Ресурсосбережение окружающей среды

 

ВВЕДЕНИЕ.

Ресурсосбережение, энергосбережение  и охрана природы - одна из важнейших  проблем, стоящих перед человечеством  в XXI в.

Непрерывный рост населения  Земли (число жителей на планете  в конце XX в. превысило 6 млрд. человек) связан с соответствующим непрерывным  увеличением мирового потребления  энергии, заметным увеличением потребления  воды, уменьшением площадей, занятых  лесами и т. д. На этом фоне особенно заметны рост количества бытовых  отходов и массы сточных вод, деградация земель (отчуждение земли  населенными пунктами, промышленностью, транспортом, опустынивание, химическое загрязнение), загрязнение атмосферы и т. д.

В ряде промышленно развитых стран расходы, связанные с решением проблем экологии и охраны природы, уже превысили 2,0-2,5 % по отношению  к валовому национальному продукту. Правила инженерного подхода  к организации технологий производства часто стали обозначать, как правила  «ЗЕ» (Energy + Ecology + Economy), или по-русски «ЗЭ» (Энергия + Экология + Экономия).

Природа и человек. Развитие человеческого общества происходило  и происходит в постоянном взаимодействии с природой. Влияние человека на природу, окружающую среду неизбежно; оно усиливается по мере развития производительных сил и увеличения массы веществ, вовлекаемых в  хозяйственный оборот. В настоящее  время воздействие человека на природу  приобретает такие масштабы, что  в отдельных регионах возможны нарушения  существующего в природе относительного равновесия, причем эти нарушения  могут стать необратимыми.

Основные виды нежелательного воздействия человека на окружающую среду: загрязнение атмосферы, загрязнение  гидросферы, загрязнение земной поверхности, истощение природных ресурсов (нерациональное использование полезных ископаемых, забор огромного количества пресной  воды, отчуждение или приведение в  негодность для сельскохозяйственного  использования больших площадей, занятых промышленным строительством, территорий, используемых под шлаковые отвалы, терриконы и т. п., вырубка  лесов и т. д.).

Проблема экономии энергоресурсов возникла во второй половине нашего столетия.В последние годы к ее решению начали подходить на научной основе - комплексно и всеобъемлюще.Бездумное расходование природных ресурсов:угля,нефти,газа,вырубка лесов(испозование древисины как сырье для промышленности),постоянно возрастающее потребление энергии - все это население планеты расходует на свои бытовые нужды,а бурно развивающаяся промышленность - на технические. Обострению этой проблемы способствовало поднятие цен на нефть и газ международными нефтяными концернами,что позволило им резко увеличить свои прибыли. Рзаразился так называемый энергетический кризис. Сегодня как никогда встает вопрос об экономии энергоресурсов и рациональном их использовании во всех областях человеческой жизни. Почти в любом производстве имеются реальные резервы экономии энергии. Если выявить эти резервы и более рационально организовать технологические процессы,то потребление энергии можно сократить по крайней мере в 1,5 раза.Это даст народному хозяйству страны огромный экономический эффект.

Основная задача экологии — изучение количественными методами основ структуры и функционирования природных и созданных человеком систем, сохранение ресурсов, рациональное природопользование.

Природопользование —  это понятие включает в себя совокупность воздействий человечества на географическую оболочку Земли. Рассматривается в  комплексе (в отличие от отраслевых понятий, таких, как водопользование, землепользование, лесопользование  и т. п.). Различают рациональное и  нерациональное природопользование.

Рациональное природопользование направлено на максимальное использование  каждого природного территориального комплекса, предотвращение (или максимальное снижение) возможных вредных последствий  каких-либо видов человеческой деятельности, поддержание и повышение продуктивности и привлекательности природы, на обеспечение и регулирование  экономического освоения её ресурсов.

Составные части рационального  природопользования — охрана, освоение и преобразование природы — проявляются  в разных формах при использовании  практически неисчерпаемых ресурсов (энергии солнечного и подземного тепла, приливов и отливов и т. п.), главное — минимум расходов и максимум к.п.д. установок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

В сознании людей металлургия  ассоциируется с большим экологическим  злом. Колоссальные объемы перерабатываемого  сырья, широчайшее использование высокотемпературных  технологий и процессов горения  предопределяют соответствующее воздействие  на окружающую среду. Влияние металлургии  на природу и человека особенно велико в регионах расположения металлургических комбинатов большой мощности. Это  дополнительная плата за получение  металлов - основы современной цивилизации. Жизнь человека невозможно представить  без металлов, что находит отражение  даже в классификации эпох (бронзовый, железный века). Так чтó, металлургия действительно неизбежное экологическое зло?

Еще 30-40 лет назад были прогнозы, согласно которым объем  произведенных к концу XX века металлов (металлофонд) будет вполне достаточен для дальнейшего существования и развития цивилизации. Поэтому задача металлургии свелась бы к многократному использованию (переплаву) имеющегося металлофонда.

При таком развитии многие экологические и сырьевые проблемы металлургии должны были исчезнуть. Однако время показало несостоятельность  этих прогнозов.

Мировое производство чугуна и стали на рубеже веков достигло примерно 550 млн. и почти 800 млн. т  соответственно, то есть только треть  производства стали обеспечивается переработкой вторичных ресурсов. Хотя использование металлофонда возросло, это не привело к существенному снижению производства “первородных” металлов из руд, что обусловлено двумя причинами. Основная – это возрастающие потребности в металлах. Кроме того, опыт многократного переплава металлолома выявил значительные проблемы: необходимость сортировки, накопление вредных примесей, трудности переработки крупногабаритных изделий.

Неснижающиеся объемы производства остро требуют решения сопутствующих экологических проблем,прежде всего утилизации накапливаемых отходов.

Одновременно из-за истощения  запасов минерального сырья возникают задачи ресурсосбережения . Эти проблемы и задачи взаимосвязаны. Для экологии идеальная организация технологии предполагает использование побочных продуктов и отходов одного производства в других. Одновременно это идеальная схема ресурсосберегающей технологии, то есть задачи экологии и ресурсосбережения во многом совпадают и объединяются в единую глобальную ресурсоэкологическую задачу. Таким образом, утилизация техногенных отходов является комплексной ресурсоэкологической проблемой. Как решается эта проблема, и какие пути ее реализации возможны в черной металлургии?

 

ОБРАЗОВАНИЕ ОТХОДОВ В  МЕТАЛЛУРГИИ

Ухудшение экологической  обстановки металлургией небезосновательно  связано с загрязнением атмосферы, но его не следует и преувеличивать. В выбросах оксида серы мировой вклад  металлургии составляет 15% (более  половины из них дает цветная металлургия), столько же - химия, а лидирует энергетика (70%). Аналогичное соотношение характерно и для оксидов азота. Методы очистки газов хорошо разработаны и одинаковы для всех отраслей промышленности, поэтому мы не затрагиваем эти вопросы. Однако металлургия является источником и огромной массы твердых отходов (рис. 1).

Основной путь получения  металлов - пирометаллургия, использующая высокотемпературные процессы. Выплавке металла предшествуют обогащение и  подготовка руд: агломерация (спекание железорудного сырья) в черной металлургии, плавка на штейн (расплав сульфидов металлов) в цветной металлургии. На каждой операции образуются отходы. Их можно разделить на предшествующие металлургическому переделу и сопутствующие ему.

Обогащение руд приводит к образованию хвостов - дисперсной фракции с низким содержанием  основного компонента. Другой пример - красные шламы, отходы переработки  бокситов на глинозем Al2O3 . Они содержат до 50-60% Fe2O3 , а их запасы превышают 150 млн. т. Отходы, сопутствующие металлургическим переделам, включают несколько видов. При выплавке металлов формируются  шлаки, основу которых составляют оксиды. Это наиболее массовый вид отходов. Работа металлургических агрегатов  сопровождается выносом пыли с отходящими газами. При мокрой газоочистке эта  пыль в отстойниках превращается в кашеобразную массу (шлам). При  последующих переделах (разливка стали, прокатка) образуются окалина и обрезь (скрап). Основным полезным компонентом отходов металлургии, включая цветную, является железо, и решение ресурсоэкологической задачи их утилизации может быть получено в черной металлургии.

Рисунок 1. Образование и  использование отходов металлургии.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ  ОПАСНОСТИ ОТХОДОВ.

Экологическая опасность  отходов определятся сочетанием многих факторов. Прежде всего это их физическое состояние, химический состав и наличие экотоксикантов. Техногенные отходы металлургии часто содержат элементы, опасные для человека и экосистемы. Это мышьяк, сера, фосфор, тяжелые цветные металлы - цинк, свинец, кадмий. Экологическая опасность таких отходов резко возрастает из-за их дисперсности.

Наибольшую угрозу представляют пыли и шламы, которые рассеиваются ветром при хранении. Малые

размеры частиц способствуют переходу элементов в водорастворимые  соединения, так называемому выщелачиванию. Из-за амфотерности многих металлов выщелачивание  происходит при любом рН. Вредные  вещества и ионы тяжелых металлов попадают в воду и почву. Очень  токсичны пыли электросталеплавильных печей, в которых также содержатся хлор и фтор (в США плата за их хранение составляет десятки долларов за 1 т). Концентрация вредных компонентов  в пылях и шламах в десятки и сотни раз больше, чем в шлаках, что связано с летучестью многих примесей. Поэтому уже простой перевод пыли в компактное состояние (спекание, сплавление) дает значительный экологический эффект. Вредные примеси содержатся и в шлаках цветной металлургии, однако здесь они находятся в компактном состоянии шлакового монолита, что существенно снижает экологическую опасность. Еще инертнее шлаки черной металлургии.

Таким образом, отходы металлургии  включают и высокотоксичные материалы (пыли), и относительно инертные (доменные шлаки). Но даже складирование сотен  миллионов тонн отходов требует  отторжения больших площадей.

 

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ В  МЕТАЛЛУРГИИ

Главными факторами, определяющими  возможность экологически безопасной утилизации отходов, вновь становятся их физическое состояние и химический состав. На это накладываются технические  возможности существующих технологий и экономическая целесообразность с учетом экологической перспективы. Можно выделить три подхода к  утилизации отходов: прямое использование, переработка с извлечением полезных компонентов, уничтожение. Наиболее рациональны  первые два, но не все отходы можно  переработать. Несмотря на наличие  полезных компонентов, на настоящем  этапе может не существовать эффективных  технологий их извлечения. Такие отходы дешевле и безопаснее уничтожить. Рассмотрим направления утилизации отходов в черной металлургии, которая  становится их потребителем (см. рис. 1).

Прямое использование  отходов. Прямое использование - наиболее простой и эффективный путь утилизации отходов, предполагающий минимальные  затраты на их переработку. Оно возможно и рационально, если отходы экологически безопасны и не содержат извлекаемых  компонентов. Или, наоборот, в них  преобладает полезный компонент, как  в скрапе. Без какой-либо подготовки, кроме сортировки по составу, его  используют при выплавке стали. Аналогично утилизируют отходы машиностроения, армейскую технику и любой  металлолом, то есть перерабатывают несобственные  отходы металлургии. Другим примером прямого использования является окалина (добавка при выплавке стали, производстве агломерата).

Типичный пример отходов  первого типа - доменный шлак. Он не содержит извлекаемых компонентов  и экологически безопасен. Его выход  составляет более 150 млн. т в год. Однако существующие технологии переработки  позволяют утверждать, что доменный шлак - это не отход, а промышленное сырье, которое в индустриально  развитых странах используется практически  полностью. Его наиболее крупными потребителями  являются цементная промышленность (в Японии - 70% доменного шлака, в  ФРГ - 55%) и дорожное строительство (в  Японии - 20%, в ФРГ - 40%). Применение шлака  при производстве цемента дает дополнительный ресурсоэкологический эффект, так как снижает энергозатраты на 40% и уменьшает выбросы CO2 .

Основу шлака составляют CaO и SiO2 . При кристаллизации расплава образуется двухкальциевый силикат 2CaO*SiO2 , который при охлаждении претерпевает полиморфное превращение, сопровождающееся увеличением объема. Это вызывает саморассыпаемость шлака. Предотвращение саморассыпаемости достигается увеличением скорости охлаждения расплава при его грануляции, например распылением в воду. Гранулированный шлак имеет много преимуществ, и его производство непрерывно увеличивается (в странах ЕС гранулируют 70% шлака). При определенных составах и большой скорости охлаждения шлак затвердевает без кристаллизации и приобретает стекловидную аморфную структуру. Из шлака делают отливки (каменное литье), производят техническое стекло и стекловату. Большое содержание железа в сталеплавильных шлаках (до 20%) затрудняет их использование в цементной промышленности. Основное применение - изготовление щебня для дорог. Шлак надо стабилизировать, чтобы связать избыток CaO и перевести железо в трехвалентное состояние. Кто повышает химическую стойкость и уменьшает выщелачивание. Шлаки с высоким содержанием фосфора и CaO используют как удобрение и при известковании почв. Но при большом содержании железа это неэффективно, и часть шлака подвергают вторичной металлургической переработке (в Японии и ФРГ до 20%).

Переработка отходов с  извлечением полезных компонентов. Переработке с извлечением полезных компонентов могут подвергнуться  различные отходы, но их состав, дисперсность, влажность затрудняют применение существующих технологий. Рассмотрим отходы, которые  постоянно накапливаются и требуют  новых площадей для хранения. Это  хвосты обогащения, пыли и шламы, шлаки  цветной металлургии. Концентрация железа в этих шлаках достигает 25% и  более, а в пылях и шламах черной металлургии до 60%, что превышает показатели необогащенных руд. Но все они содержат примеси летучих металлов, прежде всего Zn (3Р7% в шлаках медных заводов, 6-10% в свинцовых). В отвалах цветной металлургии содержатся Cu, Co, Ni, Ag. Огромные запасы отходов привели к возникновению своеобразных техногенных месторождений .