Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная экология. Учебное пособие
.pdf
го металлолома резко снижает расход других шихтовых материалов,
уменьшает энерго- и трудозатраты и увеличивает съем металла с 1 м2
пода печи. При этом себестоимость металла снижается за счет исключения затрат на осуществление предшествующих операций подготовки сырья и выплавки металла. В целом капиталоемкость получения
металла из вторсырья на порядок ниже, чем из руд.
Экономия энергии при производстве металлов приобретает особое значение в условиях энергетического кризиса, поскольку большинство металлов получают с использованием энергоемких пирометаллургических или электрохимических процессов. За счет использования металлолома она составляет при получении (%): алюминия – 94,
меди – 83, цинка – 78, стали – 74, свинца – 64.
Существуют три формы потребления металлов: чистые металлы,
металлические сплавы и химические соединения. Первые используют
для покрытий, получения эталонов металлов и сплавов, вторые представляют основную форму производственного и бытовою потребления, третьи широко используются в различных областях науки, техники и производства.
Производство сплавов преследует цель придания материалам
таких уникальных качеств, как тугоплавкость, термостойкость, жаропрочность, твердость, коррозионная стойкость и др. Это сильно осложняет задачи утилизации подобных сплавов, поскольку их, соответственно, трудно расплавить, растворить, окислить, подвергнуть механической обработке. Проблема еще и в том, что многие металлические
материалы подвергаются не только техногенному рассеянию, но и тому, что можно было бы называть конструкционной капсюляцией – сосредоточению ценных металлов внутри трудноразрушаемых конструкций (ракеты, снаряды, капсулы, зонды, приборы и т.п.), поступающих на утилизацию.
Говоря об утилизации чистых металлов, следует отметить,
что эти металлы (платина, золото, вольфрам, молибден, рений и
некоторые другие) производят и используют в сравнительно небольших количествах. Теряются за счет рассеяния или механических
потерь они в малой степени. Классический пример – золото,
производство которого за весь исторический период составило
100 тыс. и почти столько же находится на учете в настоящее время
(в последние годы в связи с бурным развитием электронной,
космической и военной отрасли наблюдается его незначительная
убыль).
91
Утилизация неорганических отходов промышленности
К числу неорганических относят обычно отходы основного (тяжелого) неорганического синтеза, который включает производство
кислот, солей, щелочей, оксидов, крупнотоннажных реагентов, соды,
минеральных удобрений и некоторых газов. В последние годы все
большее значение приобретают неорганические отходы ряда нехимических производств, в частности, гальванические стоки предприятий
машиностроения и электронной техники, отработанные травильные
растворы металлургических заводов, строительные отходы.
Минеральные кислоты. Производство минеральных кислот является наиболее масштабным как по продукции, так и по отходам.
К минеральным относят серную, азотную, соляную, фосфорную и щавелевую кислоты. Объемы производства других неорганических кислот несопоставимо малы, и нет смысла говорить об утилизации соответствующих отходов. С другой стороны, отходы производства азотной и соляной кислот, несмотря на огромные масштабы, также не
представляют особого интереса с точки зрения утилизации из-за чистоты исходного сырья (аммиак, хлор, водород) и эффективных процессов рекуперации, непосредственно включенных в соответствующие
технологические схемы.
Соли и щелочи. Они составляют значительную часть продукции
неорганическою синтеза и включают в себя производные калия, кальция и натрия.
Органический синтез и производство полимеров. Эта многочис-
ленная категория отходов образуется в следующих производственных
сферах:
1) органический синтез (получение органических продуктов на
основе окиси углерода, метановых, этиленовых, ацетиленовых и ароматических углеводородов);
2) производство полимеров и материалов на их основе (целлю-
лоза, синтетические волокна, каучуки, лаки, краски, клеи, пластмассы,
резинотехнические изделия);
Отходы органического синтеза не имеют такого значения,
как отходы других органических производств. Причина проста:
несмотря на то, что в отдельных случаях они достигают значительных объемов, выброс их за пределы предприятия остается минимальным, поскольку они подвергаются практически 100 % рекуперации и
утилизации.
92
Направления государственной политики в области обращения с
отходами являются приоритетными в следующей последовательности:
- максимальное использование исходных сырья и материалов;
- предотвращение образования отходов;
- сокращение образования отходов и снижение класса опасности
отходов в источниках их образования;
- обработка отходов; утилизация отходов;
- обезвреживание отходов.
Утилизация нефтешламов
Проблемы утилизации нефтешламов имеют большое не только
экологическое, но и экономическое значение для всех развитых стран
мира. Только в России ежегодно, по оценкам экспертов, теряется более 25 млн т нефти и 12 млн т нефтепродуктов, из которых собирается
и перерабатывается менее 10 %.
Существующие методы утилизации нефтешламов включают в
себя [9]:
- складирование на полигонах;
- обезвоживание;
- термический метод, представляющий сжигание в печах;
- химический метод, включающий в себя химическое инкапсу-
лирование с использованием негашеной извести и минеральных абсорбентов;
- физико-химический метод, представляющий собой предвари-
тельную обработку растворителями, деэмульгаторами или поверхностно активными веществами с последующим разделением на составляющие фазы и стабилизацией путем смешивания с абсорбентами;
- механический метод, включающий в себя многоступенчатое
центрифугирование с предварительной обработкой эмульгаторами и
флокулянтами;
- виброкавитационный метод (воздействие ультрозвуковым по-
лем в жидкой среде);
- биоремедиация – биологическая утилизация микроорганизма-
ми-биодеструкторами;
- комбинированные методы, т.е одновременное использование
нескольких методов.
Общим недостатком всех известных технологий утилизии нефтешламов является то, что они не позволяют осуществить полную и
93
интенсивную переработку, тем более с предельной экологической
94
безопасностью для ОПС.
Однако в сравнении с другими одним из самых перспективных
направлений борьбы с нефтешламами с точки зрения экологической
безопасности и получения вторичных полезных продуктов является
пиролиз. Он дает возможность экономически выгодно, экологически
чисто и технически относительно просто перерабатывать нефтяные
отходы.
Сотрудником ТюмГНГУ [9] была предложена локальная установка высокотемпературного пиролизного разложения нефтешламов
до молекулярного уровня с последующим получением синтез-газа
(смеси, содержащей CO и H2), который может в дальнейшем применяться в качестве чистого топлива или как первичный продукт для органического синтеза. Производственная линия состоит из следующих
основных элементов: высокотемпературный пиролизный реактор, в
который происходит загрузка отходов, и синтез-реактор получения
нефтехимического сырья.
Данная технология включает в себя: рециклинг (вторичное использование газообразных продуктов пиролиза); экологически безопасное воздействие на атмосферный воздух (нет вредных выбросов) и
почвенный покров (уменьшаются площади полигонов).
94
ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ МАЛООТХОДНЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВ ВАЖНЕЙШИХ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
Процессы производства продуктов народного хозяйства остаются малоэффективными по сравнению с природными. Это связано
прежде всего с коэффициентом использования сырья. Общие расчеты
показывают, что следствием несовершенства является образование
отходов, которые при антропогенной деятельности в 2000 раз превосходят происходящие в природе превращения.
Проведенный группой специалистов под руководством академика Б.Н. Ласкорина анализ ряда областей народного хозяйства с позиций разработки малоотходных производств показал единство направлений:
- создание различных типов бессточных технологических систем
и водооборотных циклов как для цехов, так и отдельных производств
и предприятий в целом, что вполне реально при использовании перспективных способов очистки сточных вод; включение их в существующую систему водоснабжения производства позволяет максимально отказаться от использования поверхностных вод в качестве основного источника свежей воды;
- разработка и незамедлительное внедрение систем переработки
всех видов отходов производства и потребления, которые рассматриваются как вторичные материальные ресурсы, доводя качество и приравнивая их ценность к первичным ресурсам;
- создание и внедрение принципиально новых процессов полу-
чения традиционных видов продукции на основе комплексной переработки исходного сырья и попутного извлечения и утилизации всех
ценных компонентов с целью полного исключения или значительного
сокращения технологических стадий, на которых происходит образование основного количества отходов;
- разработка территориально-промышленных комплексов (клас-
теров), имеющих замкнутую структуру материальных потоков сырья и
отходов.
Отмеченная в первом пункте тенденция к созданию малоотходного производства на базе совершенных водоочистных систем вполне
применима и к циркулирующим в производствах газовым потокам.
Следовательно, уменьшить количество вредных выбросов и
приблизиться к природным процессам (циклическим), обусловливаю-
95
щим непрерывность (нескончаемость) сырья, возможно при соблюдении указанных направлений.
Из всех направлений наиболее освещаемым в литературе является то, которое связано с разработкой и внедрением технологий и
оборудования как локальных, так и общезаводских очистных сооружений, и соответствует идеологии очистки загрязненных стоков «на
конце трубы» (end-of-pipe). Данное направление освещено в предыдущих главах данного пособия.
Однако применяемые физические, химические и физикохимические процессы лишь снижают токсичность потоков, а в ряде
случаев осуществляют перевод вредных веществ из одной фазы в другую. Развитие идеологии защиты ОПС привело к идее сокращения отходов в источниках их образования [10].
Сокращение отходов в источниках их образования (СКОВИО) –
это система внутризаводских мероприятий, которые уменьшают, предотвращают или ликвидируют образование вредных отходов таким
образом, что уменьшают риск для здоровья человека и ОПС. Система
предполагает повторное использование ресурсов (рецикл), являющееся неотъемлемой частью данного промышленного процесса (т.е. выступает как «внутренний рецикл»).
Важно подчеркнуть, что, в отличие от мероприятий по снижению отходов, их минимизации, которые носят постфактумный характер (например, сжигание отходов, их захоронение), СКОВИО является
предупредительной мерой. Другими словами, СКОВИО выступает
единственным методом экологического управления, предотвращающим дальнейшее образование любых отходов.
Идеология и шаги осуществления необходимых товарных продуктов при минимальном образовании отходов развивается, в результате чего представлен подход (по своим деталям он аналогичен идеологии и разработанным в методологии СКОВИО) к проектированию
процессов и функционированию промышленных производств, называемый p2 (сокращение от prevention polution или cleaner production –
более чистое производство).
В дальнейшем мы рассмотрим ряд процессов, специфичных для
химической отрасли промышленности, которые демонстрируют подходы идеологии СКОВИО и p2, позволившие специалистам осуществить «более чистое производство». Прежде всего это – модификация
производства.
96
Убедительным примером этого подхода среди других являются
Cl2 + H2O
HCl + HOCl
CH2CH2 + HOCl
CH2OHCH2Cl
CH2CH2 + Cl2 CH2Cl CH2Cl
2CH2OH CH2Cl + Ca(OH)2
H2C CH
2
O
+ CaCl2 + H2O .
CH2CH2 + O2
H2C CH
2
O
CO
2
1
2
CaCO3
CaO + CO2 - Q
CaO + C CaC2 + CO2 - Q
CaC2 + H2O
Ca(OH)2 +
CH CH + Q
производства окиси этилена и ацетилена.
Так, если синтез окиси этилена, в основе которого лежит реакция Вюрца, складывается из ряда последовательных стадий, каждая из
которых приводит к трудноутилизируемым, а порой и неутилизируемым продуктам, отраженным в следующих реакциях:
,
,
,
Побочно, а также в соответствии со схемами, в каждой из указанных схемах реакций основных продуктов образовались побочно:
хлористый этил, ββ-дихлордиэтиловый эфир (хлорекс), дихлорэтан,
CaCl2, требующие утилизации.
При разработке способа прямого каталитического окисления
этилена кислородом была осуществлена модификация производства,
позволившая избежать образования всей гаммы указанных побочных
продуктов:
Не вникая в детали этой технологии (см. с. 105), проблема сводится к подавлению второго направления реакции окисления.
Огромный вклад в загрязнение ОПС среды вносило производство ацетилена, базировавшегося на карбиде кальция и складывающегося из процессов, которые отражены в следующих химических реакциях:
,
,
.
97
Вносимые в окружающую природную среду, конкретные отходы
каждой стадии (CO2, Ca(OH)2) – не единственные загрязняющие вещества, генерируемые производством. Опосредственно в атмосферу поступали загрязняющие вещества, обусловленные выработкой необходимой для реакции энергии (реакция 1 и 2). Безусловно, этот компонент
вносит в атмосферу оксиды азота и углерода.
Альтернативной «карбидной» технологией выброса ацетилена
служит технология прямого синтеза в условиях высших температур из
метана.
Предваряя рассмотрение путей модификации технологии,
следует остановиться на влиянии параметров проведения процесса, которые сказываются на конверсии исходного сырья и селективности.
С точки зрения охраны ОПС выбор параметров процесса должен
осуществляться с позиции увеличения селективности, а не конверсии,
то есть, прежде всего, технологические параметры должны способствовать не максимальному превращению исходного сырья, а синтезу
целевого продукта.
Таким образом, при высшей селективности, но малой конверсии
для полноты переработки сырья, наиболее актуальная задача – создание технологического процесса, включающего рециркуляцию – цикличность.
Рециркуляция для большинства процессов позволяет не только
увеличить степень конверсии, но и использовать энергию, выделяющуюся в результате экзотермической реакции. Примером такого процесса следует считать синтез метанола (см. с. 99).
Наряду с этим известны технологические процессы, функционирующие в настоящее время, которые не используют электрохимические реакции в связи с небольшим тепловыделением. Примером этому
может быть процесс алкилирования бензола с применением в качестве
катализатора треххлористого алюминия. Этот процесс протекает при
температурах, близких к 96-98ºС. Целесообразность аккумулирования
этой энергии низка ввиду того, что теплоноситель (хладагент) для
поддержания температуры будет нагрет до 50-60ºС.
Но этот же процесс алкилирования разработан на катализаторе
фирмы «Бадгер» при 450ºС. И в данной технологии за счет разности
температур отходящий поток продуктов реакции несет значительный
заряд утилизируемой энергии, которую можно использовать для привода насосов и компрессоров.
98
Увеличение селективности процессов может быть связано и с
C
OH
CH
3
CH
3
H
2
-H2O
CH
CH
3
CH
3
C
CH
3
CH
2
H
2
CH
CH
3
CH
3
CH2Cl CH2Cl
CH2CHCl + HCl ,
CH CH + HCl
CH2CHCl .
функционированием оборудования, снижающего диффузионное сопротивление, способствующее протеканию процесса в кинетической
области (управление данными процессами более операбельно).
Рециклирование отходов в рамках предприятия. При использо-
вании данного принципа происходит повторное использование побочно получившихся продуктов в результате их превращений. Возьмем в
качестве приера производство фенола и ацетона. Так, получающиеся
при производстве метилфенилкарбинол и ацетилстирол, подвергнутые
гидрированию на разработанных для этого катализаторах, превращаются в изопропилбензол, который включается в рецикл производства
фенола и ацетона:
Кооперация методов производства. Ярким примером использования отходов одного процесса в синтезе конечного продукта является
метод, заключающийся в синтезе крупнотоннажного продукта – винилхлорида.
Большой проблемой производства винилхлорида дегидрированием дихлорэтана было образование хлористого водорода. Утилизация
хлористого водорода путем производства соляной кислоты представляла большие трудности ввиду необходимости многократного разделения хлористого водорода и воды. Причиной этому были загрязняющие хлористый водород продукты разложения углеводорода. Решение
проблемы явилось в виде совмещения процессов, отраженных в реакциях:
99
,
Более распространен в настоящее время процесс получения хло-
CH2CH2 + 0,5H2O + HCl
CH2CHCl + H2O .
CH
4
CH2 + H
2
47
CH2 + CH
4
C2H6 + 36
C2H
4
C2H2 + H2 48
CO + 2H
2
CH3OH
C2H6 C2H4 + H2 30
ристого винила не на базе ацетилена, а путем оксихлорирования этилена хлористым водородом:
.
Схема реакции образования ацетилена была представлена Касселем:
Ккал/моль,
Ккал/моль,
Ккал/моль,
Ккал/моль.
Рассмотрим возможности применения вышеназванных принципов на примерах некоторых производств органического синтеза.
Синтез метанола
До 70-х годов ХХ века основными методами разделения веществ
в химии и химической технологии оставались дистилляция, абсорбция, адсорбция, экстракция, а также противоточная конденсация.
Последние десятилетия отличаются интенсивным внедрением в
технологические процессы мембранных методов разделения как жидких, так и газообразных смесей. Использование данных методов
дало возможность решить актуальные задачи охраны окружающей
среды.
Синтез метанола из оксида углерода и водорода производится
при высоких давлениях (3∙107 Па) и относительно низкой температуре
(350-450ºС):
.
Используемая смесь получается в результате конверсии углеводородного сырья, в основном – метана, составляющего основу (98 %).
Соотношение состава конвертируемого газа следующее:
(H2 ÷ CO2) ÷ (CO÷ CO2) = 2,15 ÷ 2,25.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]