесса и
установления нормативно-правовых отношений. Наиболь¬
шие организационные проблемы вызывают первые шаги
на пути утилизации отслуживших автомобилей — процес¬
сы оформления необходимых документов, передачи ста¬
рых автомобилей в центры утилизации, сбор, транспор¬
тировка, проведение экологически безопасного демонта¬
жа, слива эксплуатационных жидкостей. Чтобы система
заработала, необходимо, чтобы владельцы старых автомо¬
билей захотели их отдать, а центры приемки были готовы
и заинтересованы их принять.
За последние 10-15 лет в большинстве промышленно
развитых стран мира были организованы системы сбора и
переработки изношенных автомобильных деталей и отслу¬
живших автомобилей. В США, Канаде, Японии и Запад¬
ной Европе ежегодно утилизируется около 35 млн авто¬
мобилей. Статистические данные европейских стран по¬
казывают, что общий объем ежегодно поступающих на
переработку ВЭА в странах ЕС составляет более 10 млн т.
Общепризнано, что среди продукции массового производ¬
ства легковые автомобили являются наиболее охваченны¬
ми системой утилизации в конце жизненного цикла, несмот¬
ря на сложность конструкции и многообразие применяемых
материалов (коэффициент вторичной переработки в неко¬
торых странах достигает 85% от массы автомобиля).
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
269
Вместе с тем для России и многих других стран, не об¬
ладающих развитой системой авторециклинга, вышедшие
из эксплуатации автомобили представляют серьезную эко¬
логическую проблему. В изношенном автомобиле содер¬
жатся: черные и цветные металлы, пластмассы и резино¬
технические изделия, стекло и керамика, дерево и кар¬
тон, текстильные и битумные материалы и др. Вышедшие
из эксплуатации автомобили (ВЭА) сегодня представля¬
ют собой один из самых неблагоприятных факторов с точ¬
ки зрения экологической, личной и общественной безо¬
пасности.
В развитых странах используется следующая принци¬
пиальная технологическая схема переработки амортизи¬
рованных автомобилей:
1) слив с помощью мобильных установок топливно¬
смазочных материалов, освобождение бензобаков, тормоз¬
ной, отопительной, охлаждающей систем от взрывоопас¬
ных и токсичных жидких материалов;
2) разукомплектование автомобилей с предваритель¬
ной сортировкой на черные и цветные металлы, стекло,
пластмассу, резину. Применяют мобильные прессы для
прессования кузовов автомобилей на площадках их вре¬
менного хранения для более эффективной загрузки авто¬
мобильного лома при транспортировке на перерабатываю¬
щие предприятия;
3) измельчение непригодных для использования де¬
талей автомобилей на шредерных установках роторного
типа, очистка их от пыли и грязи, сортировка и отделе¬
ние неметаллических частей;
4) брикетирование вторичных материалов из амортизи¬
рованных автомобилей с применением мобильных прессов;
5) для переработки лома автомобилей, рама которых
изготовлена из деформируемых алюминиевых сплавов,
применяется процесс импульсного распыления. Он позво¬
ляет получать гранулы алюминиевого сплава размером
0,325-0,550 мм для последующей обработки методами
порошковой металлургии.
Шредирование. Шредерная установка (см. рис. 5.46) со¬
стоит из загрузочного устройства: дробилки; комплекса
270
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.46
Процессы и материалы шредерной переработки
оборудования для сортировки, включающего воздушный и
магнитный сепаратор: системы конвейеров; электроприво¬
да и гидропривода; системы пылеулавливания; пульта уп¬
равления. Загрузочное устройство включает опрокидываю¬
щий лоток и подающие валки. Автомобиль краном ставится
на пластинчатый транспортер, которым подается в загру¬
зочное устройство. После переворачивания лотка автомо¬
биль поступает на вход дробилки. На входе приводные вал¬
ки захватывают кузов, сминают его и подают на дробление.
После шредирования получают фракции:
• шрот — крупные куски черных металлов;
• магнитную фракцию — мелкие куски черных металлов;
• легкую фракцию (неметаллические материалы с низ¬
кой плотностью);
• фракцию, в которую входят цветные металлы: алю¬
миний, цинк, медь и нержавеющая сталь.
При измельчении автомобиля образуется большое ко¬
личество пыли полимерных и текстильных материалов,
имеющихся в машине, взрывоопасные смеси масел и ос¬
татков топлива, которые остаются после удаления их при
подготовке автомобиля к утилизации. Для предотвраще¬
ния возгорания и взрывов применяются защитные меры:
• подача инертных газов;
• подача воды в распыленном виде в рабочее простран¬
ство дробилки;
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
271
• использование в конструкции дробилки отсасываю¬
щих устройств.
Измельченные материалы кузова отводятся из дробил¬
ки вибрационным конвейером в шахту воздушного сепа¬
ратора для разделения металлической и неметаллической
фракций. Очистка стального лома от небольших частиц
цветных металлов и неметаллических примесей произво¬
дится в барабанном сепараторе с помощью воздушного
потока. После отделения более легких фракций в воздуш¬
ном сепараторе тяжелые частицы вибрационным питате¬
лем подаются на ленточный конвейер, где с помощью маг¬
нитного сепаратора происходит отделение частиц черных
металлов.
Очистка воздуха осуществляется сухим и мокрым спо¬
собами. Воздух вначале очищается с помощью циклонов
и мультициклонов со спиральными отводами воздуха.
Дальнейшая очистка происходит в скрубберах. Пыль из
циклона и шлам из скрубберов загружаются в контейне¬
ры для дальнейшей переработки либо для захоронения.
Для разделения цветных металлов авторециклинга в
промышленно развитых странах используются магнитные
и магнитно-импульсные сепараторы. Их применение ре¬
шает проблему извлечения цветных металлов с размера¬
ми частиц менее 50 мм при одновременном разделении
меди и алюминия с эффективностью 97,0%. Шредерная
пыль представляет собой фракцию размером до 3 мм. Как
правило, легкая фракция, шредерная пыль и мусор ути¬
лизируются совместно под общим названием «легкая»
фракция.
Утилизация легких фракций шредирования вдувани¬
ем в доменную печь. При переработке отслуживших ав¬
томобилей в шредерах около 25-30% массы автомобиля
выделяется в легкую фракцию. Она состоит из различ¬
ных групп материалов: термопластов, полиуретана, по¬
ливинилхлорида, эластомеров, дерева, волокнистых ма¬
териалов и материалов обшивки, а также стекла и кера¬
мики. Теплота сгорания — от 3,85 до 16 МДж/кг. Ниже
приведен средний состав автомобиля по группам матери¬
алов.
272
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Материалы
%
Термопласты, не содержащие хлора, в основном полипропилен,
полистирол, акрилбутадиенстирол, полиэтилен, полиамид
15
Поливинилхлорид (в основном пленка, искусственная кожа,
оболочка кабелей, защита дна пола кузова)
7
Полиуретан (вспененный)
8
Другие термопласты
4
Эластомеры (резина из матов, манжет и т. п.)
9
Дерево и материалы на основе целлюлозы (дерево, картон,
бумага и т. п.)
5
Другие волокнистые материалы и материалы обшивки (тек¬
стильные волокна, стеклянные волокна, кожа и т. п.)
7
Лаки
4
Стекло и керамика
15
Черные металлы
13
Медь
2
Алюминий
4
Другие компоненты и посторонние материалы (песок, пыль,
ржавчина и т. д.)
7
Морфологический состав пыли шрединг-установок
характеризуется следующими данными.
Морфологический состав пыли
%масс.
Пластмассы:
термопласты
18-23
поливинилхлориды
5—6
пены
5-8
эластомеры
17-20
Металлы:
черные
10-15
цветные
8-13
Другие материалы:
целлюлоза, дерево, картон
3-4
текстиль, стекловолокно, кожа
6-8
лаки
ДО 3
стекло и керамика
10-15
Химический состав легкой фракции из дезинтеграто¬
ров приведен ниже.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
273
Химический состав легкой фракции
%масс.
Общая влага
5-15
Остаток после прокаливания
25-65
Углерод
20-45
Водород
2-6
Азот
0,5-1,0
Сера
0,4-0,7
Хлор
0,5-3,0
Фтор
0,03-0,05
Первые промышленные опыты по вдуванию в домен¬
ную печь легкой фракции шредирования в количестве до
150 кг/т чугуна были проведены в доменном цехе фирмы
ЕКО Stahl GmbH в Айзенхюттенштадте при сотрудниче¬
стве Института технологии чугуна и стали Фрайбергской
горной академии, фирм Stein Injection Technology (Гевельс-
берг) и Carbofer Verfahrenstechnik (Меербуш). При вдува¬
нии легкой фракции концентрация тяжелых металлов в
сточных водах не превышала допустимых пределов, не
было отмечено никакого повышения содержания диокси¬
нов и фуранов.
В Японии для подготовки отходов шредирования к вду¬
ванию в доменные печи специально разработан процесс
Thcmio-bath. Он осуществляется в реакторе, наполненном
маслом, которое получают из каменноугольной смолы кок¬
сохимического производства. По разнице в удельной мас¬
се отходы разделяются на легкие фракции (пластмассы) и
осадок (металлы, стекло, песок): поливинилхлорид де¬
хлорируется.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
ДЛЯ РЕЦИКЛИНГА ЭЛЕКТРОННЫХ
И ЭЛЕКТРОБЫТОВЫХ ПРИБОРОВ (ЭЭО)
В настоящее время уже невозможно представить себе
отрасли потребления, в которых в той или иной мере не
использовались бы электрические и электронные прибо¬
ры. Одновременно с расширением сферы применения
274
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
электрического и электронного оборудования происходит
непрерывное насыщение этого сектора индустрии новы¬
ми технологиями, заставляющими все чаще обновлять ап¬
паратуру. В результате имеет место соответствующий рост
объемов отработавшей электрики и электроники, которые
в настоящее время являются самой быстрорастущей фрак¬
цией бытовых отходов. Их утилизация превращается в
одну из самых серьезных глобальных проблем современ¬
ной индустриальной цивилизации.
Точная оценка совокупного объема образования ЭЭО
затруднена, поскольку в разных странах учитываются раз¬
ные типы оборудования (а во многих государствах третье¬
го мира учет вообще отсутствует). По оценкам ЮНЕП (спе¬
циальная программа ООН по защите окружающей среды),
в 2008 г. объем электробытового и электронного мусора
на нашей планете в целом превысил 50 млн т. В последнее
десятилетие количество ЭЭО растет в среднем в три раза
быстрее, чем объемы любых других муниципальных от¬
ходов.
По прогнозу Международной ассоциации утилизации
электронной продукции, в 2010 г. устарело и перешло в
разряд ЭЭО только персональных компьютеров свыше
300 млн (что составило более 10 млн т). Между тем в на¬
стоящее время перерабатывается лишь около 15% этого
вида отходов и примерно столько же безопасно депониру¬
ется в развитых странах. Данное обстоятельство тем бо¬
лее удивительно, поскольку ЭЭО содержат как потенци¬
ально ценные, так и токсичные компоненты. Только в пос¬
ледние годы утилизация этих отходов стала приоритетным
направлением в политике стран ОЭСР (прежде всего в Япо¬
нии и Европе).
Японский опыт переработки ЭЭО является уникаль¬
ным, поскольку ориентируется на крупные предприятия
черной металлургии. В апреле 2001 г. в Японии вступил в
силу «Закон о рециклинге электробытовых приборов» (за¬
кон № 97 от 5 июня 1998 г.). Для предпринимательства в
этой сфере фирмы NKK (ныне входит в JFE Steel), Mitsui
Bussan и Sanyo Denki создали компанию NKK Trinikence
(в настоящее время — JGE Urban Recycle).
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
275
Таблица 5.22
Средний состав основных видов ЭЭО, по данным завода МЕТЕ С
компании Panasonic, по переработке бытовой техники
Вид ЭЭО
Сред-
няя
масса
Содержание основных компонентов, кг
Сталь
Медь
Алю¬
миний
Пласт¬
массы
Прочее
Холодильник
79,3
38,5
3,1
2,3
33,1
2,3
Кондиционер
30,0
16,5
5,1
2,1
3,3
3,0
Стиральная
машина
60,0
31,8
2,4
1,8
21,6
2,4
Телевизор*
29,4
2,8
0,9
0,3
8,1
1,4
Примечание. * Для телевизора также стекло 15,9 кг.
JGE Urban Recycle на территории Восточно-Японско¬
го металлургического комбината построен и в 2001 г. вве¬
ден в действие цех по переработке ЭЭО четырех типов (те¬
левизоры, стиральные машины, кондиционеры воздуха,
холодильники) общей годовой мощностью 800 тыс. еди¬
ниц. В структуре материалов этих четырех типов изделий
в среднем более 80% приходится на пластик, черные и
цветные металлы (табл. 5.22).
Участок ручного демонтажа оснащен подъемно-транс¬
портными устройствами для извлечения использованных
электробытовых приборов из специальных контейнеров
и переноса на рабочие места для ручной разборки. На уча¬
стке измельчения и сортировки расположены шредер, воз¬
душный сепаратор, магнитный сепаратор, сепаратор цвет¬
ных металлов, оборудование для переработки уретана и
извлечения фреона.
При переработке телевизоров снимают кабели, извле¬
кают из корпуса кинескоп. Пластмассовый корпус пере¬
рабатывают в сырье для доменной плавки. Из кинескопов
извлекают материалы для изготовления новых кинеско¬
пов. При ручной разборке холодильников и кондиционе¬
ров воздуха снимают, как и с телевизоров, пластмассовые
и другие детали и, кроме того, удаляют холодильный
агент. То, что остается после ручного демонтажа, загру¬
жают в шредер и подвергают механической сортировке.
В воздушном сепараторе отделяется теплоизоляционный
276
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
материал (уретан), который затем прессуют для сокраще¬
ния объема и используют как доменное сырье. В тепло-
изоляторе в качестве вспенивающего агента используют¬
ся фреон и другие вещества, поэтому на стадии измель¬
чения и сокращения объема отходящий газ подвергают
адсорбционной очистке активированным углем. Уловлен¬
ный фреон и другие вещества передают на переработку сто¬
ронней организации. В магнитном сепараторе отделяют
черные металлы, а в сепараторе цветных металлов — цвет¬
ные; металл утилизируют в производстве чугуна.
Важной особенностью описанной технологии, которая
в настоящее время применяется во всех металлургичес¬
ких центрах Японии, является использование большин¬
ства извлеченных вторичных ресурсов в металлургичес¬
ких процессах. В частности, пластик полностью исполь¬
зуется в качестве сырья для доменной плавки.
5.2.12.
РЕЦИКЛИНГ БУМАГИ И КАРТОНА
Бумажные отходы и отходы картона всегда были од¬
ними из наиболее распространенных материалов для ре-
циклинга. В РФ принята следующая классификация ма¬
кулатуры (ГОСТ 10700-89 «Макулатура бумажная и кар¬
тонная. Технические условия»),
1. Группа А — высший сорт бумаги (белая офисная
бумага, документы после шредирования) (рис. 5.47):
• МС-1А— отходы производства белой немелованной
бумаги для письма и печати (кроме газетной);
Рис. 5.47
Пример макулатуры группы А
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
277
• МС-2А — отходы производства всех видов белой бума¬
ги в виде обрезков с линовкой и черно-белой или цвет¬
ной полосой;
• МС-ЗА — отходы производства бумаги из сульфатной
небеленой целлюлозы;
• МС-4А — использованные бумажные мешки невлаго¬
прочные.
2. Группа Б — средний сорт бумаги (картон, книги,
журналы) (рис. 5.48):
• МС-5Б — отходы гофророкартона;
• МС-6Б — отходы производства картона всех видов с
печатью;
• МС-7Б — использованные книги, журналы, брошюры,
проспекты, каталоги, блокноты и другие виды поли¬
графической и бумажно-беловой продукции, изготов¬
ленные из белой бумаги, без переплетов, обложек и
корешков.
3. Группа В— низший сорт бумаги (газеты, гильзы,
пропитанный картон и т. д.) (см. рис. 5.49):
• МС-8В — отходы производства и потребления газет и
газетной бумаги;
• МС-9В — бумажные гильзы, шпули, втулки;
• МС-10В — литые изделия из бумажной массы;
Рис. 5.48
Пример макулатуры группы Б
278
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
• МС-11В — отходы производства и потребления бума¬
ги и картона с пропиткой и покрытием;
• МС-12В — отходы производства и потребления бума¬
ги и картона черного и коричневого цветов, бумага с
копировальным слоем и прочее;
• МС-13В — отходы производства и потребления различ¬
ных видов картона, белой и цветной бумаги (кроме чер¬
ного и коричневого цветов).
Рис. 5.49
Пример макулатуры группы В
Разделение макулатуры на 12 марок преследует цель
ее более рационального использования. При обосновании
состава марок макулатуры учитывались вид продукции
(бумага или картон), цвет (белый или небелый), состав по
волокну (целлюлоза, древесная масса), скорость роспуска
в воде и другие факторы.
В европейском отраслевом классификационном переч¬
не приводится 57 видов макулатурного сырья; аналогич¬
ные перечни существуют в США и Японии.
Каждый вид бумаги или картона может содержать в
составе своей композиции следующие первичные матери¬
алы — целлюлозу, древесную массу, наполнитель (чаще
всего каолин) и клей.
При производстве бумаги и картона большое значение
имеют как степень белизны и прочностные свойства во¬
локнистой массы, так и скорость ее обезвоживания при
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
279
отливе бумаги и картона. Последний показатель характе¬
ризуется степенью помола массы, которая зависит от ком¬
позиционного состава картонно-бумажной продукции.
Наибольшими прочностными свойствами обладает целлю¬
лоза. Видов целлюлозы достаточно много (хвойная, ли¬
ственная, беленая, небеленая и т. д.).
Таким образом, композиционный состав бумаги и кар¬
тона определяет направление их вторичного использования.
Далеко не каждая марка макулатуры может исполь¬
зоваться для выработки определенного вида бумаги, кар¬
тона или другой продукции.
Так, например, для выработки бугорчатых прокладок
для яиц крайне ограничено использование книжно-жур¬
нальной макулатуры и в основном используется газетная
макулатура.
Во всем мире признано, что наиболее эффективным
путем переработки картонно-бумажных отходов являет¬
ся их использование в производстве тароупаковочных ви¬
дов бумаги и картона, санитарно-гигиенической бумаги,
в производстве мягких кровельных материалов (руберо¬
ид, пергамин), в производстве бугорчатых прокладок.
Кроме того, макулатура используется в производстве во¬
локнистых плит и теплоизоляционных материалов.
В России макулатура используется в производстве око¬
ло 70 видов бумаги и картона.
Основная часть макулатуры (до 75%) используется для
производства туалетной бумаги и картона (коробочного,
тарного, гофрокартона). До 20% макулатуры использует¬
ся в производстве кровельных материалов. На территории
России имеются 27 предприятий, использующих макула¬
туру для производства бумаги и картона, и 14 предприя¬
тий используют макулатуру в производстве кровельных
материалов.
Макулатура является заменителем многих видов пер¬
вичного сырья и полуфабрикатов, таких как целлюлоза,
древесная масса, бумажная масса.
Предприятия по производству картона и бумаги, а так¬
же мягких кровельных материалов являются многотон¬
нажными, и все они используют мокрую технологию
280
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
производства. Эти предприятия потребляют основную
часть макулатуры (до 90%).
По сравнению с древесной и целлюлозной старая бу¬
мага имеет следующие преимущества: снижение потреб¬
ления энергии и воды, сокращение отходов, уменьшение
выбросов оксида углерода, отказ от ряда химических реа¬
гентов.
МОКРАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ПЕРЕРАБОТКИ МАКУЛАТУРЫ
Она включает следующие технологические операции:
• роспуск макулатуры;
• очистку макулатурной массы от посторонних примесей;
• дороспуск макулатурной массы;
• тонкую очистку макулатурной массы.
Роспуск макулатуры (суспендирование) на волокна
осуществляется в водной среде в гидроразбивателях при
концентрации 4-6%. Под действием гидромеханических
усилий происходит процесс измельчения макулатуры на
кусочки и разделение на волокна. Гидроразбиватели ос¬
нащены ситом с отверстиями (10-12 мм). Готовая суспен¬
зия макулатурной массы проходит через отверстия сита и
поступает на следующую операцию. В гидроразбивателях
происходит и отделение грубых включений из макулату¬
ры — тяжелые удаляются из специального грязесборни-
ка, а легкие — в виде текстиля и полимерных пленок уда¬
ляются либо в виде жгута постоянно, либо периодически.
Макулатурная масса после гидроразбивателя содержит как
волокна, так и нераспустившиеся кусочки макулатуры.
Далее макулатурная масса очищается от тяжелых и
легких примесей. Очистка от тяжелых примесей — пес¬
ка, стекла, скрепок и т. д. осуществляется в очистителях
макулатуры, представляющих из себя циклон. Тяжелые
примеси осаждаются в грязесборнике и периодически уда¬
ляются.
Легкие примеси в виде полимерных пленок и кусоч¬
ков макулатуры удаляются на вибросортировках с отвер¬
стием щелевого типа. Прошедшая сито макулатурная мас¬
са направляется на дальнейшую перегруппировку. Для
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
281
снижения потерь макулатурной массы во всех типах очи¬
стительного оборудования, как правило, подается вода.
Очищенная макулатурная масса, содержащая как ра¬
стительные волокна, так и пучки волокон и кусочки ма¬
кулатуры, проходит стадию дороспуска на специальном
оборудовании — энтштиперах различной конструкции
типа конических или дисковых мельниц. Необходимым
условием нормальной работы энтштиперов является тща¬
тельная предварительная очистка массы от тяжелых и
легких примесей. Статор и ротор энтштипера оснащены
специальной размалывающей гарнитурой, зазор между
которыми составляет 0,5-2 мм. В результате турбулент¬
ных пульсации и трения массы внутри потока происхо¬
дит разделение кусочков макулатуры и пучков волокон
на отдельные волокна. Дороспуск макулатурной массы
осуществляется на различного вида центробежных сорти¬
ровках, сортировках давления с круглыми или щелевы¬
ми отверстиями.
Отличительной особенностью конструкции центро¬
бежных сортировок является неподвижно расположенное
в корпусе цилиндрическое сито, внутри которого враща¬
ется лопастной ротор. Несортированная масса подается в
центральную часть сортировки, где она подхватывается
лопастями ротора и отбрасывается на внутреннюю поверх¬
ность сита. Прошедшие через сито волокна направляются
на дальнейшую переработку. Неразволокненные пучки
волокон и примеси продвигаются вперед и отводятся че¬
рез патрубок для удаления отходов. Сортировки в зависи¬
мости от конструкции и назначения работают как при
низкой (0,2 до 1,5%), так и при средней (до 2-3%) и высо¬
кой (4-5%) концентрации массы.
Примером роторной установки может служить устрой¬
ство для сортировки бумаги Vario (Германия). Оно обеспе¬
чивает надежное отсеивание лишних веществ, находя¬
щихся в старой бумаге. Два синхронно вращающихся в
противоположных направлениях коленчатых вала созда¬
ют необходимое для отсеивания движение сверху дони¬
зу. Специально установленные решетки обеспечивают
постоянное движение вперед подаваемых материалов,
282
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
а смонтированные выше разнонаправленные стальные по¬
лоски точно определяют требуемые размеры листов и ка¬
чество сортировки.
Одним из способов сортирования макулатурной массы
с целью ее более рационального использования является
фракционирование. Целью последнего является отделе¬
ние длинноволокнистой фракции макулатурной массы.
Как правило, длинноволокнистая фракция обогащена во¬
локнами хвойной целлюлозы, имеющими большую дли¬
ну, чем волокна древесной массы.
Для окончательной очистки макулатурной массы от
узелков и мелких точечных вкраплений широко применя¬
ются вихревые конические очистители, которые, как пра¬
вило, устанавливаются в три ступени. Оптимальная концен¬
трация массы для эффективной очистки составляет 0,5%.
Многие виды картона и бумаги имеют сложный состав,
включающий битум, воск, парафин, клей и другие веще¬
ства. Указанные вещества при переработке макулатуры
загрязняют оборудование, забивают сетки и сукна бумаго- и
картоноделательных машин, налипают на поверхность су¬
шильных цилиндров и т. д. Такая макулатура подвергается
термомеханической обработке, которая осуществляется пос¬
ле очистки макулатурной массы при концентрации 25-35%.
Целью термомеханической обработки является дисперги¬
рование примесей до размеров, при которых их отрица¬
тельное действие на процесс дальнейшей переработки не
сказывается. Существуют два способа термомеханической
обработки — холодный и горячий. При холодном способе
диспергирование проводится при атмосферном давлении
и температуре до 95°С, а при горячем — при повышенном
давлении до 0,3-0,5 МПа и температуре 130-150°С.
В зависимости от качества макулатуры и вида произ¬
водимой картонно-бумажной продукции некоторые из
указанных операций на практике могут быть исключены.
Мокрая технология переработки макулатуры харак¬
теризуется высокой энергоемкостью производства и вы¬
соким удельным расходом воды (до нескольких десятков
метров кубических на тонну продукции), а также боль¬
шим объемом сточных вод. Мощность указанных пред при-
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
283
ятий составляет от нескольких десятков тысяч тонн до
200 тыс. т в год.
Укажем, что доля вторичного волокна, полученного
из макулатуры и используемого в производстве бумаги и
картона, в США и Европе превышает 50%.
В зависимости от вида бумаги или картона, который
должен быть изготовлен, следует процесс удаления печат¬
ных красок. Печатные краски состоят из цветовых пиг¬
ментов (для черного цвета обычно используют сажу), ра¬
створителей на масляной, водной или спиртовой основе и
связующих масел или смол, которые связывают пигменты
и поверхность бумаги. Эти вещества должны быть раство¬
рены и удалены. В процессе удаления красок различают
следующие технологические этапы: растворение бумаги;
удаление мешающих веществ; отделение печатных красок.
В последние годы были разработаны две технологии
регенерации: флотационная и водная. При флотационной
технологии во флотационные ячейки бумажной массы
вводится вода, едкий натр и мыло. С помощью воздуш¬
ных сопел создается пена, к пузырькам которой прилеп¬
ляются элементы красок и выносятся на поверхность, где
вычерпываются. При использовании водной технологии
волокна от красок освобождаются механическим спосо¬
бом, при этом требуются многократный сброс воды из со¬
суда и повторное заполнение. Например, в Германии в на¬
стоящее время работают 20 таких установок суммарной
мощностью около 4,2 млн т/год.
В целом старая бумага на 95% используется в произ¬
водстве новой бумаги. Доля использованной бумаги зави¬
сит от соответствующего конечного продукта: отбеленная
и неотбеленная бумага состоит примерно на 75% из ста¬
рой бумаги, гигиеническая бумага — на 69% и картон —
на 79%. Гофрированная и газетная бумага полностью мо¬
гут изготовляться из старой бумаги. Старая бумага при¬
меняется в ограниченном объеме в строительных мате¬
риалах (волоконные, мостовые и гипсовые плиты) как
обивочный материал; идет на изготовление почтовых кон¬
вертов, цветочных горшков, заменяет полистирол в кар¬
тонной упаковке и т. д.
284
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
ПЕРЕРАБОТКА МАКУЛАТУРЫ
В УПАКОВОЧНЫЙ (КОРОБКИ) КАРТОН
Коробочный картон используют для изготовления по¬
требительской упаковки. Существуют следующие виды
упаковочного картона:
• SBS — картон, который чаще всего используется для
изготовления парфюмерной и сигаретной упаковки,
а также для производства рекламной продукции;
• GC, GT — картон для производства кондитерских и
фармацевтических упаковок;
• GD — картон для потребительской тары массового про¬
изводства;
• GK — картон для производства упаковки и изделий
без нанесения печати.
Укажем, что картон — один из немногих материалов,
хорошо поддающийся вторичной переработке. В основном
из него изготавливают макулатурный картон, который на
сегодня во всем мире считается самым перспективным упа¬
ковочным материалом ближайшего времени.
Примером переработки картонной упаковки может
служить следующая технология. В Финляндии более
20 лет осуществляется селективная сортировка бытовых
упаковочных отходов, причем в последние годы их ути¬
лизируют около 80%. В этой стране действует первый в
мире завод, перерабатывающий картонные пакеты из-под
молока и фруктовых соков, выпускающий из этих отхо¬
дов бумагу и картон, а также алюминиевый порошок, ис¬
пользующий отходящее тепло для производства электро¬
энергии. Финляндская фирма «Corenso» инвестировала
34 млн евро в производственную линию на заводе в г. Вар-
каус, на которой фольга, используемая при производстве
упаковочных пакетов, перерабатывается в алюминиевый
порошок.
Завод перерабатывает 60 тыс. т упаковки в год и полу¬
чает несколько десятков тысяч тонн бумаги и картона и
3 тыс. т алюминиевого порошка, который поставляется
металлургическим фирмам Германии. Кроме того, полу¬
чаемое при переработке отходов тепло обеспечивает про¬
изводство 25 млн кВт/ч электроэнергии, которая исполь¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
285
зуется на самом предприятии в Варкаусе и поставляется
еще шести предприятиям. По мнению экспертов, новая
технология переработки упаковки почти безотходна.
В настоящее время в России из макулатуры было про¬
изведено более 20% картона для плоских слоев и бумаги
для гофрирования и 10% остальных видов картона от об¬
щего объема изготовленной бумажной продукции. Про¬
изводство гофрированного картона является самым круп¬
ным потребителем макулатуры и основным ее компонен¬
том являются старые картонные ящики и коробки.
На сегодня 16% внутреннего потребления тарного кар¬
тона, который служит сырьем для производства гофрокар¬
тона, изготовлено из макулатурного сырья.
Предприятия по производству картона и бумаги, а так¬
же мягких кровельных материалов являются многотон¬
нажными и применяют мокрую технологию производства.
Такие предприятия потребляют основную часть макула¬
туры (до 90%). Утилизированный гофрокартон обычно
применяется для производства тарного картона (до 80%
от всего объема потребления), из оставшихся 20% поло¬
вина идет на выпуск коробочных картонов и половина на
изготовление прочих материалов.
5.2.13.
РЕЦИКЛИНГ СТЕКЛЯННОЙ ТАРЫ
И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ СТЕКЛА
РЕЦИКЛИНГ СТЕКЛЯННОЙ ТАРЫ
Стекла — это аморфные, неупорядоченные, некристал¬
лические агрегаты, содержащие связанные между собой
силикатные цепочки. Обычное натрий-известковое стек¬
ло изготовляют, смешивая песок (Si02), известняк (СаС03)
и карбонат натрия (Na2C03) или сульфат натрия (Na2S04),
эту смесь расплавляют и затем дают ей остыть. Стекла со
специальными свойствами получают, используя в каче¬
стве сырья карбонаты и оксиды других металлов. Напри¬
мер, пирексовое стекло содержит в силикатной каркас¬
ной решетке бор, кремний и некоторое количество алю¬
миния.
286
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Как в РФ, так и за рубежом изготовители пищевых
продуктов и напитков применяют одноразовую стеклота¬
ру, которую после использования направляют в качестве
вторичного сырья (стеклобоя) на переработку в аналогич¬
ную продукцию (банки, бутылки) и прочие стеклосодер¬
жащие материалы: стекломозаичную плитку, штапельное
стекловолокно, облицовочную плитку, кровельные мате¬
риалы, плитки для полов, искусственного шифера, мра¬
мора и др. В настоящее время средний удельный расход
стеклобоя в производстве стеклянной тары за рубежом
составляет, %: 15 в Великобритании, 20 в Венгрии, 20-30
в США, 24 в Чехии, 30 в Германии и 40 в Нидерландах.
В Швейцарии в компании «Vetropak» работает стек¬
ловаренная печь производительностью 200 т/сут зелено¬
го стекла. Шихта содержит 80-85% стеклобоя. Экономия
топлива при этом составляет 0,25% на 1% перерабатыва¬
емого стеклобоя. В некоторых случаях в печах использу¬
ется до 100% стеклобоя. На стеклотарных заводах США
количество стеклобоя в шихте может достигать 30-60%.
Качество собранного стеклобоя в РФ регламентирует¬
ся ГОСТ Р 52233-2004 «Тара стеклянная. Стеклобой. Об¬
щие технические условия», согласно которому стеклобой
подразделяют на два сорта (первый и второй).
Кроме того, стеклобой подразделяют на марки: БС (бес¬
цветный), ПСТ (полубелый тарный), ПСЛ (полубелый ли¬
стовой), ЗС (зеленый), КС (коричневый). В партии стек¬
лобоя допускается содержание стекла:
• марок ЗС и КС в марках БС, ПСТ, ПСЛ для 1-го сорта
стеклобоя — не более 0,5%, для 2-го сорта — не бо¬
лее 4%;
• марок БС, ПСТ и ПСЛ в марках ЗС и КС для 1-го сорта
стеклобоя — не более 10%, 2-го сорта — не более 20%;
• марки КС в марке ЗС и марки ЗС в марке КС для 1-го
сорта стеклобоя — не более 7%, для 2-го сорта — не
более 15%.
Размеры кусков стеклобоя 1-го сорта должны быть от
10 до 50 мм. Допускается содержание в партии стеклобоя
кусков размером более 50 мм не более 5%, размером менее
10 мм — не более 1%. Размер кусков стеклобоя второго сор¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
287
та не нормируют, масса кусков — не более 2 кг. В стекло¬
бое нормируются также примеси триплекса, стекла, ар¬
мированного металлической сеткой, металлические пред¬
меты, пробки, тугоплавкие стекла, зеркала, керамика,
фарфор, шлак, уголь, кирпич, камень, щебень, бетон, ас¬
фальт, песок, глина и другие органические примеси в пре¬
делах от 0,2 до 5% для каждого компонента. Вышеука¬
занный ГОСТ регламентирует методы контроля качества,
приборы и приспособления для контроля, транспортиро¬
вание и хранение стеклобоя.
Единство цвета — основная предпосылка для проведе¬
ния рециклинга стекла. Особенно чувствительно к цвету
белое стекло (из него изготовлено около 50% стеклянной
упаковки). Для него практически недопустимы цветные
добавки.
Другое условие вторичного использования стекла —
это минимально возможное содержание чужеродных ве¬
ществ. К ним относятся, например, крышки из белой же¬
сти, алюминия или полимерных материалов, этикетки,
а также емкости или предметы из керамики, фаянса и
фарфора — так называемые KSP-чуждые вещества. Доля
KSP не должна превосходить 25 г на 1 т старого стекла,
для металлов 5 г на 1 т. В противном случае в заново вы¬
дуваемом стекле и в плавильных ваннах возникают де¬
фекты.
В устройствах предварительной подготовки отходов
создается чистый по цвету и свободный от примесей стек¬
лянный гранулят, представляющий собой очищенные,
размельченные, разделенные по цвету и освобожденные
от нежелательных примесей осколки стекла, которые ис¬
пользуются как вторичные ресурсы. После грубого отде¬
ления чужеродных веществ вручную емкости разбивают
на осколки с размером зерен до 60 мм. Магнитный сепара¬
тор удаляет включения из белой жести, а вихревой сепа¬
ратор — алюминиевые крышки.
На немецких фирмах были внедрены автоматичес¬
кие технологии на оптико-электронной основе, при ко¬
торых обеспечивается разделение прозрачных материа¬
лов (т. е. стекла) и непрозрачных (KSP, а также металлы
288
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
и полимерные материалы) с помощью световых экранов.
При падении потока осколков на низко расположенный
транспортер чуждые материалы выдуваются импульсами
сжатого воздуха. На втором этапе стекло окончательно
сортируется по цветам. Критерием сортировки здесь яв¬
ляется различный световой спектр для стекла, имеющего
различную окраску. Очищенные фракции направляются
для сплетения на стеклянный завод.
Растущие требования к применению стекла ускоряют
развитие технических инноваций в рециклинг. Так, круп¬
нейшее предприятие подготовки стекла в южногерманс¬
ких областях, «Suddeutche Altglas Rohstoff GmbH» (SAR)
в г. Бад-Вурцах, сегодня способно с помощью последующей
сортировки оставшегося материала дополнительно повы¬
сить мощности рециклинга, чтобы использовать 97,6%
вводимого объема и заметно снизить остаточные отходы.
При этом находят применение также стеклянные изделия
с завинчивающимися крышками и сильно загрязненное
стекло. При сортировке остаточного материала из 63 кг
отходов (в среднем), отсортированных из 1 т старого стек¬
ла, дополнительно возвращается около 39 кг.
Новые установки разделения по цветам могут сокра¬
тить долю зеленого стекла в белом до 3% при пропускной
способности 8-10 г/ч. При этом стеклянные осколки из
кольцевых загрузочных устройств подаются в воронку
подачи, извлекаются оттуда по желобам-дозаторам и на¬
правляются ковшовым экскаватором на этап отделения
грубого материала. Специальное сито направляет стекло
размером до 8 мм на отводной транспортер для зеленого
стекла. Поток частиц размером более 8 мм попадает на
колеблющееся кольцо, которое объединяет материал и
перемещает в сортировочную систему. Здесь поток анали¬
зируется на рабочей площадке размером 1,2-1,5 м2, затем
отделяется фракция коричневого стекла. Две фракции
попадают на выводной транспортер, откуда их транспор¬
тируют кольцевые загрузочные устройства.
На предприятии подготовки стекла «Ехпег Werth»
в г. Лангельхайм работает полностью автоматическая
установка разделения стекла, которая из совместно со-
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
289
бранного старого стекла позволяет получить чистые
фракции белого, зеленого и коричневого цветов, а так¬
же KSP-материалы. Здесь потери стекла, возникающие
при выдувании чужеродных веществ или ошибочных
цветов, минимизируются благодаря тому, что вместо воз¬
душных сопел используется комплексная система кана¬
лов. Поток осколков здесь объединяется и направляется
через узкий канал. На дне последнего в соответствии с
идентификацией цветов с помощью лазерных устройств
открываются клапаны для различных по цвету осколков
стекла.
Фирма «Неуе-Glas» в г. Обернкирхен внедрила другую
технологию. Стекло не используется в форме осколков,
а размельчается в устройствах размола в тончайшую пуль¬
пу. Частицы металла или полимерных материалов отсе¬
иваются. При этом проблемы с керамическими вещества¬
ми нет. Так как стекло и керамика состоят из одинако¬
вых химических элементов, керамическая пульпа может
сплавляться со стеклом. Проблема с KSP-веществами мо¬
жет возникнуть только при относительно крупных разме¬
рах этих веществ (несколько миллиметров), так как они
за нормальное время обработки стекла не сплавляются со
стеклом. Стеклянная пульпа обеспечивает производство
высококачественного и очень тонкостенного стекла из
материала рециклинга.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ СТЕКЛА
Области использовании отходов стекла весьма разно¬
образны. В данном разделе будут приведены примеры раз¬
личных технологических процессов переработки отходов
стекла.
Получение пеностекла. Пеностекло получают по тра¬
диционной технологии путем термообработки смеси по¬
рошков стекла и пенообразователя в специальных формах.
Используется бой стекла различных видов. Общий вид
получаемых изделий представлен на рисунке 5.50.
Существуют технологии получения двухслойных стро¬
ительных материалов, состоящих из слоя пеностекла и
плотноспеченного слоя стекла (на рис. 5.50 этот материал
290
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 5.50
Общий вид изделий из пеностекла
Сравнительные характеристики
Характеристики
Кирпич
красный
Пенополи¬
уретан
Пенополи¬
стирол
Плотность, кг/м3
1800
40-80
40-150
Коэффициент теплопро¬
водности, Вт/(м К)
0,56
0,029-0,041
0,038-0,05
Паропроницаемость,
мг/(м ч Па)
0,11
0,05
0,05
Расчетное массовое отно¬
шение влаги в материале,
%
1-2
2-5
1-10
Предел прочности на
сжатие, МПа
3-5
—
0,2-1
Сопротивление непро¬
должительному воздейст¬
вию теплоты, °С
1300
180
100
Максимальная темпера¬
тура эксплуатации, °С
950
120
80
Стабильность размеров
Отличная
Плохая
Плохая
Период эксплуатации
(разрушение во времени)
В сухом со¬
стоянии вре¬
мя эксплуа¬
тации не ог¬
раничено
Через 10-15 лет наблю¬
дается охрупчивание и
разрушение материала
Экологическая безопас¬
ность материала
Безопасен
При эксплуатации (осо¬
бенно при повышенной
влажности и температу¬
ре) выделяются токсич¬
ные компоненты
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
291
показан слева). Пеностекло обеспечивает высокие тепло¬
изоляционные свойства, а плотноспеченный слой стек¬
ла — высокие декоративные и защитные свойства.
В таблице 5.23 представлены сравнительные характе¬
ристики различных теплоизоляционных материалов. Из
нее следует, что пеностекло по совокупности физико-ме¬
ханических и эксплуатационных свойств является одним
из лучших теплоизоляционных материалов.
Аналогом пеностекла могут служить пеностеклокера¬
мические материалы отечественной разработки. Для их про¬
изводства используются отходы с высоким содержанием
Таблица 5.23
теплоизоляционных материалов
Плиты
из минеральной ваты
Газобетон
автоклавный
Пеностекло
(по СНиП II-3-79),
кг/м3
50-350
350-700
200
300
400
0,036-0,091
0,077-0,175
0,07
0,09
0,11
0,38-0,60
0,25-0,23
0,03
0,02
0,02
2-5
8-14
1-2
1-2
1-2
—
0,8-5
2
3,6
5,7
250
450
750
200
400
600
Удовлетворительная
Отличная
Отличная
Через 5-10 лет наблю¬
дается охрупчивание и
разрушение материала
В сухом состоянии
время эксплуата¬
ции не ограничено
Время эксплуатации
не ограничено
При эксплуатации вы¬
деляются опасные пы¬
левые и газовые компо¬
ненты
Безопасен
Безопасен
292
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
О
Изделия
■£)
Отходы
распиловки
Шаровая
мельница
/21
Пилорама
Печь
Заготовка
Г ~
У'1л
Шихта
Рис. 5.51
Технологическая схема производства
стеклокерамического материала
Si02 и А1203. Технологическая схема их производства пред¬
ставлена на рисунке 5.51.
Стеклобой поступает со склада сырья вместе с допол¬
нительными химическими компонентами на размол в
шаровую мельницу. Здесь происходит их смешение и из¬
мельчение до частиц размером менее 30 мкм. Из получен¬
ного порошка формуются блоки заготовки, помещаются
в формы и отправляются в туннельную печь на термооб¬
работку. При температуре 700-850°С происходит вспени¬
вание полученной массы за счет выделяющихся газов и
частичная кристаллизация материала. После охлаждения
заготовки проходят механическую обработку и упаковы¬
ваются для отправки потребителю.
Полученный материал обладает отличными теплоизо¬
ляционными свойствами. Теплофизические и механичес¬
кие свойства пеностеклокристаллического материала,
приведенные в таблице 5.24, несколько отличаются от
Таблица 5.24
Характеристики пеностеклокристаллического материала
Плотность образцов пе¬
ностеклокристалличе¬
ского материала, кг/ м3
150
200
300
400
500
600
Предел прочности при
сжатии, МПа
0,7
1,0
1,5
3,5
5,0
7,5
Коэффициент теплопро¬
водности, Вт/(м-К)
0,040
0,045
0,060
0,075
0,080
0,100
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
293
характеристик обычного пеностекла (по СНиП П-79), что,
вероятно, связано с частичной кристаллизацией сырья.
Отметим также, что рассмотренные в этом разделе пе-
номатериалы экологически безопасны.
Получение стекловаты. Стекловата — это высокока¬
чественный теплоизоляционный и звукоизоляционный
материал. Ее основными компонентами являются стекло¬
бой (содержание в составе шихты превышает 50%), а также
песок, сода и известняк. Рассмотрим технологию получения
стекловаты на примере производства финской фирмы «Saint-
Gobain Isover Оу», которая выпускает в год более 50 000 т
стекловаты (крупнейший мировой производитель). Плавле¬
ние стеклообразующей смеси сырья происходит в печи при
температуре 1400°С. Расплавленное стекло подается в цент¬
робежный волокнообразователь. В нем стекло распускается
на волокна средней толщиной 6 мкм. Связывание волокон
производится с помощью связующего вещества, подмеши¬
ваемого в виде аэрозоля к волокнам в процессе волокнообра-
зования. Полученная волокнистая масса, пропитанная по¬
лимерной смолой, подается между двумя конвейерными рем¬
нями в вулканизатор, нагретый до температуры 250°С. Это
придает готовому теплоизоляционному материалу необхо¬
димую жесткость, а также присущий ему теплый желтый
цвет. Продукт легко облицовывается различными матери¬
алами — алюминием, стеклотканью и т. п. Продукция име¬
ет стандартные размеры, однако в зависимости от объема
партии возможен выпуск продукции нестандартных разме¬
ров. Одно из преимуществ продукта — эластичность в про¬
цессе упаковки. Безопасность получаемой стекловаты под¬
тверждена многочисленными исследованиями. Производ¬
ство работает в соответствии со стандартами ИСО 9001 и
ИСО 14001 и подтверждено сертификатом BVQI.
ПРОЧИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ОТХОДОВ СТЕКЛА
Получение жидкого стекла. Жидкое стекло получают
одностадийным методом гидротермальной обработки тон¬
кодисперсного стеклобоя щелочным раствором, минуя
стадию варки силикат-глыбы традиционным способом
294
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
в стекловаренной печи. Стеклобой подвергается активи¬
рованию в вибропомольной установке и подается совмест¬
но со щелочным раствором и технической водой в бак-сме¬
ситель для получения рабочей суспензии. Суспензия сли¬
вается из бака-смесителя в автоклав-реактор самотеком
по наклонному трубопроводу или перекачивается насосом.
Объем заливки суспензии в автоклав составляет 0,7-0,8
от его полного объема. Автоклав обеспечивает протека¬
ние всех химических процессов синтеза жидких силика¬
тов при соблюдении оптимальных технологических пара¬
метров процесса, постоянном перемешивании суспензии
в процессе синтеза жидкого стекла, которое исключает
возможность ее расслоения. Синтез жидкого стекла вклю¬
чает три стадии:
• повышение давления и температуры загруженной сус¬
пензии до расчетных значений, при которых процесс
синтеза протекает наиболее активно;
• собственно варку стекла при оптимальных и стабиль¬
ных условиях протекания технологического процесса;
• охлаждение автоклава с понижением давления.
Слив жидкого стекла в приемную емкость осуществ¬
ляется за счет остаточного давления внутри автоклава.
Дальнейшее охлаждение готового жидкого стекла и его
отстаивание от взвешенных частиц происходит в прием¬
ной емкости. Охлажденное и отстоявшееся жидкое стек¬
ло перекачивается в расходную емкость, в которой проис¬
ходит его хранение и раздача потребителям. Контроль ра¬
бочего режима синтеза осуществляется по шкальному
манометру, смонтированному на одном из коллекторов ав¬
токлава, и термопаре, размещенной в специальном патро¬
не, который закреплен на перегородке между рабочей по¬
лостью автоклава и хвостовиком, входящим через уплот¬
нение в стационарную камеру.
Использование стеклобоя для производства облицо¬
вочных и тротуарных плит. Такие технологии разработа¬
ны как в РФ, так и за рубежом. В составе одной из отече¬
ственных технологий лежит процесс спекания стеклобоя
с различными наполнителями. Простота технологии, не¬
большие производственные площади, низкая энергоем¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
295
кость, возможность утилизации любого стеклобоя дела¬
ют перспективным производство спеченных облицовоч¬
ных материалов, обладающих высокими декоративными
и физико-химическими свойствами. Плиты предназнача¬
ются для внутренней облицовки культурно-спортивных
и промышленных сооружений.
Токийская фирма «Кристалл Клей» из стеклянного боя
изготовляет блоки керамической плитки, которой вык¬
ладывают тротуары и облицовывают здания, причем би¬
тое стекло не нужно сортировать по цвету. Содержание
стекла в плитке 70%, что в значительной мере экономит
природный материал — глину. Происходит это так: бутыл¬
ки и другие отходы из учреждений и магазинов свозятся
на завод. После удаления нежелательных частиц стекло
дробится на кусочки, измельчается в пыль и затем сме¬
шивается с глиной. Под высоким давлением смеси прида¬
ется форма плитки. Обжиг плитки происходит при 1000°С.
Из двух бутылок из-под шампанского можно получить 1 м2
красивой облицовочной плитки.
В ряде стран измельченный стеклобой вводят в состав
асфальтовых смесей при дорожном строительстве.
5.2.14.
РЕЦИКЛИНГ И ПЕРЕРАБОТКА
РЕЗИНОВЫХ ШИН
Ежегодно в мире производится около 1,4 млрд покры¬
шек, при этом в среднем подвергается рециклингу (ути¬
лизируется) всего около 20%. В странах Западной Евро¬
пы и США этот показатель достигает 80%, а в некоторых
странах (Финляндия) практически составляет 100%. В РФ
в среднем объем рециклинга изношенных шин не превы¬
шает 5-7% от объема их ежегодного образования.
конструкция шины
Основными материалами для производства шин явля¬
ются резина, которая изготавливается из натуральных и
синтетических каучуков, и корда. Кордовая ткань может
быть изготовлена из металлических нитей (металлокорд),
полимерных и текстильных нитей.
296
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
1
4
5
8
7
3
6
/ — протектор; 2 — плечевая часть;
3 — каркас; 4 — боковая часть (крыло
шины); 5 — брекер и подушечный слой;
6 — дополнительная вставка в плече¬
вой зоне; 7 — бортовое кольцо; 8 — бор¬
товая часть.
Рис. 5.52
Структура шины:
Шина состоит из: каркаса, слоев брекера, протектора,
борта и боковой части (рис. 5.52).
Текстильный и полимерный корд применяются в лег¬
ковых и легкогрузовых шинах, металлокорд — в грузо¬
вых. В зависимости от ориентации нитей корда в каркасе
различают шины:
• радиальные;
• диагональные.
В радиальных шинах нити корда расположены вдоль
радиуса колеса. В диагональных шинах нити корда рас¬
положены под углом к радиусу колеса, нити соседних сло¬
ев перекрещиваются.
Радиальные шины конструктивно более жесткие, вслед¬
ствие чего обладают большим ресурсом и стабильностью
формы пятна контакта, создают меньшее сопротивление
качению, обеспечивают меньший расход топлива. Из-за
возможности варьировать количество слоев каркаса (в от¬
личие от обязательно четного количества в диагональных)
и возможности снижения слойности снижается общий вес
шины, толщина каркаса. Это снижает разогрев шины при
качении — увеличивается срок службы. Брекер и протек¬
тор так же легче высвобождают тепло — возможно увеличе¬
ние толщины протектора и глубины его рисунка для улуч¬
шения проходимости по бездорожью. В связи с этим в
настоящее время радиальные шины для легковых автомо¬
билей практически полностью вытеснили диагональные.
Брекер находится между каркасом и протектором. Пред¬
назначен для защиты каркаса от ударов, придания жестко¬
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
297
сти шине в области пятна контакта шины с дорогой и для
защиты шины и ездовой камеры от сквозных механичес¬
ких повреждений. Изготавливается из толстого слоя ре¬
зины (в легких шинах) или скрещенных слоев полимер¬
ного корда и/или металлокорда.
Протектор необходим для обеспечения приемлемо¬
го коэффициента сцепления шин с дорогой, а также для
предохранения каркаса от повреждений. Протектор об¬
ладает определенным рисунком, который различается в
зависимости от назначения шины. Шины высокой про¬
ходимости имеют более глубокий рисунок протектора и
грунтозацепы на его боковых сторонах. Рисунок и конст¬
рукция протектора дорожной шины определяется требо¬
ваниями к отведению воды и грязи из канавок протектора
и стремлением снизить шум при качении.
Борт позволяет покрышке герметично садиться на
обод колеса. Для этого он имеет бортовые кольца и изнут¬
ри покрыт слоем вязкой воздухонепроницаемой резины
(у бескамерных шин).
Боковая часть предохраняет шину от боковых повреж¬
дений.
В состав изношенных автомобильных (авиационных,
тракторных и др.) пневмошин входят каучук, ткани, кар¬
касные материалы и т. д. Протектор современных автопок¬
рышек, имеющих в каркасе высокопрочную кордную ткань
или металл, изнашивается быстрее каркаса (основы по¬
крышки). По износу протектора выходит из строя более по¬
ловины эксплуатируемых покрышек. Часть таких покры¬
шек передаются на шиновосстановительные заводы, так как
подвергаются рециклингу. Резиновые отходы также исполь¬
зуются для изготовления изделий широкого потребления
(резиновых ковров и трубок различного назначения, шифе¬
ра, руковиц, фартуков и др.), а также резиновой крошки.
РЕЦИКЛИНГ (ВОССТАНОВЛЕНИЕ) ШИН
Рециклинг (восстановление) шины — это ее капиталь¬
ный ремонт, при котором обновляется как проектор шины,
так и боковина с целью продления срока эксплуатации
автопокрышек.
298
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Рециклинг является весьма экологичным способом,
при котором может быть повышен срок эксплуатации
шины. С одной стороны, это ведет к уменьшению количе¬
ства отходов, с другой — к экономии ресурсов, так как для
восстановления шины необходимо в среднем около 5 л сы¬
рой нефти, а для производства новой автопокрышки — 35 л.
Доля восстановленных шин в различных странах не¬
одинакова. Так, например, в США восстановление факти¬
чески не играет никакой роли, в Японии восстанавливается
только каждая десятая шина, в Германии, Великобритании,
Испании и Италии — каждая пятая, в Нидерландах —
каждая третья.
Следует указать, что восстановленные шины пользу¬
ются популярностью в европейских странах, прежде все¬
го для автомобилей экономного и среднего класса, при¬
чем, например, в этом классе в Германии спрос превы¬
шает предложение. Восстановленные шины автомобилей
более высокого класса, напротив, не пользуются спросом.
Новые автомобили этого класса оборудованы соответствен¬
но новыми автопокрышками.
Для обеспечения требуемого количества и безопаснос¬
ти эксплуатации восстановленных шин они могут подвер¬
гаться рециклингу не более двух раз.
ПЕРЕРАБОТКА РЕЗИНОВЫХ ШИН
Рассмотрим этот вопрос, следуя работе А. И. Родионо¬
ва с соавт.
Утратившие свою потребительскую ценность изделия
из вулканизированной упругой и эластичной резины обра¬
батывают с получением пластичного продукта — регенера¬
та, пригодного для использования в сырьевых резиновых
смесях производств резиновых технических изделий. При
регенерации автомобильной покрышки среднего размера
может быть возвращено около 10 кг каучукового вещества.
Перед регенерацией резиновые отходы измельчают в
крошку, отделяют от нее текстильную ткань, после чего
крошку смешивают с добавками-мягчителями и актива¬
торами процесса девулканизации, способствующими пе¬
реходу резины в пластичное состояние.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
299
В качестве мягчителей при девулканизации использу¬
ют органические продукты (сосновые, газогенераторные
и сланцевые смолы, канифоль, технические масла и др.)
с температурой кипения выше 300°С, значительно пре¬
вышающей температуру процесса девулканизации. Роль
мягчителей заключается в том, что их молекулы прони¬
кают между молекулами каучука в резине, вызывая ее
набухание в результате увеличения межмолекулярных
расстояний и ослабления межмолекулярных сил притя¬
жения, что сокращает вероятность процессов структури¬
рования каучука. Мягчители, кроме того, образуют один
из компонентов регенерата, увеличивая его пластичность.
Их доза составляет 10-30% (в отдельных случаях до 50%)
от массы резины.
Как активаторы (агенты окислительной деструкции)
процесса девулканизации используют дисульфид пента-
хлортиофенола, дисульфид трихлортиофенола, их цинко¬
вые соли и другие химические пластификаторы. Примене¬
ние этих соединений позволяет значительно (на 40-50%)
сократить время девулканизации и понизить ее темпера¬
туру. Добавляют их 0,15-3,0% в зависимости от состава
резины.
Процесс девулканизации является основным процес¬
сом регенеративного производства. Он сводится к нагреву
измельченной резины с добавками в течение определен¬
ного времени при повышенной температуре (160-190°С).
При этом происходит деструкция вулканизированного
каучука: его пространственная структура частично раз¬
рушается.
Продукт, получаемый в результате девулканизации —
девулканизат, имеет в своей структуре большое число не¬
насыщенных двойных связей, что объясняет способность к
вулканизации приготовленного на его основе регенерата.
Независимо от метода регенерации резиновые изделия
(в основном автомобильные покрышки) сначала проходят
подготовительные операции, в целом одинаковые для всех
методов (см. рис. 5.53а): их подвергают сортировке по ви¬
дам, типам и содержанию каучука, освобождают от металла
на борторезательных станках, разрубают механическими
300
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
301
ножницами на 2-4 части, измельчают на шинорезах на
полукольца шириной 10-40 мм, которые дробят в резино¬
вую крошку последовательной переработкой на дробиль¬
ных и размольных вальцах (используют также молотко¬
вые дробилки и дисковые мельницы), агрегированных с
виброситами. Получаемая резиновая крошка (частицы раз¬
мером 1-2 мм) с содержанием текстильных волокон от 2 до
10% (в зависимости от последующего метода обработки)
является полупродуктом для производства регенерата.
При паровом методе (рис. 5.536) дозированные порции
обестканенной резиновой крошки смешивают с мягчите¬
лями и загружают в девулканизационный котел, где об¬
рабатывают острым паром под давлением 0,8-1,0 МПа при
температуре 175-185°С в течение 7-8 ч (для шинной ре¬
зины). Полученный путем такой обработки девулканизат
с целью гомогенизации и пластификации смеси последо¬
вательно перерабатывают на вальцах (регенеративно-сме¬
сительных и подготовительных рафинировочных) и про¬
пускают через червячный фильтр-пресс (стрейнер). Окон¬
чательную обработку резиновой массы с выдачей готового
продукта (регенерата) проводят на выпускных рафиниро¬
вочных вальцах.
Основным недостатком парового метода является от¬
сутствие перемешивания девулканизируемой массы, что
является главной причиной получения неоднородного по
степени пластинчатости регенерата. Значительно более
качественный регенерат получают водонейтральным ме¬
тодом.
Рис. 5.53
Схемы отделений производства шинного регенерата:
а — подготовительные отделения; б, в — основного производства (б — паровым
методом, в — водонейтральным методом); / — цепной конвейер; 2 — бортореза¬
тельный станок; 3 — механические ножницы; 4 — шинорез; 5 — ленточный транс¬
портер; 6 — дробильные вальцы; 7 — элеватор; 8 — вибросито; 9 — шнековый
транспортер; 10 — размольные вальцы; 11 — бункеры; 12 — воздуходувка; 13 —
циклон; 14 — автоматические весы; 15 — бункер-дозатор; 16 — смеситель; 17 —
противень; 18 — мерник; 19 — емкость для мягчителей; 20 — девулканизацион¬
ный котел; 21 — регенеративно-смесительные вальцы; 22 — подготовительные
рафинировочные вальцы; 23 — червячный фильтр-пресс; 24 — выпускные рафи¬
нировочные вальцы; 25 — готовый продукт; 26 — склад регенерата; 27 — бак для
подогрева воды; 28 — баки для мягчителей; 29 — мерники; 30 — автоклав; 31 —
буферная емкость; 32 — сетчатый барабан; 33 — пресс-шнек; 34 — рыхлитель.
302
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Процесс девулканизации обестканенной резины по
водонейтральному методу (рис. 5.53в) проводят в снабжен¬
ных мешалками вертикальных автоклавах в среде водной
эмульсии мягчителей при 180-185°С в течение 5-8 ч.
Греющий пар подают в рубашку автоклава при избыточ¬
ном давлении 1,2 МПа и температуре 191°С. По оконча¬
нии процесса девулканизации содержимое под небольшим
давлением передают в буферную емкость, откуда оно по¬
ступает в сетчатый барабан для отделения от девулкани-
зата основной массы воды. Более полное обезвоживание
девулканизата (до остаточной влажности 15-18%) прово¬
дят в пресс-шнеках. Его сушку можно проводить в ваку¬
умных или ленточных сушилках. Дальнейшую механи¬
ческую обработку девулканизата с получением регенера¬
та проводят аналогично обработке паровым методом.
При регенерации резины по водонейтральному мето¬
ду прерывное перемешивание способствует ее лучшему
набуханию в мягчителях. Кроме того, при использовании
в качестве мягчителей смол хвойных пород древесины со¬
держащиеся в них водорастворимые кислоты разрушают
остатки текстильного волокна (аналогичный эффект дос¬
тигается при добавлении хлоридов цинка и кальция). Все
это положительно сказывается на качестве регенерата.
Технически наиболее совершенным методом регенера¬
ции резины является термомеханический метод, позво¬
ляющий значительно ускорить технологический процесс,
сделав его непрерывным, и обеспечить снижение себесто¬
имости регенерата за счет максимальной механизации и
автоматизации производства.
При производстве регенерата термомеханическим мето¬
дом (рис. 5.54) обестканенную до остаточного содержания
волокна < 2% резиновую крошку непрерывно смешивают с
мягчителями и в течение 4-12 мин пропускают через чер¬
вячный девулканизатор (червячный пресс) с удлиненным
корпусом при температуре 140-210°С. Выходящий из прес¬
са девулканизат обрабатывают на рафинировочных валь¬
цах с получением регенерата. Производимый таким спо¬
собом регенерат более однороден и пластичен, чем регене¬
рат, получаемый водонейтральным методом.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
303
Обестканенная
резина
Мягчители
Рис. 5.54
Схема производства регенерата термомеханическим методом:
1 — бункер для дробленой резины; 2 — емкость для мягчителей; 3 — дозаторы;
4 — смеситель; 5 — червячный девулканизатор; 6 — рафинировочные вальцы;
7 — продукт.
Существуют и другие методы производства регенера¬
та: метод диспергирования и радиационный метод.
Металлсодержащие отходы регенератных производств
(например, бортовые кольца автопокрышек) могут быть
использованы в черной металлургии. Из текстильных от¬
ходов можно делать плиты для тепловой и звуковой изо¬
ляции, набивку для мебели и т. д.
Переработка в крошку. Измельчение (размол) отходов
резины является самым простым способом переработки,
поскольку позволяет максимально сохранить физико-ме¬
ханические и химические свойства материала. Для такой
переработки используют, в частности, автопокрышки боль¬
ших размеров без металлического корда. Получаемую ре¬
зиновую крошку можно перерабатывать в различные стро¬
ительные материалы (битумно-резиновые мастики для
антикоррозионной защиты различных сооружений, гид¬
роизоляционные и кровельные рулонные материалы, в ко¬
торых может содержаться 10-40% крошки), эффективно
использовать в качестве компонента материалов для до¬
рожных покрытий, применять для изготовления химичес¬
ки стойкой тары некоторых технических материалов и для
других целей.
304
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Пиролиз. Путем термического разложения резиновых
отходов без доступа воздуха при 400-450°С может быть
получено резиновое масло, которое можно использовать в
качестве мягчителя в регенератном производстве и рези¬
новых смесях.
В результате пиролиза измельченных автомобильных
шин при 593-815°С получают жидкие углеводороды, ис¬
пользуемые в качестве топлива, и твердый остаток, кото¬
рый можно использовать вместо сажи для производства
резиновых технических изделий.
При двухстадийном высокотемпературном (900-1200°С)
пиролизе автомобильных покрышек можно получать сажу
для нужд резиновой промышленности, шинный кокс с вы¬
сокой адсорбционной способностью (в частности, по ионам
тяжелых металлов при их извлечении из промышленных
сточных вод), горючий газ и сырье для черной металлургии.
Сжигание шин. Сжигание обычно производят в цемен¬
тных печах и на телоэнергоцентралях. Этот процесс необ¬
ходимо проводить при температуре выше 1100°С, так как
в противном случае образуются такие высокотоксичные
вещества, как хлоровинный диоксин и фуран.
Для защиты окружающей среды установки по сжига¬
нию использованных шин должны быть снабжены дорого¬
стоящим оборудованием, ограничивающим выброс вред¬
ных веществ в атмосферу. Требующиеся для этого большие
капиталовложения снижают экономическую ценность
изношенной автопокрышки как энергоносителя. В связи
с этим, во многих промышленно развитых странах наблю¬
дается тенденция по ограничению сжигания шин в пользу
других способов переработки.
Вывоз шин на свалку. Изношенные шины легально или
нелегально хранятся как на смешанных свалках с другими
отходами, так и на свалках, предназначенных исключитель¬
но для использованных автопокрышек. Число хранящихся
во всем мире на свалках шин оценивается в миллиард штук.
Недостаток альтернатив по переработке шин приводит к
увеличению количества шин, хранящихся на свалках.
Против вывоза на свалку изношенных шин имеются
экономические, технические и экологические причины.
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
305
Вследствие захоронения на свалке использованные
шины извлекаются из экономического оборота и в связи с
этим не могут быть использованы для дальнейшей пере¬
работки. Данный способ использования шин может быть
приравнен к уничтожению ресурсов.
Изношенные автопокрышки в силу своих свойств яв¬
ляются продуктом, в принципе не подходящим для захо¬
ронения. Контакт шин с дождевыми осадками и грунто¬
выми водами сопровождается вымыванием ряда токсичных
органических соединений: дифениламина, дибутилфта-
лата, фенантрена и т. д. Все эти соединения попадают в
почву. Разложение шины в земле длится более 100 лет.
Форма шин и специфичный вес из-за кавитации (образо¬
вании пустот) не допускают регулируемого уплотнения
свалки.
Отсутствие контроля за отходами, поджоги, самовоз¬
горание (например, вследствие удара молнии) ведут к про¬
должительным пожарам на свалках, которые из-за хоро¬
шей воспламеняемости (горючести) шин трудно потушить.
Такие пожары из-за высокого уровня выбросов газо¬
образных и жидких веществ ведут к сильному загрязне¬
нию воздуха, верхнего слоя почвы, грунтовых вод.
В изношенных автопокрышках из-за их формы соби¬
рается дождевая вода. Черный цвет шин ведет к их силь¬
ному нагреванию под влиянием солнечных лучей, кото¬
рое сохраняется в резине в течение долгого времени. Та¬
ким образом, свалки шин образуют идеальное место для
размножения паразитов, например москитов. В связи с
тем, что данные насекомые могут передавать болезни,
свалки представляют собой недооцененную опасность для
здоровья людей. Негативно влияют свалки шин и на лан¬
дшафт. Экстенсивное захоронение изношенных покры¬
шек ведет в последние десятилетия к дефициту имеющей¬
ся площади свалок. В случае дальнейшего захоронения
шин площадь под них скоро будет исчерпана.
Проблема захоронения большого количества изношен¬
ных автопокрышек не решена до сих пор. Необходимо уси¬
ленно развивать технологические процессы их рециклин-
га и переработки.
306
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите приоритетные направления в области обеспечения
экологической безопасности.
2. Дайте официальное определение понятия «рециклинг».
3. Дайте определение понятиям «материальный рециклинг» и
«сырьевой рециклинг».
4. По каким направлениям обычно перерабатывают отходы пла¬
стмасс?
5. На какие две группы делятся методы рециклинга пластмасс?
6. Перечислите предварительные операции рециклинга пласт¬
масс.
7. Что представляет собой аэросепарация?
8. В чем заключается дробление и измельчение отходов полимеров?
9. Что представляет собой агломерация отходов?
10. Назовите виды и области применения основных полимерных
материалов.
11. Дайте определение краткой характеристики основных свойств
полимеров.
12. Назовите маркировку пластиков в странах ЕС.
13. По каким признакам классифицируется вторичное полимер¬
ное сырье по каждому виду полимера?
14. Назовите операции полимерной переработки отходов.
15. Что представляет собой утилизация белой жести?
16. Назовите способы переработки отсортированной белой жести.
17. Перечислите классификацию и характеристику вторичного
алюминия.
18. Назовите плавильные печи, используемые для переработки
лома и отходов алюминия, по методу нагрева.
19. В чем заключается утилизация алюминиевого лома?
20. Назовите пирометаллургические способы рециклинга свинца.
21. Перечислите недостатки шахтных печей для плавки свинца.
22. Назовите преимущества плавки в электрических печах.
23. В чем заключаются электрохимические способы рециклинга
свинца?
24. Как происходит рециклинг черных металлов?
25. Назовите основные преимущества переработки рассматривае¬
мых отходов в шахтных печах.
26. Как происходит утилизация пластмассовых отходов в домен¬
ных печах?
27. В чем заключаются комплексные решения по глобальному ре-
циклингу на базе доменного производства?
28. Как происходит утилизация шламов гальванического произ¬
водства с использованием МДП?
29. Как используются вагранки для утилизации цинкосодержа¬
щих пылей?
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
307
30. Как происходит переработка стального лома (скрапа)?
31. Как используются процессы черной металлургии для авторе-
циклинга?
32. Как происходит использование процессов черной металлургии
для рециклинга электронных и электробытовых приборов?
33. Перечислите классификацию макулатуры.
34. Какие операции включает в себя мокрая технология перера¬
ботки макулатуры?
35. Как осуществляется переработка макулатуры в упаковочный
(коробки) картон?
36. Как происходит рециклинг стеклянной тары?
37. Назовите области использования отходов стекла.
38. Опишите процессы получения пеностекла и стекловаты.
39. Опишите процесс получения жидкого стекла.
40. Как используется стеклобой для производства облицовочных
и тротуарных плит?
41. Опишите технологическую схему производства стеклокерами¬
ческого материала.
42. Опишите конструкцию шины.
43. Как происходит рециклинг (восстановление) шин?
44. Опишите переработку резиновых шин.
45. Как осуществляется вывоз шин на свалку?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ТЕРМИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
При утилизации и переработке твердых отходов исполь¬
зуют различные методы термической обработки как ис¬
ходных твердых отходов, так и получаемых на их основе
продуктов. К этим методам относятся: газификация, пи¬
ролиз, огневой метод и обжиг.
6.1.
ГАЗИФИКАЦИЯ
Газификация предназначена для переработки твер¬
дых, жидких и газообразных отходов с получением горю¬
чего газа, смолы и шлака. Газификацию осуществляют
на воздушном, паровоздушном и парокислородном дутье
в механизированных шахтных газогенераторах с вращаю¬
щимися колосниковыми решетками и твердым шлакоуда-
лением; в газогенераторах с псевдоожиженным слоем; в
шахтных газогенераторах с фурменной подачей дутья и
жидким шлакоудалением (горновой метод).
Переработка отходов газификацией имеет следующие
преимущества по сравнению с методом сжигания:
• получаемые горючие газы могут быть использованы в
качестве энергетического и технологического топли¬
ва, в то время как при сжигании практически возмож¬
но только энергическое использование теплоты отхо¬
дов (получение водяного пара или горячей воды);
• образующаяся смола может быть использована как
жидкое топливо и химическое сырье;
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
309
• сокращаются выбросы золы и сернистых соединений
в атмосферу.
При газификации на воздушном и паровоздушном ду¬
тье получают генераторный газ с низкой теплотой сгора¬
ния 3,5-6 МДж/м3. Такой газ непригоден для транспор¬
тировки и может быть использован на месте производства
в низкотемпературных огнетехнических установках. При
парокислородной газификации получают генераторный
газ с повышенной теплотой сгорания — до 16 МДж/м3. Его
можно транспортировать потребителям, расположенным
на значительном расстоянии от газогенераторной станции.
Газификация отходов подразделяется на прямую и об¬
ращенную — соответственно с противоточным и прямо¬
точным движением отходов и дутья.
Процесс газификации пригоден для переработки ог¬
раниченного числа отходов, причем только дробленных,
сыпучих, газопроницаемых. Пастообразные, крупногаба¬
ритные твердые отходы, плавящиеся при низких темпе¬
ратурах, и подобные отходы трудно перерабатывать мето¬
дом газификации.
6 2
ПИРОЛИЗ
Существуют две разновидности пиролиза: окислитель¬
ный пиролиз с последующим сжиганием пиролизных га¬
зов и сухой пиролиз.
Окислительный пиролиз — это процесс термического
разложения отходов при их частичном сжигании или не¬
посредственном контакте с продуктами сгорания топли¬
ва. Окислительный пиролиз является одной из стадий про¬
цесса газификации. Газообразные продукты разложения
отходов смешиваются с продуктами сгорания топлива или
части отходов, поэтому на выходе из реактора они имеют
низкую теплоту сгорания, но повышенную температуру.
Затем смесь газов сжигают в обычных топочных устрой¬
ствах. В процессе окислительного пиролиза образуется
кокс, который можно использовать в качестве твердого
топлива или в других целях.
310
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Окислительному пиролизу могут быть подвергнуты
многие производственные отходы, среди них: вязкие, пас¬
тообразные отходы, влажные осадки, пластмассы, шламы
с большим содержанием воды. Кроме того, этим методом
обрабатывают загрязненную мазутом, маслами и другими
нефтепродуктами землю, сильнопылящие отходы с легко
увлекаемыми газом частицами, отходы, содержащие соли
и металлы, которые плавятся и возгораются при нормаль¬
ных температурах сжигания; отработанные шины; кабе¬
ли в измельченном состоянии, автомобильный скрап и др.
Обычно окислительный пиролиз проводят при 600-900°С.
При сжигании газов пиролиза дымовые газы меньше
загрязняются летучей золой и сажей, чем при прямом
сжигании отходов, что позволяет использовать их без до¬
полнительной очистки при выработке водяного пара и в
других целях.
Окислительный пиролиз отходов осуществляют во вра¬
щающихся барабанных реакторах, в шахтных реакторах
с вращающимся подом, в многоподовых реакторах, в ре¬
акторах с псевдоожиженным слоем.
Сухой пиролиз (сухая перегонка) — это метод терми¬
ческой переработки отходов, обеспечивающий их высоко¬
эффективное обезвреживание и использование в качестве
топлива и химического сырья, что способствует созданию
экологически чистых технологий и рациональному ис¬
пользованию природных ресурсов.
Под сухим пиролизом понимают процесс термическо¬
го разложения отходов, твердого и жидкого топлива без
доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов
образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания,
жидкие продукты и твердый углеродистый остаток. Ко¬
личество и качество продуктов сухого пиролиза зависят
от состава отходов и температуры процесса. В зависимос¬
ти от температуры различают три вида сухого пиролиза:
• низкотемпературный пиролиз, или полукоксование
(450-550°С), при котором максимален выход жидких
продуктов и твердого остатка (полукокса) и минималь¬
ный выход пиролизного газа с максимальной тепло¬
той сгорания;
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
311
• среднетемпературный пиролиз или среднетемператур¬
ное коксование (до 800°С), при котором выход газа уве¬
личивается при уменьшении его теплоты сгорания,
а выход жидких продуктов и коксового остатка умень¬
шается;
• высокотемпературный пиролиз или коксование (900-
1050°С), при котором минимален выход пиролизных
газов с минимальной теплотой сгорания.
Низкотемпературный пиролиз отходов осуществляет¬
ся с целью получения первичной смолы — наиболее цен¬
ного источника жидкого топлива и различных химичес¬
ких продуктов. Сухой пиролиз некондиционных каучу¬
ков позволяет получить монометры, которые могут быть
вновь использованы в производстве синтетических каучу¬
ков. Полукокс содержит некоторое количество летучих со¬
единений и может быть использован в качестве энергети¬
ческого и бытового топлива.
Основной целью высоко¬
температурного сухого пиро¬
лиза отходов является получе¬
ние высокотемпературного го¬
рючего газа. Обычно теплота
его сгорания составляет 12-
15 МДж/м3; такой газ можно
транспортировать на значи¬
тельные расстояния.
Кокс, полученный при су¬
хом пиролизе отходов, можно
использовать в различных це¬
лях, например в качестве за¬
менителя природных и синте¬
тических углеродсодержащих
материалов, в качестве сорбен¬
та на станциях водоподготов¬
ки и очистки сточных вод, воз¬
можны и другие направления
его использования.
Сухой пиролиз отходов
можно осуществлять в реак-
Отходы
остатки
Рис. 6.1
Схема реактора для сухого
пиролиза твердых отходов:
1 — кирпичная шахта; 2 — металли¬
ческая реторта; 3 — газовые горелки;
4 — узел гашения и удаления твердо¬
го осадка.
312
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
торах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обо¬
грев применяют в реакторах в виде вертикальных реторт
и во вращающихся барабанных реакторах.
На рисунке 6.1 в качестве примера приведена схема
реактора для сухого пиролиза твердых отходов.
Исследование процессов сжигания, окислительного и
сухого пиролиза и различных осадков сточных вод позво¬
лило установить, что сухой пиролиз наиболее экономи¬
чески эффективен и оказывает наименьшее негативное
влияние на среду обитания. То же самое относится и к ути¬
лизации твердых органических отходов и специальных
промышленных отходов.
6.3.
ОГНЕВОЙ МЕТОД
Огневой метод используется для обезвреживания и
переработки твердых, жидких и газообразных отходов.
Он наиболее универсален, надежен и эффективен по срав¬
нению с другими термическими методами. Сущность его
заключается в сжигании горючих отходов или огневой
обработке негорючих отходов высокотемпературными (бо¬
лее 1000°С) продуктами сгорания топлива. Токсичные
компоненты подвергаются окислению, термическому раз¬
ложения и другим химическим превращениям с образо¬
ванием безвредных газов (С02, Н20, N2) и твердых остат¬
ков (оксидов металлов, солей).
В зависимости от типа отхода и способа обезврежива¬
ния огневой метод подразделяют на три типа: сжигание
отходов, огневой окислительный метод, огневой восста¬
новительный метод.
Сжигание отходов, способных гореть самостоятельно
(горючих отходов), — наиболее простой и надежный ме¬
тод их обезвреживания. Для обеспечения устойчивого про¬
цесса горения сжигание отходов проводится при темпера¬
туре отходящих газов 1200-1300°С.
Огневой окислительный метод обезвреживания него¬
рючих отходов заключается в том, что их вводят в поток
высокотемпературных продуктов сгорания топлива. При
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
313
смешении газообразного отхода с дымовыми газами про¬
исходит его нагрев и окисление горючих компонентов за
счет кислорода дымовых газов или кислорода, содержа¬
щегося в отходе.
Огневой восстановительный метод отличается от ог¬
невого окислительного проведением процесса обезврежи¬
вания (или только стадии огневой обработки) в восстано¬
вительной среде (при отсутствии свободного кислорода в
печной атмосфере).
В зависимости от целевого назначения возможны три
разновидности огневого обезвреживания производствен¬
ных отходов: огневая ликвидация, огневая переработка,
огневая регенерация.
Огневая ликвидация отходов — уничтожение отходов
без каких-либо побочных продуктов, пригодных для даль¬
нейшего использования в качестве сырья или готовых про¬
дуктов. При этом токсичный отход превращается в без¬
вредные дымовые газы и стерильный шлак, сбрасываемый
в отвал. Таким образом обезвреживают многие газообраз¬
ные выбросы, твердые производственные и бытовые отхо¬
ды, значительную часть промышленных сточных вод и
жидких горючих отходов.
Огневая переработка отходов предназначена для обез¬
вреживания жидких отходов, шламов и некоторых твер¬
дых отходов с целью их ликвидации и получения одного
или нескольких побочных продуктов. Примером исполь¬
зования этого процесса является переработка неутилизи-
руемой части бытовых отходов, когда из очаговых остат¬
ков извлекают черные металлы, а сами остатки перераба¬
тывают в щебень или гравий.
Огневая регенерация отходов предназначена для из¬
влечения из отходов какого-либо производства реаген¬
тов, используемых для производства, или восстановле¬
ния свойств отработанных реагентов или материалов. Эта
разновидность огневого обезвреживания отходов являет¬
ся, по существу, звеном экологически чистого производ¬
ства, обеспечивая выполнение не только экологических,
но и ресурсосберегающих целей. Примером использова¬
ния этого процесса является огневая обработка некоторых
314
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
отработанных катализаторов с целью их повторного ис¬
пользования.
Аппараты для огневого обезвреживания и переработ¬
ки отходов включают в себя: слоевые топки, барабанные
вращающиеся печи, многоподовые печи, камерные печи,
шахтные печи, топки котельных агрегатов, реакторы с
псевдоожиженном (кипящим) слоем, пенно-барботажные
реакторы. Из указанных аппаратов для обезвреживания
твердых и пастообразных отходов используются слоевые
топки, камерные печи, барабанные вращающиеся печи,
многоподовые печи, реакторы псевдоожиженного слоя и
циклонные комбинированные реакторы.
6.4.
ОБЖИГ
Для обжига твердых отходов используют топки, печи
и реакторы.
СЛОЕВЫЕ ТОПКИ
Твердые отходы (бумажные мешки, ветошь, деревян¬
ная тара и другие отходы, пропитанные органическими
веществами) сжигают в печи с перевальной стенкой; в пер¬
вой камере осуществляется сжигание твердых отходов в слое
на неподвижной колосниковой решетке, во второй — дожи¬
гание газообразных горючих компонентов. Печь футерова¬
на шамотным кирпичом и заключена в металлический кар¬
кас. Отходы загружают в печь через бункер, расположен¬
ный над ней. Бункер снабжен заслонкой типа мигалки,
которая автоматически закрывает его после загрузки.
Печь оборудована горелкой для сжигания дополнитель¬
ного топлива. Агрегатная нагрузка печи — до 100 кг/ч.
На рисунке 6.2 представлена схема печи с неподвиж¬
ной ступенчатой колосниковой решеткой для сжигания
твердых отходов. Отходы из бункера 1 через шахту 2 по¬
падают на наклонную или ступенчатую колосниковую ре¬
шетку 8. Слой отходов 9 под действием собственного веса
медленно сползает по решетке к месту 7 выгрузки золы.
Органические составляющие отходов сгорают частично в
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
315
Рис. 6.2
Схема печи с неподвижной ступенчатой колосниковой решеткой:
1 — бункер; 2 — шахта; 3 — сопло для подачи вторичного воздуха; 4 — огнеупорная
насадка; 5 — первая ступень топки; 6 — камера дожигания (вторая ступень топки);
7 — подача воздуха; 8 — наклонная колосниковая решетка; 9 — слой отходов.
слое, а частично над слоем 5, куда дополнительно подает¬
ся вторичный воздух через сопло 3. Основное количество
воздуха 7 поступает под решетку. Несгоревшие органичес¬
кие вещества вместе с дымовыми газами проходят огне¬
упорную насадку 4, предназначенную для турбулизации
газового потока, и дожигаются в камере 6. Золу удаляют
из печи вручную. Агрегатная нагрузка печи — до 300 кг/ч.
С учетом особенностей сжигания твердых кусковых
отходов разработаны специальные топочные устройства,
в которых предусмотрены пять зон термической обработ¬
ки отходов. В Германии разработана и широко внедрена в
промышленную практику топка с валковой решеткой си¬
стемы «Дюссельдорф». Ряд зарубежных фирм разработа¬
ли специальные установки со слоевыми топками для сжи¬
гания твердых отходов: фирма «Lurgi» (Германия) — для
сжигания изношенных шин; фирма «Integral» (Австрия)
совместно со швейцарской фирмой «Ofag» —для сжигания
промышленного мусора, шлама и отработанных масел;
316
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
фирма «VoluncU (Дания) — для сжигания твердых про¬
мышленных и больничных отходов и др.
Слоевые топочные устройства с колосниковой решет¬
кой нашли ограниченное применение для сжигания осад¬
ков сточных вод, в основном в смеси с твердыми бытовыми
отходами или твердым топливом. Содержание в отходах
компонентов в пластическом состоянии и легкоплавких
минеральных веществ приводит к замазыванию и зашла¬
ковыванию колосников.
Низкие удельные нагрузки по обезвреживаемым от¬
ходам, сложность организации топочного процесса, гро¬
моздкость и металлоемкость, наличие дорогостоящей ре¬
шетки, повышенные требования к механизации топочных
устройств, высокие капитальные и эксплуатационные рас¬
ходы, а также другие недостатки слоевых топок не позво¬
ляют широко использовать их для сжигания твердых от¬
ходов и осадков сточных вод.
БАРАБАННЫЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПЕЧИ
Барабанные вращающиеся печи широко применяют за
рубежом для огневого обезвреживания твердых отходов и
обезвоженных осадков сточных вод. Барабанная вращаю¬
щаяся печь (рис. 6.3) представляет собой стальной барабан,
футерованный огнеупорными материалами, вращающий¬
ся с частотой 0,8-2 мин-1. Подлежащие сжиганию твердые
отходы (упаковочный материал, пластмассы и др.) с помо¬
щью грейфера подают в печь через загрузочную воронку и
лоток. Обычно поверхность футеровки гладкая, сжигае¬
мый материал скользит по ней, не переворачиваясь, по¬
этому для эффективного выгорания органических ве¬
ществ требуется барабан значительной длины (в ряде слу¬
чаев 15-25 м). Тем не менее наблюдается повышенный
недожог органических веществ в дымовых газах, поэтому
на выходе из печи устанавливают камеру дожигания, слу¬
жащую мерой осаждения золы.
Температуру в барабанной печи в зависимости от вида
отходов поддерживают в интервале 900-1400°С за счет
сжигания горючих жидких отходов (отработанных масел,
растворителей и др.) или дополнительного топлива.
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
317
для сжигания твердых отходов химических производств:
1 — корпус печи; 2 — загрузочное устройство; 3 — горелка; 4 — двухсекционная
разгрузочная камера; 5,6 — золовая и газовая секции; 7 — газоход; 8 — мигалки
для удаления золы.
Ряд зарубежных фирм разработали и ввели в эксплуа¬
тацию централизованные установки с барабанными печа¬
ми для совместного огневого обезвреживания твердых,
пастообразных и жидких отходов с агрегатной нагрузкой
от 2 до 6 т/ч (до 50 000 т/год). Установка включает уст¬
ройства для подготовки и подачи отходов, барабанную
печь с камерой дожигания, котел-утилизатор, распыли¬
тельную сушилку-абсорбер и электрофильтр (тканевый
фильтр). Внутренний диаметр вращающейся барабанной
печи с агрегатной нагрузкой до 4 т/ч равен 3,6 м.
Часть пастообразных, жидких и твердых отходов по¬
ступает на установку в металлических и пластмассовых
бочках. Бочки, заполненные отходами, подают по роль¬
гангу, с которого бочки поштучно сбрасываются через зат¬
вор в барабанной печи (до 12-15 бочек в час). Остальные
твердые отходы поднимают грейферным краном и пода¬
ют в питательную воронку. Жидкие и текучие пастооб¬
разные отходы перекачиваются насосами или передавли¬
вают азотом и распыливают в печи с помощью пневмати¬
ческих (паровых) форсунок.
В России барабанные печи применяют в производстве
цемента, для сушки и обжига различных материалов.
В практике огневого обезвреживания отходов эти печи
пока не нашли широкого применения.
318
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Разделение газового и золового потоков осуществля¬
ется непосредственно в топочном устройстве (см. рис. 6.3).
Узел выгрузки состоит из двух секций, что исключает зах¬
ват золы, осаждающейся в золовой секции, газовым пото¬
ком при дополнительной очистке его в газовой секции (за
счет резкого поворота и снижения скорости потока). Ос¬
новные конструктивные и технологические параметры
установки: агрегатная нагрузка — 0,5 т/ч; диаметр кор¬
пуса печи — 2,2 м; диаметр газохода — 1,0 м; габариты
золовой и газовой секций — 1,5x3,8x4,8 м.
Имеется отечественный опыт огневого обезврежива¬
ния в барабанных печах механически обезвоженных осад¬
ков сточных вод и нефтяных шламов. Донный осадок со¬
держал 4% (по массе) нефтепродуктов, 20% (масс.) воды,
76% (масс.) механических примесей. Агрегатная нагруз¬
ка печи внутренним диаметром 1 м и длиной вращающе¬
гося барабана 6 м составила 300 кг/ч. Скорость вращения
барабана 5 мин-1, время пребывания шлама в печи дости¬
гало 7 мин. Температуру газов в барабанной печи поддер¬
живали на уровне 850-950°С путем подачи 20 кг/ч допол¬
нительного топлива.
Твердый остаток, выгруженный из печи, не содержал
органических примесей и состоял в основном из Si02 (око¬
ло 78%), 12% А1203, 9% СаО.
В России разработаны вращающиеся барабанные печи
для сжигания твердых отходов с агрегатной нагрузкой от
200 до 4000 кг/ч, оснащенные вихревыми дожигателями.
Дожигатель — это цилиндрическая камера с пережимом,
имеющая тангенциальные каналы ввода отходящих из ба¬
рабанной печи газов и воздуха. В дожигателе предусмот¬
рены горелочные устройства для сжигания до температу¬
ры процесса.
Для огневого обезвреживания сухих твердых отходов
и обводненных твердых или пастообразных отходов в од¬
ном агрегате разработана вращающаяся печь (рис. 6.4),
снабженная камерой предварительной термической об¬
работки насыщенных влагой отходов. Камера предвари¬
тельной термической обработки снабжена внутренним
винтовым гребнем, обеспечивающим движение отходов
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
319
Вращающаяся барабанная печь
для обезвреживания насыщенных влагой отходов:
1 — барабан; 2 — камера термической обработки; 3 — камера дожигания; 4,5 —
устройства для загрузки отходов.
в камере в направлении, обратном движению их в бара¬
бане.
Недостатками вращающихся барабанных печей явля¬
ются низкая удельная тепловая и массовая нагрузка то¬
почного объема, высокие капитальные и эксплуатацион¬
ные расходы. Футеровка печи при вращении находится в
условиях частой смены температуры, что вызывает обра¬
зование в ней трещин и быстрый выход из строя. Кроме
того, с целью уменьшения массы барабана выполняют
футеровку небольшой толщины, что вызывает увеличе¬
ние теплопотерь и перерасход дополнительного топлива
на процесс обезвреживания.
В технологическом отношении барабанные вращаю¬
щиеся печи являются наиболее универсальными аппара¬
тами для сжигания крупнодисперсных отходов перемен¬
ного состава и различной консистенции. Перспективно
применение их на централизованных установках (станци¬
ях) совместного обезвреживания твердых и пастообразных
отходов с одновременным использованием получаемой
теплоты для теплофикации, производства пара, выработ¬
ки электроэнергии.
320
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Электростанции с использованием промышленных
отходов в качестве топлива в барабанных печах действу¬
ют в настоящее время в Германии, Финляндии, Швейца¬
рии и других странах.
МНОГОПОДОВЫЕ ПЕЧИ
Многоподовая печь предложена в 1889 г. Херетофом
для обжига пирита в производстве серной кислоты. В даль¬
нейшем она нашла применение в схемах сушки и сжига¬
ния обезвоженных осадков сточных вод в США, Герма¬
нии, Японии и других странах.
Многоподовая печь представляет собой вертикальную
цилиндрическую стальную камеру, футерованную огне¬
упорными материалами и имеющую несколько горизон¬
тальных огнеупорных подов, размещенных друг над дру¬
гом. Обычно используют многоподовые печи диаметром
от 1,5 до 9,0 м с числом подов от 4 до 14. К проходящему
через всю печь центральному валу над каждым подом при¬
креплены радиальные мешалки — от двух до четырех на
под. Каждая мешалка имеет несколько зубьев или плу¬
гов, сгребающих осадок при вращении мешалки. Осадок
загружается у периферии верхнего пода, сгребается к цен¬
тру и опускается во второй под. Здесь он сгребается к от¬
верстиям на периферии, через которые попадает на следу¬
ющий под. Чередующиеся (центральные и периферийные)
отверстия подов и встречное движение восходящего газо¬
вого потока и опускающегося осадка обеспечивают кон¬
такт между горячими дымовыми газами и загружаемым
осадком, что способствует полному сжиганию отхода.
Центральный вал чаще всего изготовляют из чугуна,
внутри вала размещена труба подачи холодного воздуха.
Нагретый воздух из верхней части центрального вала
обычно направляется к самому нижнему поду, где исполь¬
зуется в качестве дутья.
РЕАКТОРЫ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
Для огневого обезвреживания жидких, твердых и па¬
стообразных отходов применяют реакторы с пеевдоожи-
женным слоем. Основой для разработки конструкции ре-
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
321
акторов этого типа явились соответствующие аппараты,
применяемые в химической технологии. Принцип рабо¬
ты реакторов с псевдоожиженным слоем состоит в подаче
горючих газов (воздуха) через слои инертного материала
(песок с размером частиц 1-5 мм), поддерживаемого ко¬
лосниковой решеткой. При критической скорости потока
газа инертный слой переходит во взвешенное состояние,
напоминающее кипящую жидкость. Поступивший в ре¬
актор отход интенсивно перемешивается с инертным сло¬
ем при этом существенно интенсифицируется теплообмен.
Псевдоожижение слоя материала может быть осуществ¬
лено в реакторах различных конструкций с горизонтальны¬
ми перфорированными перегородками, предназначенными
для поддержания материала до и после псевдоожижения,
а также для равномерного распределения ожижающего
агента по сечению аппарата (рис. 6.5). Реактор с псевдо¬
ожиженным слоем для сжигания осадков изготовляют ди¬
аметром от 2,7 до 9 м. Осадки подают в реактор либо над
Рис. 6.5
Схема реактора с псевдоожиженным слоем:
1 — воздух для псевдоожижения; 2 — твердый продукт; 3 — слой инертного но¬
сителя (песок) в твердой фазе; 4 — граница псевдоожиженного слоя; 5 — корпус;
6 — унос золы; 7 — поток загружаемых отходов; 8 — загрузка отходов; 9 — отхо¬
дящие газы; 10 — сепаратор; 11 — возврат пыли; 12 — решетка.
322
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
слоем инертного носителя (песка), либо непосредственно
в слой. Обычно осадки бытовых сточных вод подают в слой
носителя.
Процессы в псевдоожиженном слое проводят при тем¬
пературах, не приводящих к расплавлению или спеканию
реагирующих материалов. В псевдоожиженном слое мож¬
но сжигать битуминозные сланцы. Бурые угли с высоким
содержание золы, углесодержащие остатки после сгорания
и т. п. Интенсивное перемешивание частиц при сжигании
топлива в таких реакторах обеспечивает высокую теплопе¬
редачу между слоем и поверхностями нагрева, погружен¬
ными в слой, что приводит к уменьшению габаритов котло¬
агрегата. Для связывания оксидов серы в псевдоожижен¬
ный слой добавляют известняк или доломит, в результате
чего образуется нейтральный сульфат кальция.
Начиная с 1960-х гг. реакторы с псевдоожиженным
слоем получили широкое распространение для сжигания
и обезвоживания осадков сточных вод. Такие реакторы
используют в РФ, США, Германии, Японии, Франции,
Швейцарии и других странах.
Сжигание осадков в печах с псевдоожиженным сло¬
ем осуществлено в промышленных масштабах в одном
из российских целлюлозно-бумажных комбинатов. Оса¬
док (шлам из первичных отстойников) и избыточный
активный ил, предварительно подсушенный в гребковой
сушилке дымовыми газами, поступает в реактор сверху
над слоем песка. Отходящие газы используют для подо¬
грева дутьевого воздуха. Получены следующие показате¬
ли работы реактора: нагрузка сухого вещества (по проек¬
ту 1,18 т/ч); при этом расход мазута в среднем 450 кг,
кварцевого песка 110 кг на 1 т сухого вещества осадка;
температура слоя песка 725-765°С, коэффициент избыт¬
ка воздуха в реакторе изменялся в пределах 1,36-2,08.
ЦИКЛОННЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ РЕАКТОРЫ
Наиболее эффективными и универсальными реакто¬
рами для огневого обезвреживания промышленных отхо¬
дов являются циклонные реакторы. Их достоинства обус¬
ловлены главным образом аэродинамическими особенно¬
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
323
стями (вихревой структурой газового потока), обеспечи¬
вающими высокую интенсивность и устойчивость процес¬
са сжигания топлива с очень малыми тепловыми потерями
при минимальных избытках воздуха, а также наиболее бла¬
гоприятными условиями тепло- и массообмена между га¬
зовой средой и каплями (частицами) отхода, вследствие
больших относительных скоростей и высокой степени тур¬
булентности. Все это позволяет создавать малогабаритные
реакторы с удельными нагрузками, в десятки раз превы¬
шающими нагрузки барабанных многоподовых, шахтных
и других печей.
Небольшие габариты циклонных реакторов и эффек¬
тивная центробежная сепарация позволяют использовать
гарниссажную футеровку взамен кирпичной. Это дает воз¬
можность, во-первых, обезвреживать сильно минерализи¬
рованные отходы с улавливанием подавляющего количества
(80-90%) минеральных веществ и выпуском их из реакто¬
ра в виде расплава и, во-вторых, длительное время эксплу¬
атировать реактор без суще¬
ственного увеличения тепло-
потерь в окружающую среду.
Один из типов английско¬
го циклонного реактора пред¬
ставлен на рисунке 6.6. В этом
устройстве совмещены цик¬
лонный и слоевой принципы
организации огнетехническо¬
го процесса. Его производи¬
тельность составляет 1000-
1500 кг/ч отходов. Конструк¬
тивно реактор представляет
собой вертикальную цилинд¬
рическую камеру с верхним
выпуском газов и вращающим¬
ся подом, внутренним диамет¬
ром 4,38 м и высотой 6,6 м.
Примером другой конст¬
рукции может служить аме¬
риканский циклонный реак-
Рис. 6.6
Циклонный реактор фирмы
Lucas (Великобритания) для
сжигания пастообразных
осадков сточных вод:
1 — вращающийся под; 2 — отвер¬
стие для выпуска шлака; 3 — откло¬
няющее устройство; 4 — ввод осад¬
ков; 5 — ввод топлива и воздуха.
324
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
Схема горизонтального циклонного реактора фирмы General Electric
Со. (США) для сжигания твердых пылевидных отходов:
1 — камера сгорания; 2 — кожух; 3 — огнеупорные материалы; 4 — штуцер под¬
вода материала; 5 — горелка; 6 — воздушная камера; 7 — трубопровод; 8 — вен¬
тилятор; 9 — дымовая труба.
Рис. 6.8
Схема комбинированного реактора
для огневого обезвреживания
твердых и пастообразных отходов:
1 — циклонная камера сгорания; 2 — го¬
релка дополнительного топлива; 3 — пи¬
татель-распылитель отходов; 4 — цилин¬
дрическая вставка-газоход; 5 — решетка.
тор, предназначенный для сжигания диспергированных
твердых отходов и пастообразных осадков сточных вод.
Поток смеси распыленных отходов с воздухом проводит¬
ся в горизонтальный циклонный реактор (рис. 6.7), где
органические вещества сгорают, а минеральные примеси
выносятся дымовыми газами и частично улавливаются в
циклонном сепараторе.
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
325
При огневом обезвреживании пастообразных и твер¬
дых отходов в вертикальных циклонных реакторах с твер¬
дым шлакоудалением наблюдается повышенный механи¬
ческий недожог. Для его устранения разработан комби¬
нированный реактор (рис. 6.8). Термообработка мелких
фракций происходит в объеме циклонной камеры, а круп¬
ные фракции (несгоревшие или не полностью сгоревшие
частицы отходов), отсепарированные под действием зак¬
рученного потока, попадают в псевдоожиженпый слой
инертного материала, например минеральных составляю¬
щих крупных фракций. В псевдоожиженном слое круп¬
ные фракции проходят дополнительную термообработку
и полностью выгорают.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что представляет собой газификация, каковы ее преимуще¬
ства по сравнению с методом сжигания?
2. Опишите две разновидности пиролиза.
3. Перечислите три вида сухого пиролиза.
4. В чем заключается сущность огневого метода?
5. Назовите три разновидности огневого обезвреживания произ¬
водственных отходов.
6. Какие существуют аппараты для огневого обезвреживания и
переработки отходов?
7. Что представляют собой слоевые топки и барабанные вращаю¬
щиеся печи?
8. Опишите работу многоподовой печи.
9. Что представляют собой реакторы с псевдоожиженным слоем?
10. Опишите принцип действия циклонных и комбинированных
реакторов.
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIW
ПОСЛЕСЛОВИЕ
Техногенное воздействие человека на среду обитания —
это целенаправленный процесс технической деятельнос¬
ти человека в биосфере и околоземном пространстве. Ос¬
новным негативным последствием этого воздействия яв¬
ляется загрязнение окружающей среды.
Защитить среду обитания от техногенного воздействия
можно двумя путями: используя экологически чистые и
экозащитные процессы и технологии. Каждое из этих на¬
правлений представляет собой систему научных, техни¬
ческих и экологических методов, приемов и средств,
предназначенных для защиты среды обитания и челове¬
ка в ней.
Существенное внимание в настоящее время уделяется
такому современному инновационному методу переработ¬
ки отходов, как рециклинг. Он направлен на предотвра¬
щение образования и утилизации отходов. В настоящее
время в мировой практике переработки отходов в разви¬
тых странах его доля превышает 70%, часть отходов унич¬
тожается термическими методами. Все это позволяет све¬
сти к минимуму количество отходов, размещаемых на по¬
лигонах, что позволяет снизить техногенное воздействие
на среду обитания, повысив тем самым ее экологическую
безопасность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимова, Т. А. Экология: человек — экономика — биота —
среда / Т. А. Акимова, В. В. Хаскин. — 3-е изд., перераб. и
доп. — М. : ЮНИТИ, 2006.
2. Арбузов, Г. М. Оценка химической опасности предприятий в
системе страхового экологического аудита / Г. М. Арбузов,
Б. М. Ласкин, В. Г. Горский [и др.] // Теория и практика эко¬
логического страхования : тр. IV Всерос. и II Междунар.
конф. — М. : ИПР РАН, 2000.
3. Башкин, В. Н. Экологические риски. Расчет, управление,
страхование. — М. : Высш. шк., 2007.
4. Бессер, А. Д. Некоторые аспекты состояния и перспективы
развития производства свинца в РФ // Цветные металлы. —
2008. — № 1. — С. 24-28.
5. Бретпшнайдер, С. Общие основы химической технологии /
С. Бретшнайдер, В. Кавецкий, Я. Лейко. — Л. : Химия, 1977.
6. Быков, А. А. Проблемы анализа безопасности человека, обще¬
ства и природы / А. А. Быков, Н. В. Мурзин. — СПб. : Наука,
1997.
7. Галевский, Г. В. Металлургия вторичного алюминия / Г. В. Га-
левский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минуис. — Новосибирск : На¬
ука, 1998.
8. Измалков, В. И. Техногенная и экологическая безопасность и
управление риском / В. И. Измалков, А. В. Измалков ; под ред.
В. А. Владимирова // МЧС России, Центр стратег, исслед.
гражд. защиты РАН, С.-Петерб. н.-и. центр экол. безопаснос¬
ти. — СПб., 1998.
9. Исаева Парцвания, Н. В. Выбросы вредных веществ при эле¬
ктрохимической переработке свинцово-кислотных аккумуля¬
торов в электролитах на основе кремнефтористо-водородной кис¬
лоты / Н. В. Исаева-Парувания, А. И. Сердюк, А. Б. Ступин //
Доцецьк Весшк Донецького университету. Природшч1наукь —
Вип. 2.42. — 2005.
328
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
10. Кафарову В. В. Системный анализ процессов химической тех¬
нологии / В. В. Кафаров, И. Н. Дорохов, С. Ю. Арутюнов. —
М. : Наука, 1985.
11. КривошеиНу Д. А. Системы защиты среды обитания : в 2 т. /
Д. А. Кривошеин, В. П. Дмитренко, Н. В. Федотова. — М. :
Академия, 2014. — Т. 1.
12. КривошеиНу Д. А. Системы защиты среды обитания : в 2 т. /
Д. А. Кривошеин, В. П. Дмитренко, Н. В. Федотова. — М. :
Академия, 2014. — Т. 2.
13. Кунаеву А. М. Электротермия и металлургия вторичного свин¬
ца: теория и практика. — Алма-Ата : Наука, 1980.
14. Купрякову Ю. П. Производство тяжелых цветных металлов из
лома и отходов. — Харьков : Основа, 1992.
15. Лапину В. Л. Основы экологических знаний инженера / В. Л. Ла¬
пин, А. Г. Мартинсен, В. М. Попов. — М. : Экология, 1996.
16. ЛаскориНу Б. Н. Безотходное производство в металлургии /
Б. Н. Ласкорин, В. И. Чалов. — М. : Металлургия, 1988.
17. Морачевскийу А. Г. Переработка вторичного сырья. — СПб. :
Химия, 1993.
18. Морачевскийу А. Г. Физикохимия рециклинга свинца. —СПб.:
Изд-во Политех, ун-та, 2009.
19. Никитину А. Т. Экология, охрана природы, экологическая
безопасность / А. Т. Никитин, С. А. Степанов. — М. : Изд-во
МНЭПУ : Новь, 2000.
20. НиколиСу Г. Познание сложного. Введение = Exploring comlexity.
An introduction : Exploring comlexity. An introduction / Г. Ни-
колис, И. Пригожин ; предисл. Г. Г. Малинецкого ; пер. с англ.
В. Ф. Пастушенко. — 3-е изд., доп. — М. : URSS : Изд-во ЛКИ,
2008.
21. Погосяну А. А. Переработка использованных аккумуляторов —
основы рециклинга свинца. — М. : ФГУП «ЦНИИФТОМИН-
ФОРМ», 2005.
22. РеймерСу Н. Ф. Природопользование : словарь-справочник. —
М. : Мысль, 1990.
23. Родионову А. И. Техника защиты окружающей среды / А. И. Ро¬
дионов, В. Н. Клушин, Н. С. Торочешников. — 2-е изд., пере-
раб. и доп. — М. : Химия, 1989.
24. Сусуму Само. Реинжиниринг окружающей среды / Сато Сусу-
му, Кумамото Хиромицу // Акад. проблем безопасности, оборо¬
ны и правопорядка, Ин-т проблем устойчивого развития Северо-
Запад. региона; пер. с англ. Е. Д. Соложенцева; под ред. Б. П. Ив¬
ченко и Е. Д. Соложенцева. — СПб. : Бизнес-пресса, 2002.
25. Харламова у М. Д. Экологически чистые технологии и производ¬
ства. Теория и практика : в 3 ч. / М. Д. Харламова, В. П. Зво-
линский, Д. А. Кривошеин. — М. : Рос. ун-т дружбы народов,
2007. — Ч. 1 : Теоретические основы.
26. Харламова, М. Д. Экологически чистые технологии и произ¬
водства. Теория и практика : в 3 ч. / М. Д. Харламова, В. П. Зво-
линский, Д. А. Кривошеин. — М.: Рос. ун-т дружбы народов,
2007. — Ч. 2 : Прикладные аспекты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
329
27. Харламова, М. Д. Экологически чистые технологии и произ¬
водства. Теория и практика : в 3 ч. / М. Д. Харламова, В. П. Зво-
линский, Д. А. Кривошеин. — М. : Рос. ун-т дружбы народов,
2007. — Ч. 3 : Практические занятия.
28. Черноусое, П. И. Рециклинг. Технологии переработки и ути¬
лизации техногенных образований и отходов в черной метал¬
лургии. — М. : МИСиС, 2011.
29. Шмитц, К. Рециклинг алюминия. — М. : Алюмосил МВиТ,
2008.
30. Шубов, Л. Я. Технология твердых бытовых отходов / Л. Я. Шу-
бов, М. Е. Ставровский, А. В. Олейник. — М. : Уником Сервис,
2011.
31. Эткинс, П. Физическая химия. — М. : Мир, 1980. — Т. 1.
32. Тара и упаковка : Тара деревянная. Тара и упаковка из поли¬
мерных материалов. Тара и упаковка картонно-бумажные и
текстильные. Тара стеклянная и керамическая. Тара метал¬
лическая. Оформление тары и упаковки. — М. : Бизнес-кар¬
та, 1994.
33. ГОСТ 30166-95. Ресурсосбережения. Основные положения. —
Введ. 01-01-2002. — М. : Госстандарт России : Изд-во стандар¬
тов, 2001.
34. ГОСТ 30167-95. Ресурсосбережение. Порядок установления
показателей ресурсосбережения в документации на продук¬
цию. — Введ. 01-01-2002. — М. : Госстандарт России : Изд-во
стандартов, 2001.
35. ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методичес¬
кое обеспечение. Основные положения. — Введ. 01-07-2000. —
М. : Госстандарт России : Изд-во стандартов, 2004.
36. ГОСТ Р 51379-99. Энергосбережение. Энергетический паспорт
промышленного потребителя топливно-энергических ресурсов.
Основные положения. Типовые формы. — Введ. 01-09-2000. —
М. : Госстандарт России : Изд-во стандартов, 2004.
37. ГОСТ 30772-2001. Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Термины и определения. — Введ. 01-07-2002. — М. : Госстан¬
дарт России : Изд-во стандартов, 2002.
38. ГОСТ Р 51769-2001. Ресурсосбережение. Обращение с отхода¬
ми. Документирование и регулирование деятельности по об¬
ращению с отходами производства и потребления. Основные
положения. — Введ. 01-01-2002. — М. : Госстандарт России :
Изд-во стандартов, 2001.
39. ГОСТ 30773-2001. Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Этапы технологического цикла. Основные положения. — Введ.
01-07-2002. — М. : Госстандарт России: Изд-во стандартов,
2002.
Illllllllllllllllllllllilillllllllllllllllilllillllili
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 5
Глава первая
Опасность и безопасность в экологической сфере 7
1.1. Понятие и основные характеристики опасностей .... 7
1.2. Понятие экологической безопасности 14
1.3. Факторы антропогенного воздействия
на окружающую среду 19
1.4. Классификация видов загрязнения
окружающей среды 22
1.5. Экологический анализ промышленного региона 24
1.6. Экологический риск 27
Глава вторая
Инженерные методы обеспечения
экологической безопасности 34
2.1. Подавление выделения токсичных веществ
и вредных излучений
в источнике их образования 35
2.2. Снижение концентраций токсичных веществ
в промышленных выбросах и сбросах
до безопасных значений 36
2.3. Снижение интенсивности вредных излучений
до нормативных величин 42
2.4. Решение вопросов переработки, утилизации,
ликвидации или захоронения
образующихся отходов 46
2.5. Создание малоотходных
и безотходных производств 50
2.5.1. Основные понятия 50
2.5.2. Принципы организации малоотходных
и безотходных производств 52
ОГЛАВЛЕНИЕ
331
2.5.3. Требования, предъявляемые
к безотходным технологическим
процессам и аппаратам 54
2.5.4. Требования, предъявляемые к сырью,
материалам и энергоресурсам.
Виды «чистой» энергии 55
2.5.5. Требования, предъявляемые
к готовой продукции и упаковке 58
2.5.6. Теоретические основы
безотходной технологии 59
2.5.7. Принципы реорганизации индустриального
производства в малоотходное
экологически чистое производство 64
2.5.8. Рециркуляция водных потоков и создание
оборотных систем водоснабжения 65
Глава третья
Критерии безопасности, безотходности
и экологичности производств 71
3.1. Критерии экологической безопасности 71
3.2. Критерии безотходности
и экологичности производств 84
Глава четвертая
Термодинамический подход к оценке техногенного
воздействия на окружающую среду 101
4.1. Использование энтропии и свободной энергии 101
4.2. Энергетический баланс процесса производства.
Использование эксергии 120
4.3. Практическое использование понятия эксергии .... 125
Глава пятая
Технологические основы
экологической безопасности 128
5.1. Приоритеты экологической безопасности 128
5.2. Рециклинг материалов 130
5.2.1. Основные понятия 130
5.2.2. Рециклинг пластмасс 131
5.2.3. Виды и области применения
основных полимерных материалов 161
5.2.4. Маркировка полимеров 173
5.2.5. Краткая характеристика
полимерных отходов 176
5.2.6. Основные операции переработки
полимерных отходов и области использования
изделий, изготовленных из них 178
5.2.7. Примеры оборудования
для рециклинга отходов полимеров 180
332
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ
5.2.8. Утилизация белой жести 186
5.2.9. Рециклинг алюминия 201
5.2.10. Рециклинг свинца 219
5.2.11. Рециклинг черных металлов 239
5.2.12. Рециклинг бумаги и картона 276
5.2.13. Рециклинг стеклянной тары
и использование отходов стекла 285
5.2.14. Рециклинг и переработка резиновых шин. . . . 295
Глава шестая
Термическая обработка отходов 308
6.1. Газификация 308
6.2. Пиролиз 309
6.3. Огневой метод 312
6.4. Обжиг 314
Послесловие 326
Список литературы 327
Дмитрий Александрович КРИВОШЕИН,
Владимир Петрович ДМИТРЕНКО,
Наталья Владимировна ФЕДОТОВА
ОСНОВЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВ
Учебное пособие
Зав. редакцией инженерно-технической
литературы Т. Ф. Гаврильева
Ответственный редактор С. В. Макаров
Технический редактор О. О. Николаева
Корректор Т. А. Кошелева
Подготовка иллюстраций А. 77. Маркова
Верстка М. И. Хетерели
Выпускающие Я. А. Крылова, Г. С. Симонова
ЛР № 065466 от 21.10.97
Гигиенический сертификат 78.01.07.953.П.007216.04.10
от 21.04.2010 г., выдан ЦГСЭН в СПб
Издательство «ЛАНЬ»
lan@lanbook.ru; www.lanbook.com
192029, Санкт-Петербург, Общественный пер., 5.
Тел./факс: (812) 412-29-35, 412-05-97, 412-92-72.
Бесплатный звонок по России: 8-800-700-40-71
Подписано в печать 12.01.15.
Бумага офсетная. Гарнитура Школьная. Формат 84x108 */з2-
Печать офсетная. Уел. п. л. 17,64. Тираж 1000 экз.
Заказ №261.
Отпечатано в полном соответствии
с качеством предоставленных диапозитивов
в ОАО « Издательско-полиграфическое предприятие «Правда Севера»
163002, г. Архангельск, пр. Новгородский, д. 32.
Тел./факс (8182) 64-14-54; www.ippps.ru
ГДЕ КУПИТЬ
ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИЙ:
Для того, чтобы заказать необходимые Вам книги,
достаточно обратиться в любую из торговых компаний
Издательского Дома «ЛАНЬ»:
по России и зарубежью
«ЛАНЬ-ТРЕЙД»
192029, Санкт-Петербург, ул. Крупской, 13
тел(812) 412-85-78,412-14-45,412-85-82
тел./факс: (812) 412-54-93
e-mail: trade@lanbook.ru
ICQ: 446-869-967
www.lanpbl.spb.ru/price.htm
в Москве и в Московской области
«ЛАНЬ-ПРЕСС»
109263, Москва, 7-ая ул. Текстильщиков, д. 6/19
тел.: (499) 178-65-85
e-mail: lanpress@lanbook.ru
в Краснодаре и в Краснодарском крае
«ЛАНЬ-ЮГ»
350901, Краснодар, ул. Жлобы, д. 1/1
тел.: (861) 274-10-35
e-mail:lankrd98@mail.ru
ДЛЯ РОЗНИЧНЫХ ПОКУПАТЕЛЕЙ:
интернет-магазины:
Издательство «Лань»: http://www.lanbook.com
«Сова»: http://www.symplex.ru
«Ozon.ru»: http://www.ozon.ru
«Библион»: http://www.biblion.ru
Издательство
«ЛАНЬ» лань®
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ
ЛИТЕРАТУРА
ДЛЯ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
Мы издаем новые
и ставшие классическими учебники
и учебные пособия по общим
и общепрофессиональным
направлениям подготовки.
Большая часть литературы
издательства «ЛАНЬ»
рекомендована Министерством образования
и науки РФ и используется вузами
в качестве обязательной.
Мы активно сотрудничаем
с представителями высшей школы,
научно-методическими советами
Министерства образования и науки РФ,
УМО по различным направлениям
и специальностям по вопросам грифования,
рецензирования учебной литературы
и формирования перспективных планов издательства.
Наши адреса и телефоны:
РФ, 192029, Санкт-Петербург, Общественный пер., 5
(812) 412-29-35,412-05-97,412-92-72,336-25-09
www.lanbook.com
Кривошеин Дмитрий Александрович — кандидат
технических наук, доцент кафедры «Промышленная
экология и безопасность производства» МАТИ-РГГУ имени
К. Э. Циолковского, имеет более 40 лет научной и препода¬
вательской работы, является автором 7 учебных пособий
с грифом Министерства образования и науки и более 150
публикаций, а также является автором авторских свиде¬
тельств и патентов РФ.
Научная деятельность Д. А. Кривошеина связана
с исследованиями в области технологии тугоплавких
неметаллических материалов и техносферной безопасности.
Дмитренко Владимир Петрович — доктор технических
наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная
экология и безопасность производства» МАТИ-РГТУ имени
К. Э. Циолковского, член-корреспондент Российской
академии естественных наук, действительный член
Российской академии космонавтики имени К. Э. Циолковско¬
го. Академии проблем качества. Международной академии
наук экологии, безопасности человека и природы.
Американского сообщества материаловедов (MRS),
известный специалист в области технологии полимерных
композиционных материалов и управления качеством, автор
более 200 научных трудов, в том числе 6 монографий
и 37 авторских свидетельств и патентов РФ.
Научная деятельность В П Дмитренко связана с исследова¬
ниями в области технологии авиационно-космических
конструкций из композиционных материалов и моделирова¬
ния и безопасности производственных процессов.
Федотова Наталья Владимировна — кандидат техничес¬
ких наук, доцент кафедры «Промышленная экология
и безопасность производства» МАТИ-РГТУ имени
К. Э. Циолковского, имеет 10 лет опыта научной и препода¬
вательской работы, является автором более 20 научных
трудов, в том числе одного учебного пособия с грифом
Министерства образования и науки.
Научная деятельность Н. В Федотовой связана с исследо¬
ваниями в области математического моделирования
процессов очистки сточных вод и техносферной безопас¬
ности