- по величине выбросов в окружающую среду.

Наряду с этим принимаются во внимание уровень сертификации продук­ ции и систем управления качеством, квалификация персонала и др.

Затраты энергии и материалов на технологический процесс и выбросы вокружающую среду правильнее учитывать в соответствии с расчетной ве­ личиной экобаланса на основе анализа жизненных циклов изделия. К сожа­ лению, до настоящего времени опыт подобных расчетов в Российской Феде­ рации невелик и большинство оценок основано в лучшем случае на базе от­ раслевых подходов. Это следует иметь в виду, анализируя и официально опубликованные (“государственные”) данные об эффективности различных производств.

5.2. ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

Расход энергии на действующее или проектируемое производство явля­ ется одной из наиболее важных характеристик. Особое значение это имеет для Российской Федерации. Удельная энергоемкость внутреннего валового продукта (ВВП) в России в 2-3 раза выше, чем в США и Западной Европе. При этом ссылки на климатические условия не убеждают. Не менее суров климат Канады. Между тем эта страна потребляет 330-340 млн т у.т., а Рос­ сия - 860-870 млн т у.т.; при этом ВВП России меньше, чем у Канады. По количеству сжигаемых первичных топливно-энергетических ресурсов наша страна прочно удерживает третье место в мире после США и Китая с его миллиардным населением, поглощая эти ресурсы больше, чем все страны Европейского сообщества, вместе взятые. Доля энергии в себестоимости ва­ лового продукта Российской Федерации и стран СНГ достигает 50%, в то время как в развитых странах - менее 5%. У нас без всякой пользы уничто­ жается, выбрасывается на ветер от 460 до 540 млн т у.т. ежегодно.

Первопричина такой расточительности - в пороках затратной экономи­ ки. Например, общие расходы энергии на производство и продажу 1 кг хле­ ба в агрохимическом комплексе (начиная от снегозадержания на полях, вспашки, посева, внесения удобрений, уборки, транспортировки и хранения зерна до транспортировки и продажи готовой продукции) составляют 2,5 кг у.т. (в Европе и США - 0,2-0,3 кг у.т.). Аналогичные расчеты относительно 1 кг молока дают расход 1,5 кг у.т.

В 1990-1998 гг. энергоемкость промышленного производства России выросла на 46%.

Наиболее эффективное направление энергосбережения —уменьшение расхода энергии путем совершенствования технологических процессов и

оборудования.

Мировой опыт убедительно показывает, что экономии, например элек­ троэнергии, невозможно достичь регулированием отопления, своевремен­ ного отключения света в помещениях и т.д.; эффект такой экономии в сум­ ме не более 4—5% общего энергопотребления, зато возникает масса не­ удобств. Надо производить ту же продукцию и обеспечивать те же услуги при меньших удельных энергозатратах. После мирового энергетического кризиса 1973-1974 гг. автомобильные компании США с 1975 по 1985 г. пу­ тем совершенствования конструкций автомобилей добились снижения рас­ хода бензина с 18,2 до 8,2 л / 100 км пробега, что снизило потребление неф­

ти на 2 млн барреля в сутки, или почти на 12%. Современные доменные пе­ чи с высоким уровнем технологии управления процессом расходуют энерго­ носителей на 10-20% меньше, чем печи с ведением процесса устаревшими методами. Анализ вновь разрабатываемых процессов жидкофазного вос­ становления черных металлов показывает, что расчетный расход энергии в них отличается на 10-50%.

Значительные резервы сокращения расхода энергоносителей в метал­ лургии России имеются также в сталеплавильном производстве (замена мартеновского производства конверторным позволяет снизить расход ус­ ловного топлива на 0,1-0,12 т у.т. на 1 т стали), в электросталеплавильном производстве (удельный расход электроэнергии в России —660-670 кВт ч/т, т.е. выше, чем в Японии и Германии, на 15-25%, что объясняется наличием большого количества маломощных дуговых электропечей с устаревшей двухшлаковой технологией и отсутствием внепечной обработки стали). Ус­ тарели, морально и физически изношены агрегаты энергохозяйств пред­ приятий промышленности. Так, около 40% котлов и турбоагрегатов черной металлургии находятся в эксплуатации почти 50 лет.

Совершенствование структуры энергопотребления. Распределение энергоисточников между отраслями промышленности и предприятиями от­ расли складывалось хаотично. Например, в черной металлургии распреде­ ление происходило на основе приоритетности технологических характери­ стик топлив, т.е. удобства его использования в основном производстве. Именно этим можно объяснить повышенную долю газообразного топлива на крупных металлургических предприятиях России и соответственно знаг чительный объем низкокалорийных твердых топлив на предприятиях миш- и микрометаллургического профиля. Между тем мировая практика показы­ вает, что при приоритете эффективности энергопотребления все складыва­ ется как раз наоборот.

Приоритеты энергосбережения вынуждают еще раз рассмотреть буду­ щее различных производственных процессов, основанных на преимущест­ венном использовании электроэнергии. Так, в черной металлургии получе­ ние стали в различных электропечах, получение ферросплавов проводится по схеме: добыча и подготовка энергоносителя —» транспортировка энерго­ носителя к тепловым электростанциям —> производство электроэнергии -» транспортировка электроэнергии —» перевод электроэнергии в тепловую в электрометаллургических печах. Потери энергии на каждом этапе этой ме­ таллургической цепочки обусловливают крайне низкий КПД использова­ ния энергоносителя (не выше 20-25%).

Еще менее выгодно использование “энергоемких” интенсификаторов производства, таких, как повышенная подача кислорода. Известно, что для получения 1000 м3 кислорода требуется затратить 70(М000 кВт-ч электро­ энергии. Некоторые процессы, например жидкофазное получение чугуна вне доменных печей, требуют для получения 1 т чугуна 800-1000 м3 кисло­ рода, что вызывает суммарный расход только электроэнергии на 1 т чугуна в 1,5-2 раза выше, чем для производства стали в электропечах.

Подобные рассуждения можно привести и в случае использования низ­ котемпературной плазмы и др.

В табл. 5.1 приведено распределение энергии между различными под­ разделениями предприятия на примере завода ОАО “Северсталь”.

Распределение электроэнергии на предприятии между потребителями (ОАО "Северсталь", 1998 г.)

Использование вторичных энергоресурсов. Это направление имеет хорошие перспективы в будущем. Фактическое использование вторич­ ных энергоресурсов (ВЭР) в черной металлургии России составляет в на­ стоящее время 12—16% и осуществляется в основном за счет использова­ ния котлов-утилизаторов (около 55%) и систем испарительного охлажде­ ния (около 30%). Практически не используются: тепло газов конвертер­ ных и ферросплавных печей, пара, шлаков, воды (в том числе воды, ох­ лаждающей кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок). Не используется также тепло готового проката; тепла теряется в 2,5 раза больше, чем всего утилизируется. Невелика доля использования энергии давления отходящих газов, несмотря на многолетний опыт применения, например, такого эффективного устройства, как газовые утилизацион­ ные бескомпрессорные турбины (ГУБТ), которыми в настоящее время оборудованы 25% доменных печей России. По данным Московского ин­ ститута стали и сплавов, для предприятий ОАО “Северсталь” доля ВЭР в энергии, необходимой для производства готовой продукции, не превыша­ ет 12%, а собственно уровень использования ВЭР составляет 15-20%. Между тем, по современным оценкам, для черной металлургии доля ВЭР в производстве энергии для получения черных металлов может достигать 50-55%.

Выработка электроэнергии на производственных предприятиях. Все крупные металлургические предприятия полного цикла в России имеют в своем составе тепловые электростанции, но при этом обеспечивают себя электроэнергией, как правило, только на 40-50%. Необходимость привле­ чения электроэнергии “со стороны” приводит к естественным ее потерям при транспортировке. Однако получение электроэнергии непосредственно на предприятии связано с его мощностью и целесообразно лишь на крупных

производствах.

Комплексное использование топлива. Проблема комплексной перера­ ботки, особенно твердых топлив, имеет чрезвычайно важное значение. В частности, являясь самым распространенным видом ископаемых топлив, уголь имеет низкий уровень рентабельности, его промышленный потенци­ ал в настоящее время используется крайне нерационально.

Во-первых, до сих пор не разработаны эффективные промышленные способы газификации углей и других видов топлив.

Во-вторых, при сжигании углей в современных топочных агрегатах пол­ ностью теряются летучие компоненты, являющиеся ценнейшим сырьем для химической промышленности.

В-третьих, переходят в неутилизируемые отходы многочисленные при­ месные микроэлементы, потенциально ценные для современной индустрии и в то же время потенциально опасные для природной среды и здоровья че­ ловека.

Организованный контроль за поведением примесей, поступающих с твердым топливом в производственный процесс, позволяет давать сведения о возможности их текущего или последующего извлечения.

Энергоэффективность производства тесно связана с количеством вы­ брасываемых в окружающую среду парниковых газов. Известно, что вы­ бросы основного парникового газа - диоксида углерода С 02 - специально не контролируются и не учитываются. Между тем методика расчета экобалан­ са, приведенная в разделе 4.2.5, позволяет определить баланс углерода (раз­ дел 4.5.2.12), а знание количества выхода СО и С02 из единицы углерода для конкретных технологий и агрегатов дает возможность более точно опреде­ лить выбросы в атмосферу С02, а также уточнить эмиссию СО.

Пример составления баланса углерода с определением количества вы­ бросов СО и С02 для условий металлургического завода полного цикла, рас­ положенного в Европейской части России, приведен в табл. 5.2.

Анализ деятельности предприятий черной металлургии России на осно­ ве составления баланса углерода позволяет выявить различные характери­ стики энергоэффективности производств и действительные выбросы окси­ дов углерода в атмосферу:

1.Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде прока­ та (от момента извлечения сырья из недр до выхода проката с территории предприятия, включая добычу энергоисточников, производство и передачу энергии и транспорт сырых материалов) на предприятии полного цикла для условий Европейской части России составляет от 1300 до 1700 кг.

2.Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде кон­ центрата на ГОКах Центра России составляет 220-270 кг.

3.От 4 до 7% углерода теряется в виде шламов, выбросов пыли и т.п., что ранее в балансах т у.т. не учитывалось.

4.Расход углерода на выработку электроэнергии, необходимой для функционирования всего металлургического комплекса предприятия пол­ ного цикла, составляет не менее 35% общего прихода углерода.

5.Выбросы диоксида углерода - “основного парникового газа” - для ме­ таллургических предприятий полного и неполного циклов составляют 80-87% общего расхода углерода, а для ГОКов - 95-98%. При общем объе­ ме производства проката в России около 35 млн т в год выбросы С02 пред­ приятиями черной металлургии составляют примерно 45-50 млн т углерода

вгод, или около 8,5% общего количества выбросов в России. Если оценить выбросы собственно металлургических предприятий без учета внешних

энергозатрат (транспорт, производство и передача энергии и др.), эта вели­ чина снижается до 6-6,5%.

Выше упоминались решения Международной конференции стран-уча- стниц Конвенции по изменению климата (Киомо, 1997 г.) о квотах на вы­ брос парниковых газов различными странами в 2008-2012 гг. Необходимо

Банане углерода при производстве стального проката в условиях Европейской части России

Расходуглерода

Статья баланса

* Свыше 60% электроэнергии, используемой при производстве черного металла в Центральной части РФ, производится на АЭС.

'* Около 60 кг углерода на 1 т железа циркулирует в производственном цикле в рамках рециклинга.

отметить, что обязательства России перед мировым сообществом не только выполнены, но и перевыполнены, так как выбросы в Российской Федерации к 1997 г. составляли лишь 70% уровня 1990 г. (квота России). При этом Рос­ сийская Федерация имеет огромные резервы для снижения энергопотребле­ ния и, следовательно, дальнейшего существенного снижения выбросов пар­ никовых газов. Это позволяет России активно участвовать в системе joint

implementation” - “совместного осуществления”, которая все шире применя­ ется в последние годы при реализации межгосударственных соглашений по охране окружающей среды.

Принцип заключается в том, что если несколько стран принимают на се­ бя какие-либо обязательства (в соответствии с международной договорен­ ностью), то их выполнение облегчается совместно скорректированными действиями. Например, сокращение выбросов парниковых газов происхо­ дит следующим образом (Данилов-Данильян, 1998 г.).

Страна А должна сократить годовые выбросы С 02 на величину а тонн, страна В - на величину b тонн. Страна А уже потратила значительные сред­ ства на энергосбережение, поэтому новые вложения дают не слишком зна­ чительную экологическую отдачу (все “сливки” уже сняты) и снижение го­ довых выбросов на 1 т С02 обходится в от долларов инвестиций. Страна В только начинает серьезные инвестиции в энергосбережение, здесь затраты на 1 т снижения выбросов —п долларов. Таким образом, п< т .

Если страны выполняют обязательства независимо друг от друга, то об­ щая сумма затрат составит

а • от + b ■п.

Однако если сокращение выбросов на величину этих обязательств, т.е. а + b тонн, осуществить только в стране В (там, где дешевле), то затраты со­ ставят (а + Ь) • п и будет получена экономия:

(а • от + b • п )-(а + Ь) • п = а(т - п) долларов.

Возможно, что страна А вместо того чтобы за а от долларов провести необходимые мероприятия у себя, потратит а п долларов в стране В с та­ ким же экологическим эффектом. Тем самым страна В получит а п инве­ стиций, а страна А сэкономит а(от - п) долларов на выполнение своих обяза­ тельств.

Однако такие инвестиции должны иметь не только экологическое зна­ чение, поскольку преимущества новых технологий обычно имеют более широкий характер. Поэтому вполне возможно участие в таких инвестициях и страны В. Например, страна А оплатит долю К (0 < К < 1), а страна В- до­ лю (1 - К). Тогда для выполнения обязательств страны А по сокращению выбросов в объеме а тонн будут вложены инвестиции в объеме а • п долла­ ров в стране В, причем страна А оплатит из них К ■а п долларов, а страна В - (1 - К) ■а ■п долларов.

Приведенные рассуждения иллюстрируют чрезвычайно важную мысль: природоохранное (и не только оно!) сотрудничество может быть выгодным. При этом необходима заинтересованность конкретных компаний и пред­ приятий в таком сотрудничестве с внешними инвесторами, которое имену­ ется “торговля квотами и выбросы”. По имеющимся данным, стоимость 1 т углерода на рынке квот колеблется от 10 до 50 долларов.

5.3.МАТЕРИАЛОСБЕРЕЖ ЕНИЕ И РЕЦИКЛИНГ

Всовременных условиях в расчете на каждого жителя планеты ежегодно добывается 50 т сырья, которое с использованием 800 т воды и 3,0 кВт • ч мощ­ ности перерабатывается в продукты потребления. При этом перемещается до Ют горной породы и нарушается целостность 2 м2 поверхности Земли. Конеч­ ные продукты составляют 2% массы сырья. Можно согласиться с В.И. Дани-

Т а б л и ц а 5 .3

Извлечение основных металлов из руд в России, %

ловым-Данильяном и др., которые высказывают следующую мысль: “Рассуж­ дая о безотходных технологиях, забывают, что безотходной можно назвать лишь такую технологию, где на 1 т сырья получают больше 1 т конечных про­ дуктов, так как должны утилизироваться и продукты сжигания твердого топ­ лива, дающего энергию для производства продукта, и вода, используемая пра­ ктически в любой технологии. Но, самое главное, забывают, что любой про­ изведенный готовый продукт является не более чем отложенным отходом, так как наше хозяйство не производит ничего, кроме отходов”.

Между тем в Российской Федерации после распада СССР возникли серь­ езные трудности с рядом видов сырья. Это относится в первую очередь к марганцу, хрому, барию, стронцию, иоду, брому, фосфоритам, бентониту, каолину, месторождений которых в России нет, а также к титану и ртути, месторождения которых в настоящее время не разрабатываются. Извлече­ ние основных металлов из руд составляет 65-78%, попутных элементов в цветной металлургии - 10-30% (табл. 5.3). Приведенные в табл. 5.3 цифры ниже общемировых, из чего следует, что в Российской Федерации имеет ме­ сто дефицит природных ископаемых. Кроме того, следует иметь в виду, что все возрастающие экологические требования, прежде всего снижение раз­ мера освоенных человеком территорий, ограничивают возможность ввода в

будущем новых месторождений. Между тем огромное количество металла сосредоточено в техногенных отходах.

В настоящее время определена группа отходов, по разным причинам требующая первоочередного внимания. Ежегодно в Российской Федерации образуется около 7 млрд т отходов, при этом используется 2 млрд т, или 28%. Из общего объема используемых отходов около 80% - вскрышные по­ роды и отходы обогащения - направляются на закладку выработанного пространства шахт и карьеров, 2% используются в качестве топлива и мине­ ральных удобрений и лишь 18% (360 млн т) используются в качестве вто­ ричного сырья (из них 200 млн т - в стройиндустрии). На территории стра­ ны в отвалах и хранилищах накоплено более 100 млрд т твердых отходов, при этом изымаются из хозяйственного оборота сотни тысяч гектаров зе­ мель; сконцентрированные в отвалах, хвостохранилищах и свалках отходы являются источниками загрязнения поверхностных и подземных вод, атмо­

сферы, почвы и растений.

Остро стоит проблема твердых бытовых отходов (ТБО) и осадков сточ­ ных вод. Ежегодно в РФ образуется 140 млн м3 ТБО; около 10 тыс. га при­ родных земель отчуждены для размещения полигонов ТБО, не считая бес­ численного количества несанкционированных свалок. Проблема перера­ ботки ТБО в России практически не решается, общая мощность мусоропе-

Т а б л и ц а 5 А

Образование, накопление и использование отходов в Российской Федерации

рерабатывающих и мусоросжигательных заводов составляет около 5 млн м3 в год, или 3,5% общей величины образующихся ТБО.

Суммарное годовое количество осадков сточных вод достигает 40 млн т. Они разнообразны по качественному составу и свойствам и содержат значи­ тельное количество ионов тяжелых металлов, токсичных органических и минеральных соединений, нефтепродуктов. На большинстве очистных со­ оружений не решены вопросы удаления и переработки образующихся осад­ ков. Данные об объемах образования, накопления и использования отходов, требующих приоритетного внимания, приведены в табл. 5.4.

Первоочередность использования отходов определяется прежде всего степенью их токсичности. Ртутьсодержащие отходы, относящиеся к вещест­ вам 1-го класса токсичности, являются одними из наиболее опасных для ок­ ружающей среды и перерабатываются в первую очередь. В отходах сферы производства и потребления содержится более 200 т ртути, безвозвратно те­ ряемой при захоронении. Между тем в России нет подготовленных к разра­ ботке ртутных месторождений, а ежегодно для промышленных целей тре­ буется 400-500 т ртути. Такого количества ртути не может дать единствен­ ный в России рудник (Краснодарский край), имеющий небольшие запасы руд с содержанием ртути 0,06-0,1%.

дов, осадков сточных вод, отходов сельскохозяйственного производства, микробиологической промышленности, сферы образования, здравоохра­ нения, науки, сервиса. Главный эффект уничтожения отходов - высвобо­ ждение территории, предотвращение выделения парниковых газов, устра­ нение нежелательных микроорганизмов, снижение загрязнения атмосфе­

ры и гидросферы; б) консервация отходов в безопасном состоянии для их использования в

ближайшем или отдаленном будущем. Эффект консервации —высвобожде­ ние территории, ликвидация вредного влияния на окружающую среду;

в) текущее использование “свежих” отходов в производственном цикле (“внутренний” или “производственный” рециклинг). Эффект текущего ис­ пользования отходов - снижение потребления материальных ресурсов на данном производстве, уменьшение выбросов в окружающую среду, сниже­ ние себестоимости конечной продукции;

г) использование “свежих” отходов на предприятиях других отраслей промышленности (первый вариант “глобального” рециклинга). Эффект - высвобождение территории, снижение потребления материальных ресурсов в целом по народному хозяйству, снижение давления на окружающую сре­

ду;

д) использование “отложенного” отхода в собственной или других отрас­ лях народного хозяйства (второй вариант “глобального” рециклинга). Эф­ фект - высвобождение территории, снижение потребления материальных ресурсов в целом по народному хозяйству, уменьшение давления на окружа­ ющую среду.

Рассмотрим подробнее содержание термина “рециклинг” (англ, “red­ ding”), который в некоторой степени соответствует ранее применявшимся в нашей стране терминам “использование вторичных ресурсов (или сырья)”, “цикл возврата”, “вторичные процессы”. Можно спорить о точности приме­ нения того или иного термина, но краткость и общеупотребимость в различ­ ных странах понятия “рециклинг” говорят в его пользу.

Прежде всего разделим это понятие по иерархическому принципу на два: “производственный рециклинг” и “глобальный рециклинг”. Под произ­ водственным рециклингом будем понимать возвращение в текущее произ­ водство собственных отходов производства “в темпе с процессом”. Исполь­ зование этого термина, применяемого при реализации систем контроля и автоматизации производственных процессов, подчеркивает немедленную переработку в производстве образующегося отхода без его накопления. Впервые в мировой промышленной практике “производственный рецик­ линг” был воплощен в черной металлургии (в агломерационном производ­ стве) в начале XX в. Некондиционная продукция (куски агломерата крупно­ стью менее стандартной, т.е. менее 5-10 мм) - так называемый “возврат” - снова направлялась в составе исходной шихты в процесс. Особенностью аг­ ломерационного процесса явилось улучшение (при использовании возврата) качества конечной продукции. Таким образом, рециклинг наряду со средст­ вом сбережения материальных ресурсов стал играть роль стимулятора рос­ та качества продукции.

Отметим, что металлургия —одна из отраслей, наиболее полно исполь­ зующих “производственный рециклинг” Это утверждение можно допол­ нить примерами использования продуктов пылеочистки доменных, стале­

плавильных и электросталеплавильных печей, физического и химического тепла отходящих печных газов и др.

Сегодня производственный рециклинг можно трактовать как оператив­ ное использование вторичных ресурсов предприятия в одном из его цехов. Использованию производственного рециклинга способствует соответствие качества вторичного сырья качеству исходной шихты, что снимает ряд сложных проблем глобального рециклинга.

Производственный рециклинг наиболее предпочтителен, он весьма эф­ фективен с точки зрения экономики, энергопотребления и защиты окружа­ ющей среды. Однако практика показала, что более 70% всех образующихся техногенных отходов не могут быть переработаны предприятиями-“изгото- вителями отходов”. Это относится к энергетике, транспорту, оборонным от­ раслям промышленности, машиностроению и др. Это целиком относится к “отложенным” отходам. Таких отходов только на территории России нако­ плено более 90 млрд т. Перерабатывать подобные материалы предстоит предприятиям отраслей, эти отходы не производившим. Таким образом, на­ зрела проблема концепции глобального (межотраслевого и межрегиональ­ ного, а в будущем и международного) рециклинга материалов.

Переработка техногенных отходов на предприятиях “чужих” отраслей народного хозяйства выдвигает прежде всего требования контроля качест­ ва вторичного сырья. Техногенные отходы в отличие от природного сырья возникли как “непланируемая” продукция, и их запасы формировались сти­ хийно. Отраслям народного хозяйства было выгодно использовать первич­ ное сырье, и качеством техногенных отходов практически никто не зани­ мался. Можно сказать, что техногенные отходы - это сырье “неизвестно для чего”, сырье “без дальнейшей судьбы”. Скопления техногенных отходов принято называть “техногенными месторождениями” (см. раздел 3.2.4).

Возможности переработки отходов, т.е. превращение техногенных от­ ходов в техногенное сырье, зависят и от их качества, определяемого форма­ ми пребывания основных элементов в техногенном сырье.

В природе существует достаточно много различных форм нахождения элементов. В земной коре их несколько меньше. По Вернадскому, элемен­ ты в земной коре существуют в четырех формах:

-горные породы и минералы;

-живое вещество, или биологическая форма;

-магматические (существенно силикатные) расплавы;

-состояние рассеяния.

Во второй половине XX в. к ним были добавлены:

-изоморфные примеси;

-водные растворы;

-газовые смеси;

атакже (Алексенко, 2000 г.):

-коллоидная форма с жидкой дисперсионной средой;

-техногенные соединения, не имеющие природных аналогов.

Две последние формы целиком связаны с возникновением техносферы. В литосфере самостоятельные минеральные виды являются наиболее распространенной природной формой нахождения химических элементов. В настоящее время известно около 2000 видов минералов различных комбина­ ций и нахождений в самородном состоянии. Наибольшее число минералов

(свыше 1500) образовано при участии кислорода, более 1000 содержат водо­ род и более 500 - кремний. Еще 16 элементов (кальций, сера, железо, алюми­ ний, натрий, магний, медь, свинец и др.) входят (каждый) в состав более чем 100 минералов. В то же время немногим более 10 элементов (Rh, Os, Ru и др.) образуют по нескольку собственных минералов. Стоит отметить, что только распространенностью элементов нельзя объяснить их способность образовы­ вать самостоятельные минералы. Так, среднее содержание в земной коре свинца составляет 1,6 • 10-3%, а число собственных минералов - 199. Для гал­ лия эти значения соответственно 1,9 • 10~3% и 2. Часть техногенных соедине­ ний иногда также называют минералами, но искусственными. Они могут иметь природные аналоги или быть отличными от природных соединений.

Изоморфные смеси в минералах представляют собой закономерные за­ мещения аналогичных элементов (или их “белков”) друг другом в кристал­ лических решетках. Явление установлено немецким химиком Э. Митчерлихом в 1819 г. Процесс изоморфного замещения подразделяют на изовалентный (замещаются ионы равной валентности) и гетеровалентный (замеща­ ются ионы разной валентности).

Из изоморфных смесей добывается основная часть редких и рассеянных элементов. Так, значительное количество гафния добывается из циркона, где гафний находится в виде изоморфной примеси к цирконию (мировые це­ ны на гафний в 2000 раз выше, чем на цирконий).

При существующих в настоящее время методах извлечения элементов, особенно относящихся к попутным, значительная их часть уходит с дымом в атмосферу, попадает в промышленные стоки. Будучи освобожденными из кристаллических решеток, бывшие изоморфные примеси начинают само­ стоятельную (антропогенную) миграцию в биосфере. Так, цинк, вносимый в почвы как микроудобрение, может замещать магний в глинистых минера­ лах. При этом он становится недоступным для растений, хотя его содержа­ ние в почве может быть очень высоким. Поэтому использование цинксодер­ жащих микроудобрений в местах распространения магниевых глин бес­ смысленно. К слову, основная часть минеральных удобрений изготавливает­ ся из апатитов, которые содержат в качестве изоморфных примесей ряд редких и редкоземельных элементов, включая литий, стронций и др. Несо­ вершенные технологии способствуют накоплению этих элементов в удобре­ ниях, с которыми они поступают в почвы, а затем при разложении удобре­ ний - в воду и различные живые организмы.

Наличие большого числа примесей в различных видах природного сы­ рья заинтересовало специалистов лишь в последнее время. Между тем еще в 1909 г., в выступлениях на ХП съезде русских естествоиспытателей и вра­ чей, было высказано совершенно новое соображение, что по мере увели­ чения тонкостей наших исследований в каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности мы открываем все новые и новые элементы. В пе­ счинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав Вселен­ ной; в них могут быть обнаружены все те элементы, какие наблюдаются на земном шаре. После известных работ американца Ф.У. Кларка, соста­ вившего первые сводки о количественном распространении элементов в земной коре, эти мысли оформились в закон Вернадского—Кларка: “В лю­ бом природном объекте Земли содержатся все химические элементы, на­ ходящиеся в ее коре".

Речь может идти только о недостаточной чувствительности анализов, используемых для определения элементов, находящихся в очень малых кон­ центрациях. Ряд специалистов считают, что пределом рассеяния можно счи­ тать концентрацию, соответствующую одному атому в 1 см3 вещества.

С ростом концентрации большинства химических элементов в техноген­ ных отходах учет последствий действия закона Вернадского-Кларка являет­ ся совершенно необходимым. В античности люди использовали лишь 19 элементов, в XVIII в. —50, в начале XX в. - 60. Ныне используют все 89 известных химических элементов, имеющихся в земной коре, а также многие искусственные химические элементы.

Металлы являются первыми техногенными веществами, нехарактер­ ными для биосферы. В условиях биосферы практически все они неустой­ чивы, поэтому необходимы дополнительные затраты ресурсов для их со­ хранения в свободном состоянии. После начального высокого концент­ рирования металлов при получении происходит их существенное рассея­ ние в биосфере, например в процессе коррозии. Можно говорить о “ме­ таллизации биосферы”. Начинают исчезать природные геохимические различия между отдельными регионами, происходит техногенное вырав­ нивание значений местных кларков. Таким образом, появление техноген­ ных месторождений вызывает серьезные изменения в биосфере и био­ сферных процессах, значение которых по-настоящему еще не оценено. Это в еще большей степени делает актуальной проблему использования техногенного сырья.

При разработке методов глобального рециклинга возникают две прин­ ципиально новые проблемы, которые не имеют значения для производст­ венного рециклинга.

Во-первых, это вторичные расходы энергии на переработку техногенно­ го сырья. Современный подход цивилизованного сообщества заключается в том, что стоимость переработки текущих или отложенных отходов должна быть включена в стоимость выпускаемой продукции. Поэтому вторичный расход энергии должен быть оценен при расчете “жизненного цикла изде­ лия” Эта концепция должна быть скорректирована, исходя из формирова­ ния глобального рециклинга в том смысле, что при изготовлении продукции часть материалов постоянно циркулирует в объеме народнохозяйственного производства, заменяя “свежее” природное сырье. Поэтому “дополнитель­ ный” (вторичный) расход энергии на переработку техногенного сырья явля­ ется кажущимся, так как при этом не расходуется энергия, предназначенная на переработку сэкономленного природного сырья. Между тем имеющийся мировой опыт переработки техногенного сырья убедительно показывает, что при замене природного сырья техногенным расход энергии снижается на 20-30%.

Во-вторых, возникают проблемы вторичных выбросов в атмосферу и гидросферу и формирования вторичных отходов. Вторичное техногенное сырье может быть переработано лишь в отраслях с внутренним производст­ венным рециклингом. Поэтому с большой долей надежности можно утвер­ ждать,что формирование значительных количеств техногенного сырья “третьего поколения” вряд ли будет иметь место.

Схемы производственного и глобального рециклингов приведены на рис. 5.1.

Предприятия с производственным рециклингом

Глобальный рециклинг

Рис. 5.1. Схемы производственного и глобального рециклингов

Обращение с отходами является типичным примером решения систем­ ной задачи, когда следует комплексно учесть следующие условия, которые мы по аналогии с математикой назовем граничными:

1. Большинство предприятий народного хозяйства имманентно не могут переработать не только все количество, но даже часть собствен­ ных отходов. Это относится, например, к транспорту, энергетике, сель­ скому хозяйству, медицине, угольной промышленности и др., взнос ко­ торых в общее производство отходов составляет более 70% общего их количества.

2.Общее количество накопленных к настоящему времени отходов и масса образующихся ежегодно на один-два порядка выше общей мощности предприятий народного хозяйства. Иначе говоря, рассматривая гипотетиче­ ский случай возможного перехода всех предприятий страны на переработку уже накопленных отходов, получим, что на осуществление этого процесса потребовалось бы не менее 50 лет.

3.Капиталовложения на создание отдельной отрасли народного хозяй­ ства, занятой исключительно переработкой всех образующихся отходов производства и потребления, столь велики, что подобную задачу надо про­ сто исключить из рассмотрения. Решение в этом направлении может быть связано с отдельными “адресными” ассигнованиями на строительство уста­ новок по нейтрализации экологически особо опасных отходов.

4.Занимая весьма большие территории, полигоны отходов снижают эф­ фективность функционирования народного хозяйства пропорционально за­ нятой площади.

5.Нельзя рассчитывать на то, что в обозримом будущем будут внедре­ ны эффективные технологии переработки всех производимых в настоящее время отходов. Подобное отставание разработки технологии от выпуска но­ вых видов продукции, связанной с новыми видами отходов, можно считать на неопределенно долгое время неопровержимой данностью.

Перечисленные “граничные” условия определяют стратегию обраще­ ния с отходами, которая, на наш взгляд, должна быть основана на следую­ щих принципах:

1.Экологически опасные отходы должны быть переведены в безопас­ ное состояние в кратчайшие сроки. При этом от технологии переработки нельзя требовать в обязательном порядке экономической или технологиче­ ской эффективности. Основной критерий выбора решения - наименее за­ тратный перевод материалов в безопасное состояние. Примером является решение проблемы отходов, содержащих тяжелые металлы (отходы галь­ ванопроизводства, некоторые виды отходов энергетики и др.). Получение из этих опасных отходов безопасных полиметаллических лигатур является вполне реальной задачей. При этом надо смириться с тем, что в настоящее время большая часть этого продукта не найдет потребителя, а продукция будет законсервирована до тех пор, пока не будут разработаны эффектив­ ные технологии извлечения компонентов из этих лигатур.

Другим примером решения подобного рода задач является утилизация

(превращение в безопасные газы и оксидные твердые фазы) отходов хими­ ческого производства с гарантированным отсутствием вторичных вредных выбросов. Так, ввод в горн доменных печей измельченных отходов потреб­ ления (например, отходов пластмасс) полностью исключает вторичные вредные выбросы с полной утилизацией этого типа отходов. Процесс нашел реальное воплощение в практике эксплуатации ряда доменных печей на ме­

таллургических предприятиях ФРГ.

2. Отраслям народного хозяйства должно быть выгодно максимально использовать собственные отходы. Этому должны способствовать эконо­ мические и правовые стимулы —крупные штрафы за использование тер­ риторий для размещения полигонов техногенных отходов и связанное с этим загрязнение воды, почвы и воздуха, льготы при получении кредитов и приоритет в участии в государственных и муниципальных программах

щие признаки, аналогичные свойствам природных комплексных полиметаллических руд. Среди них - присутствие элементов в форме сложных соединений, твердых растворов; малый размер зерен этих соединений при тесном их про­ растании; невысокое содержание каждого элемента в отдельности и пр.

Металлургия является наиболее универсальной отраслью народного хо­ зяйства, способной утилизировать подавляющее большинство отходов про­ изводства и потребления. Современные металлургические технологии и действующие агрегаты пригодны для работы при низких и высоких темпе­ ратурах, в большом диапазоне давлений, при различном окислительно-вос­ становительном потенциале газовой среды, при разнообразном грануломет­ рическом составе перерабатываемого материала. Добавим к этому огром­ ные мощности металлургического производства. Таким образом, с помо­ щью процессов, применяемых в металлургии, можно без значительных ка­ питальных вложений переработать основную массу образующихся отходов производства и потребления.

Особенно пригодны для переработки отходов слоевые процессы и соот­ ветствующие им металлургические агрегаты - шахтные печи, конвейерные машины и другие подобные устройства. Слоевой процесс обеспечивает пре­ дельно высокие характеристики тепло- и массообмена между энергоносите­ лем - печным газом, и потребителем энергии - металлургической шихтой.

Для оценки возможностей использования металлургических технологий для переработки промышленных и бытовых отходов приведем следующие рассуждения. Американские ученые Донелла и Деннис Медоузы и Йорген Рандерс в своем знаменитом труде “За пределами роста”, выполненном по заказу Римского клуба в Массачусетском технологическом институте, вы­ сказали мнение, что если брать за модель американский образ жизни и чис­ ленность населения Земли в XXI в. считать равной 12,5 млрд человек, миро­ вое производство стали должно будет вырасти в 7 раз и составить 4-5 млрд т в год. Однако основная часть прироста будет связана со слаборазвитыми и развивающимися странами. В США среднедушевое потребление стали от­ носительно стабилизировалось и составляет 400-500 кг/год. Исходя из этих прогнозов и внося некоторые коррективы для условий России, можно пред­ полагать, что потребление стали в России в XXI в. стабилизируется на уров­ не 60-70 млн т, а чугуна - на уровне 35-40 млн т в год.

Важнейшая особенность металлургии XXI в. - резкое снижение запасов и доведение до минимальных величин объема добычи железных руд, свободных от примесных металлов. По нашим расчетам не более 25-30% железных руд России, вовлекаемых в производство, будут достаточно чисты по примесным элементам. Это находится в противоречии с ужесточающимися требованиями к составу металлопродукции. Сохраняется тенденция роста доли качествен­ ных сталей в объеме производства черных металлов. Одновременно в послед­ ние годы за рубежом возникла острая потребность в особо чистых по приме­ сям чугунах. Чугун, содержащий менее 0,05% марганца, 0,15-0,20% кремния, 0,01-0,02% серы и фосфора и не содержащий вовсе титана, хрома, ванадия, никеля и др., ценится на мировом рынке в 1,5-2 раза дороже.

Таким образом, перед металлургией возникла принципиально новая про­ блема —переработка комплексных руд с максимально полным извлечением всех попутных элементов. При этом комплексные руды и техногенные от­ ходы, как отмечалось выше, объединяет ряд общих признаков. Поэтому ос­

воение переработки комплексных руд создает объективные предпосылки для решения той же проблемы с техногенными отходами.

В 1995 г. в России действовала 61 доменная печь общим объемом 8737 м3. В 1994 г. эти печи произвели 36,5 млн т чугуна (против 57,1 млн т в 1998 г. - наивысшего показателя). Уменьшение объема производства под­ тверждает объективную тенденцию снижения потребления металла в Рос­ сии до величин, прогнозируемых нами.

Таким образом, впервые в Российской Федерации появился резерв мощ­ ностей по черным металлам, составляющий около 20 млн т чугуна и 40 млн т стали. Без серьезных капиталовложений значительную часть этих мощно­ стей можно переориентировать для переработки отходов, хранение кото­ рых экологически опасно.

Прежде всего - это отходы энергетики, в первую очередь золошлако­ вые отходы. Предварительное окускование зол в восстановительных усло­ виях с переводом подавляющего числа элементов в металлическое состоя­ ние и заключительная плавка в плавильном агрегате с получением полиме­ таллической лигатуры позволяют снять экологическую напряженность тер­ ритории и получить вполне безопасный вторичный металлический ресурс либо в режиме хранения, либо в режиме селективного извлечения отдель­ ных компонентов.

Оценивая общие возможности металлургических методов переработки техногенных отходов, можно считать достаточно вероятной возможность ориентировать свободные мощности металлургической промышленности на переработку отходов следующих отраслей народного хозяйства: энерге­ тики, машиностроения, топливных отраслей, химической, деревообрабаты­ вающей и целлюлозно-бумажной.

Отходы этих отраслей вкупе с собственными отходами металлургиче­ ских предприятий составляют 70% всех промышленных отходов, требую­ щих первоочередной переработки.

Вполне пригодны металлургические агрегаты для переработки твердых бытовых отходов и осадков сточных вод. Особо важно при этом иметь в ви­ ду, что при таком методе переработки отходов не образуются вторичные вредные выбросы.

Для переработки отходов можно использовать устаревшие маломощ­ ные металлургические агрегаты, которых в России много на предприятиях металлургической и машиностроительной отраслей. Такие предприятия за­ частую сосредоточены в небольших городах и являются основным источни­ ком рабочих мест для населения этих городов. В основном эти предприятия убыточны, однако их закрытие обостряет социальную проблему в связи с опасностью безработицы. Между тем они позволяют гибко менять номенк­ латуру перерабатываемых отходов и вид получаемой продукции, что пред­ ставляет трудности для крупных предприятий.

Утилизация отходов, кроме этого, во многом решает экологические проблемы, так как отходы занимают территорию (только под свалки ТБО отчуждено более 10 тыс. га земель), отравляют почву и воду, развеиваются и переходят в воздушные массы.

Таким образом утилизация отходов в свете решения вопросов сбереже­ ния материальных ресурсов и стабилизации экологического состояния пла­ неты превращается в одну из основных проблем XXI в.