Тема 4.

Экологическая характеристика некоторых промышленных производств

Рассмотрим процессы нефтехимической промышленности.

Крекинг – (от «расщеплять») переработка нефти и ее фракций для получения, главным образом, моторных топлив, а также химического сырья, протекающая с распадом тяжелых углеводородов. Наряду с распадом при крекинге идет изомеризация и синтез новых молекул, например, в результате циклизации, полимеризации и конденсации. Крекинг может осуществляться как чисто термический, так и каталитический. Термический крекинг идет по свободному радикальному механизму в виде цепных реакций при температуре 470–540⁰С и давлении 40–60 атм. Бензины этих фракций содержат много непредельных углеводородов, нестабильны при хранении, маловосприимчивы к тетраэтилсвинцу и требуют дальнейшей переработки путем риформинга – (от анг. reform – переделывать, улучшать) – промышленный процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высокооктановых бензинов и ароматических углеводородов. Каталитический крекинг протекает при температуре 450–520⁰С, давлении 2–3 атм в реакционных колоннах с неподвижным или циркулирующим катализатором синтетических или природных алюмосиликатов. Сырьем является газойль – фракции нефти, выкипающие в интервале 200–400⁰С и занимающие при перегонке нефти промежуточное положение между керосином и легкими индустриальными маслами. Получаемые продукты: высококачественный моторный бензин с октановым числом 85 для автомобилей и авиации; керосино-газойлевые фракции, пригодные в качестве дизельного и реактивного топлива и кокс – углеродистые отложения на катализаторе, которые получают при регенерации катализатора путем выжигания. Для переработки средних и тяжелых дистиллятов с большим содержанием сернистых и смолистых соединений, непригодных для переработки каталитическим методом применяется гидрокрегинг – каталитический крекинг в присутствии водорода при Т – 350–450⁰С и давлении 30–140 атм, расходе водорода 170–350 м³ на м³ сырья. Применение водорода обеспечивает эффективное гидрирование на катализаторе высокомолекулярных и сернистых соединений с их последующим распадом на крекирующем компоненте (алюмосиликате). При этом выход светлых продуктов достигает 70% (в пересчете на нефть) и снижается содержание серы и непредельных углеводородов.

Переработка нефти ведется по двум направлениям:

1. на установках топливного и масляного блоков получают моторные топлива и масла, парафины, церезины, битумы;

2. на установках химического блока – синтетические жирные кислоты, синтетические масла, деэмульгаторы, присадки, серная кислота, сера, различные углеводороды.

Зона загрязнения мощных НПЗ простирается на расстояние более 20 км, количество выделяющихся вредных веществ определяется мощностью НПЗ и составляет (в % от мощности предприятия): углеводороды – 1,5–2,8, сероводород – 0,0025–0,0035 на 1% серы в нефти, оксид углерода – 30–40% от массы сжигаемого топлива, сернистый ангидрид – 200% от массы серы в сжигаемом топливе. Потери углеводородов в атмосферу составляют (в %) – 75, в воду – 20, в почву – 5. На современных предприятиях первичная перегонка нефти сочетается с обессоливанием, стабилизацией и вторичной перегонкой бензина на установках большой мощности ЭЛОУ АВТ-6. Основные отходы установок, загрязняющие атмосферный воздух, кг/час: дымовые газы из трубчатых печей, в составе которых пыль органическая – 5,3, диоксид серы – 900,9, оксид углерода – 32,9, оксиды азота – 50,2, углеводороды – 3,2, вентиляционные газы, содержащие аммиак, углеводороды и сероводород. Сточные воды установок содержат солевые растворы, образующиеся при обезвоживании и обессоливании сырой нефти, а также при работе и мойке насосов и технологического оборудования, содержащие нефтепродукты, кислые растворы сульфидов, растворы щелочи.

Дымовые газы из трубчатых печей, а также газы, образующиеся при регенерации катализатора, содержащие углеводороды, оксид углерода и вентиляционные газы, в состав которых входят бензол, толуол и другие углеводороды являются выбросами технологических установок платформинга – каталитического риформинга на платиновом катализаторе. Сточные воды этих установок содержат нефтепродукты, а твердые отходы – это отработанный катализатор.

Важнейшая технологическая установка нефтехимического производства – это удаление сернистых, азотистых, кислородсодержащих соединений путем их деструктивной гидрогенизации в процессе взаимодействия с водородом. Гидроочистке подвергают все нефтяные топлива, смазочные масла и парафины в присутствии алюмокобальтмолибденового или алюмоникельмолибденового катализатора. Часть образующихся отходов возвращается в производственный цикл – это газ, использующийся в качестве топлива на установке, отгон (бензиновая фракция с низким октановым числом), который добавляется к бензинам, и сероводород, который используется для производства серной кислоты и серы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива и регенерации катализатора и вентиляционные газы, содержащие углеводороды и сероводород являются выбросами установки в атмосферный воздух. Сточные воды, содержащие отработанную щелочь, промышленно-ливневые стоки с нефтепродуктами и моноэтаноламином поступают на очистные сооружения.

Выделение нормальных алканов из керосингазойлевых фракций путем адсорбции на молекулярных ситах (цеолитах) осуществляется на технологической установке производства жидких парафинов «Парекс». Процесс состоит из следующих стадий: адсорбция нормальных алканов цеолитом при его контакте с сырьем, продувка адсорбента от неадсорбируемых цеолитом компонентов сырья, десорбция (выделение) нормальных алканов из пор цеолита с помощью аммиака. Выбросы установки: диоксид серы и углерода, водяные пары, азот, кислород и диоксид никеля с дымовыми газами и газами, образующимися при сжигании, активизации катализатора и метанизации, аммиак, углеводороды, щелочные аэрозоли, серная кислота с вентиляционными газами. Сточные воды установки содержат сульфаты, сульфиты, сульфонаты и гидроксид натрия, аммиак, бисульфит натрия, цианиды. Твердые отходы: цеолиты, силикагели. Кислый гудрон, образующийся как отход, используется при производстве серной кислоты.

Установка производства нефтяных масел состоит из 3-х этапов: подготовка сырья-мазута или продуктов его вакуумной перегонки и получение исходных масляных фракций, получение компонентов из исходных масляных фракций, смешение компонентов и добавление присадок для получения товарных марок масел. Производство компонентов из исходных масляных фракций – сложный многоступенчатый процесс, основное назначение каждой стадии – полное или частичное удаление определенных групп соединений, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства масел. При этом используются органические растворители (пропан, фенол, метилэтилкетон, толуол), охлаждение сырья с помощью аммиачной холодильной установки. В выбросах дымовых и вентиляционных газов содержатся все вышеперечисленные соединения. Высокомолекулярные смолистые вещества и нафтеновые кислоты, а также остатки растворителей из масляных компонентов удаляют отбеливающими глинами – этот процесс является завершающей стадией при получении смазочных масел. Атмосфера загрязняется дымовыми газами, твердые отходы в виде отработанной отбеливающей глины поступают в отвал, а отработанная фильтровальная бумага и ткань сжигаются. Промышленно-ливневые сточные воды поступают на очистные сооружения. Производство присадок для повышения эксплуатационных свойств масел предусматривает добавление к базовому маслу антиокислительных, антикоррозионных депрессаторов, вязкостных, противоизносных, моющих или многофункциональных присадок, которые получают путем многостадийного органического синтеза. Загрязняют атмосферу углеводороды, аммиак, диоксид серы, оксид серы с вентиляционными газами, выделяющиеся при производстве сульфонатной присадки. В производстве сукцинамидной присадки добавляются выбросы малеинового ангидрида, а также ксилол, азот, водяные пары. Сточные воды содержат сульфиды, изопропанол, эфироизвлекаемые и взвешенные вещества, нефтепродукты, ароматические углеводороды, малеиновый ангидрид, ксилол. К жидким продуктам относится гудрон, который используется для производства концентрата «Карпатол-2», применяемый для интенсификации нефтедобычи и в цементной промышленности. Производство битумов сопровождается выбросами дымовых и вентиляционных газов, а жидкий отход – «черный соляр» – используется в качестве топлива. Твердые отходы – битумная крошка – полностью используются по назначению. На предприятии имеются две системы водоотведения: первая система, в которую поступают ливневые сточные воды, промывные воды от мытья полов, сальников, торцов насосов, а также после пропарки и промывки емкостного оборудования; вторая система служит для приема солевых и сернисто-щелочных вод установок первичной перегонки нефти и гидроочистки, установок «Парекс», раствор сульфата аммония с установок производства присадок. Сточные воды обеих систем канализации поступают на очистные сооружения, где подвергаются очистке от всех видов загрязнений путем биологической очистки. Таким образом, нефтехимическое производство состоит из многих технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлении в агрессивных средах. При этом образуются различные полезные для человека продукты и соединения, часть их попадает в атмосферу, воду и почву, являясь загрязнителями окружающей среды. Экологизация подобных производств заключается в использовании этих загрязнений, в качестве топлива или получении других продуктов и очистке воздушных выбросов и сточных вод.

Производство синтетических и искусственных волокон. Синтетические волокна производят из синтетических высокомолекулярных соединений, получаемых на основе продуктов переработки каменного угля, нефти и природного газа в процессе полимеризации и поликонденсации. На крупнейшем в республике ПО «ПОЛИМИР» осуществляется производство волокна нитрон. В качестве сырья используются акрилонитрил, метилакрилат и изобутиловый спирт, которые подвергают сополимеризации в среде роданида аммония. Раствор полимера подают в прядильно-отделочное отделение, где путем продавливания полимера через фильеры определенного размера и формуется волокно. Пучок волокон из осадительной ванны подвергают вытяжке и направляют на отделку, отмывают от остатков растворителей, окрашивают, снова отмывают, сушат, обрабатывают антистатиком, гофрируют и укладывают в жгуты. Производство сопровождается весьма токсичными выбросами в атмосферу и в виде жидких стоков: изопропиловый спирт, метилакрилат, нитрил акриловой кислоты, аэрозоль серной кислоты, роданид натрия, цианиды, катионные красители. Образуется большое количество твердых отходов – фильтровальные пакеты, жгуты полимера, фильтровальный шлам, цветные волокнистые отходы, которые направляются в шламонакопитель. Как же обезвреживаются эти токсичные отходы? Сажа из отходящих газов производства полиэтилена, а также сульфат аммония производства метилакрилата улавливаются с помощью рукавных фильтров и барботажно-вихревых уловителей. Газы, содержащие оксид углерода и органические примеси, подвергаются термокаталитическому обезвреживанию. Вредные компоненты отходящих газов улавливаются с помощью абсорбции, нитрил акриловой кислоты, и метилакрилат абсорбирует раствор роданида натрия. В настоящее время производство химических волокон осуществляется в виде моноволокон (одиночное волокно большой длины), штапельного (короткие обрезки одиночных тонких волокон) и филаментных нитей (пучков, состоящих из большого количества одиночных тонких волокон соединенных посредством крутки). Вискозное, медно-аммиачное, ацетатное и альгинатное волокно получают путем химической переработки природных полимеров (древесной и хлопковой целлюлозы), то есть из растительного сырья, оно относится к искусственным волокнам. Прядильные растворы различных полимеров (полиамидов, поливинилхлоридов, капрона, лавсана, винила и т.д.) получают путем растворения исходного сырья в растворителях, либо путем их расплавления. Формование нитей осуществляется способом продавливания полученной массы через фильеры (отверстия) в раствор воды и растворителя (керосин, гексатриол, алифатические спирты и т.д.) в осадительной ванне. Вытягивание нитей происходит в растворах коагуляционной ванны. В отличие от описанного мокрого способа получение синтетического волокна по сухому способу прядильный раствор продавливают через фильеры в шахту нагретым воздухом, при этом образуется филаментная нить. В производстве синтетических волокон образуется большое количество сточных вод и жидких отходов, расход воды на тонну готовой продукции от 300 до 1000 м³. Вода требуется для приготовления различных растворов, промывки продукции и оборудования, а также для процессов охлаждения. Существующие системы водоснабжения, как правило, прямоточные, и эффективность использования свежей воды по коэффициенту водооборота составляет 12–27%. Сероуглерод – наиболее значительный и токсичный отход производства вискозных волокон. В технологическом процессе сероуглерод используется при ксантогенировании щелочной целлюлозы и вступает в реакцию со щелочью с образованием тиокарбонатов и сульфидов. При формовании волокна в кислотных ваннах ксантогенат, тиокарбонаты и сульфид разлагаются с выделением свободных сероводорода и сероуглерода. Выбросы в атмосферу содержат 27,6 кг сероводорода и 3 кг сероуглерода в расчете на тонну готовой продукции. Снижение выбросов достигается, во-первых, за счет герметизации оборудования, локализации газовыделения из технологических растворов и из свежесформированного волокна, а во-вторых – путем перевода побочных продуктов ксантогенирования в устойчивые сернистые соединения. Экологизация производства синтетических и искусственных волокон осуществляется различными способами очистки газовоздушных выбросов и сточных вод, рекуперацией сероуглерода. Рекуперация – это возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса для повторного использования в том же процессе. Очистка вентиляционных выбросов производится на газоочистных установках, где сероводород улавливается и окисляется до элементарной серы, а также регенерируется и возвращается в производство сероуглерод. Для улавливания сероводорода и рекуперации сероуглерода из вентиляционных выбросов используется двухступенчатая очистка. На первой ступени происходит улавливание сероводорода мокрым способом, например, щелочным раствором гидрохинона, с получением коллоидной серы и тиосульфата натрия в виде товарных продуктов. Процесс протекает в форсуночных скрубберах вертикального и горизонтального типа, степень извлечения сероводорода составляет 95–100%. На второй ступени осуществляется регенерация сероуглерода в адсорберах со стационарным слоем адсорбента. В качестве адсорбента применяются активированные угли с развитым объемом микропор, обеспечивающие высокую степень очистки. В настоящее время для очистки вентиляционных выбросов внедряются фильтры на основе хемосорбционных и активированных углеволокнистых материалов. Воздух после газоочистных устройств и от местных отсосов прядильно-отделочного оборудования с небольшим содержанием вредных примесей поступает на установки термического и термокаталитического обезвреживания, после чего проходит через высокие трубы и рассеивается в атмосфере. В технологическом процессе образуется до 10 видов сточных вод, например, кислые цинксодержащие, шламовые, целлюлозосодержащие, очистка которых производится на локальных установках с последующей доочисткой на общезаводских или городских очистных сооружениях. В данных производственных процессах остается нерешенным вопрос утилизации твердых отходов-шламов, они сбрасываются и хранятся в шламонакопителях.

Производство основных неорганических кислот – серной и азотной. Серная кислота – один из важнейших продуктов химической промышленности, она применяется для получения других кислот (фосфорной, соляной, плавиковой, борной) путем использования свойства серной кислоты вытеснять другие кислоты из их солей. Концентрированная серная кислота применяется в нефтепереработке и нефтехимии для очистки от сернистых и непредельных органических соединений, в металлургии с ее помощью разлагают комплексные руды (урановые). Разбавленная серная кислота удаляет окалину перед оцинкованием, применяется для травления металлических поверхностей перед покрытием их никелем, медью, хромом. В органическом синтезе концентрированная серная кислота – необходимый компонент нитрующих смесей и сульфирующее средство при получении многих красителей и лекарственных веществ. Благодаря высокой гигроскопичности применяется для осушки газов, концентрирования азотной кислоты. Сырьем для получения серной кислоты контактным способом служат минерал пирит (FeS₂), самородная сера, серосодержащие газы – отходы цветной металлургии и отходы нефтехимии. При получении серной кислоты из пирита (серного колчедана) его сжигают в печах в кипящем слое, т.е. при постоянной продувке воздухом, нагретым отходящими обжиговыми газами, тонкого слоя минерала. Получаемая газовая смесь содержит оксиды серы, пары воды, оксиды мышьяка, кремния и большое количество огарковой пыли, от которой газы очищаются в электрофильтрах. После тщательной очистки обжиговый газ – двуокись серы – поступает в контактный аппарат, где в присутствии катализатора – окиси ванадия – при 450⁰С окисляется до трехокиси серы. Полученный SO₃ поглощают концентрированной серной кислотой, образуется олеум, или дымящая серная кислота (раствор 18,5–20% SO₃ в H₂SO₄). Особенности технологического процесса: мышьяк, селен и остатки пыли (отравляющие катализатор) удаляют в промывных башнях, орошаемых серной кислотой; от тумана серной кислоты, образующейся из присутствующих в газовой смеси трехокиси серы и воды, освобождают в мокрых электрофильтрах; пары воды поглощаются концентрированной серной кислотой в сушильных башнях. Производственный процесс является непрерывным, т.е. в систему непрерывно подаются исходные компоненты и удаляются готовые продукты. По характеру циклов получение серной кислоты контактным способом можно отнести к процессам со смешанной схемой, характеризующейся непрерывным поступлением колчедана и воздуха, поглощением разбавленной серной кислотой трехокиси серы и возвращением в процесс смеси до получения нужной концентрации кислоты или олеума.

Нитрозный (башенный) способ получения серной кислоты осуществляется в окислительных, поглотительных, продукционных башнях – цилиндрических резервуарах. Процесс осуществляется с помощью нитрозы, разбавленной серной кислоты, содержащей нитрозилсерную кислоту. Присутствие окислов азота в технологическом процессе сопровождается их выбросами в атмосферу в виде желтых шлейфов дыма, называемых «лисьим хвостом» и характерных для данных производств. Для очистки отходящих газов сернокислотного производства широко используются аммиачные способы: аммиачно-сульфатный (с получением товарного сульфата аммония или его растворов), аммиачно-циклический (с получением диоксида серы и товарного бисульфита аммония). Пиритный огарок (отход исходного минерала после обжига) используется в производстве стройматериалов.

Основные направления экологизации сернокислотного производства заключаются в повышении степени использования обжиговых газов или увеличении циклов контактирования реагирующих масс в два раза, а также разработка мощных сернокислотных прямоточных систем под давлением. При этом выброс диоксида серы на тонну серной кислоты составляет не более 0,3 кг. В циклической системе комплексно используются все факторы повышения интенсивности процесса и приближения его к безотходной технологии: использование концентрированных газов, оптимальных температур, активных и устойчивых в работе катализаторов, повышенного давления, интенсивных аппаратов с кипящим и пенным слоем, рециркуляции газов. При такой организации процесса степень использования диоксида серы составляет 99,95%, а выбросы не превышают 0,02–0,03 кг на тонну 100% серной кислоты.

Производство аммиака и азотной кислоты. Сырье: смесь азота и водорода. Взаимодействие газов происходит на железном катализаторе с образованием аммиака, который удаляется из газовой смеси путем сжижения (конденсации), газовая смесь (несконденсировавшаяся) возвращается в реактор. Режим работы непрерывный, производственный цикл замкнутый. Синтез аммиака протекает с выделением тепла и уменьшением объема. Наиболее благоприятным, с точки зрения протекания реакции, до образования аммиака является возможно более низкая температура и возможно более высокое давление. В процессе получения аммиака используется многослойный реактор с охлаждением холодными газами, теплообменник, компрессор, холодильник, сепаратор для отделения аммиака от непрореагировавших газов. В качестве источника водорода применяют природный газ, азот из атмосферного воздуха. Для получения водорода из метана используют конвекторы метана и оксида углерода, котлы – утилизаторы, смесители – сатураторы, испарители, конденсационные башни, адсорберы. С целью увеличения степени использования газов в современных системах синтеза аммиака применяют многократную циркуляцию азото-водородной смеси, т.н. круговой аммиачный цикл. Однако, в атмосферу могут попадать (в расчете на тонну готовой продукции) до 200 кг аммиака, 90 кг метана, 100 кг оксида углерода. Аммиак широко применяется в различных производственных процессах: для получения азотной кислоты, азотных удобрений (сульфата аммония, карбамида), пищевой соды через образование гидрокарбоната аммония, акрилонитрила, гидразина, в виде хладоагента при компрессии (сжатии различных газов). В качестве сырья для производства азотной кислоты используют аммиак и воздух, которые вступают в реакции синтеза в присутствии катализаторов – платинородиевых сеток, необходимыми компонентами являются вода и серная кислота. Аммиак в смеси с воздухом окисляется при 800⁰С на катализаторе до оксида азота, далее процесс окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV) протекает при обычной температуре. Производство непрерывное; воздушноаммиачная смесь поступает в контактный аппарат, где происходит окисление аммиака. Необходимая температура поддерживается за счет выделяемой в процессе реакции теплоты. Газовую смесь, содержащую оксид азота (II), охлаждают в топке котла – утилизатора. Полученную смесь, содержащую оксид азота (IV), направляют в поглотительную башню, где по принципу противотока происходит смешивание воды и газовой смеси. Полученная азотная кислота имеет концентрацию не более 60%, повышение крепости которой осуществляют добавлением концентрированной серной кислоты, отнимающей влагу. Загрязняющие атмосферный воздух соединения – нитрогазы (оксиды азота), выделяющиеся в виде «лисьих хвостов» до 25–27 кг на тонну кислоты. Очистку отходящих газов осуществляют с помощью абсорбционных и адсорбционных методов, а также различных каталитических методов восстановления оксидов азота.

Биотехнологические промышленные производства. Технологические процессы получения продуктов микробиологического синтеза (кормового белка, ферментов, антибиотиков, аминокислот) имеют одну общую для всех стадию, а именно – процесс ферментации, который представляет собой способ промышленного культивирования микроорганизмов-продуцентов. Наиболее экономичным и современным считается глубинное непрерывное культивирование микроорганизмов в жидких средах. В состав жидких сред входит вода, источник углерода (сахаросодержащие продукты, например патока, кукурузная мука или н-алканы) и питательные соли, а также различные ростовые факторы (микроэлементы, витамины, ауксины).

В Республике Беларусь действуют два гидролизно-дрожжевых завода, Бобруйский и Речицкий, на которых получают кормовые дрожжи из гидролизатов древесины, подсолнечной шелухи и других целлюлозосодержащих продуктов. Получение гидролизатов это сложный химический процесс кислотного гидролиза целлюлозы до простых сахаров, протекающий с помощью серной кислоты при высокой температуре и давлении в специальных аппаратах, называемых гидролизаппаратами. В результате получают жидкость – гидролизат с кислой реакцией среды, который содержит простые сахара и минеральные вещества, а также твердый отход процесса гидролиза целлюлозы – лигнин. Гидролизат нейтрализуют известью до рН 4,0–4,5 и направляют в ферментеры (аппараты для культивирования биомассы), куда подают и засевную биомассу дрожжей рода Candida. Процесс непрерывного культивирования осуществляют в ферментерах путем непрерывного отбора культивационной среды из аппарата и непрерывной подачи такого же количества гидролизата в аппарат. Полученная из ферментера биомасса направляется на сепараторы, центрифуги или ультрафильтры, а затем на сушку. Готовый продукт (сухие кормовые дрожжи) получают в виде порошка и используют как кормовую добавку для кормления сельскохозяйственных животных. Некоторые продукты микробиологического синтеза, например, амилолитические ферменты, используют и в жидком виде.

Существует поверхностный способ получения ферментов, т.е. культивирование биомассы на твердых питательных средах, например, плесневых грибов рода Aspergillius. Подобный процесс осуществляется при промышленном культивировании грибов рода вешенка на соломе. В Гродненской области в г. Скиделе введен в эксплуатацию завод по производству аминокислот с помощью бактерий-продуцентов. В выбросах предприятий биотехнологического направления содержатся следующие соединения, в %: взвешенные вещества – 35,5, диоксид серы – 30, оксид углерода – 21, метиловый спирт – 10,5, уксусная кислота – 0,34, аммиак – 0,3, ацетон – 0,25, серная кислота – 0,09, формальдегид – 0,07. В атмосферу поступает белок в виде пыли или живых клеток и спор продуцента. Образуется значительное количество сточных вод в процессе сепарирования биомассы, мойки оборудования, уборки производственных помещений. Со сточными водами в водоемы могут поступать сульфаты, хлориды, фосфаты, азот, метанол, фурфурол.

Экологизация промышленных биотехнологических процессов осуществляется путем мокрой очистки газовоздушных выбросов из ферментеров, очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях, улавливанием пыли после сушильных установок в циклонах. Однако не решены окончательно вопросы использования активного ила после биологических очистных сооружений и лигнина после процесса гидролиза. Следует отметить, что биологическую очистку сточных вод по своей сути следует считать биотехнологическим процессом, наиболее близким к природным циклам, лишь интенсифицированным человеком и поэтому максимально экологичным. В целом биотехнологические процессы не вносят значительного количества загрязнений в общей сумме промышленных выбросов, но биотехнология относится к современным развивающимся технологиям, которые требуют изучения.

Производство поваренной соли. Экологические проблемы подобных производственных предприятий можно рассматривать на примере Мозырского солевыварочного комбината. Поваренную соль получают из природных залежей соли, которые извлекают способом подачи воды в скважины в виде неочищенного рассола, с содержанием 290 г/л NaCl. После перекачки из скважины рассол очищают от примесей кальция и магния раствором каустической соды, затем упаривают, обрабатывают полиакриламидом для коагуляции и удаления шлама. Солевую пульпу центрифугируют, очищенный рассол поступает на барабанные сушилки. Обогащение йодом и фтором осуществляют путем впрыскивания соответствующих растворов в сухую соль. Образующаяся солевая пыль улавливается с помощью мокрых скрубберов Вентури, шлам собирают в шламонакопителе.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются давно используемым источником электроэнергии. При их строительстве река перегора­живается плотиной, выше нее создается водохранилище, а вода по трубам направляется к турбинам. Вращающиеся турбины при­водят в движение роторы синхронных трехфазных генераторов. На зажимах статоров возникает напряжение, а электрическая энергия по линиям электропередачи направляется к потребителям.

В нашей стране в 1993 г. на ГЭС было выработано 175 млрд кВт ∙ ч электроэнергии — 18% общего количества, в США — 12%. Гид­роэнергия непрерывно возобновляется и будет существовать до сих пор, пока энергия Солнца поступает на Землю.

Однако работа ГЭС имеет ряд экологических недостатков:

1) затопление земель, пригодных для сельского хозяйства (в частности, при строительстве каскада ГЭС на Волге);

2) изменение климата в зонах водохранилищ;

3) нарушение условий существования и нереста рыбы, сокра­щение рыбных запасов (в частности, на Волге и Енисее);

4) разрушение ГЭС при военных действиях приведет к спуск'; воды водохранилища, возникновению волны высотой в десяти метров, которая может уничтожить города, расположенные ниже ГЭС;

5) строительство ГЭС приводит к наведенной сейсмичности, и частности в США и Индии возникали землетрясения, разрушившие ГЭС.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. Развитие энергетики пока в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии — углеродсодержащем или урановом, топливе. Экологические недостатки этих источников энергии приводят к разработке и все более широкому использованию нетрадици­онных (альтернативных) возобновляемых источников энергии. С этой точки зрения перспективной является энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, энергии ветра, малых рек, приливов волн, течений, геотермальной энергии, энергии биомассы и т.п. Пере­чень нетрадиционных возобновляемых источников энергии с раз­витием науки и технологий непрерывно возрастает. Уже в 1991 г. энер­гия от возобновляемых источников в процентах к общему объему про­изводства энергии составляла в Норвегии — 99%, Австрии — 70, Швейцарии — 62, Португалии — 55, Швеции — 41, Испании — 25_;

В настоящее время исследования по использованию солнечной энергии ведутся на всех континентах. В США к 2020 г. предполагают удовлетворить от 10 до 30% своих энергетических потребностей страны за счет солнечных установок, в Японии в 2010 г. — 3%. Национальные программы развития солнечной энергетики при­няты в 68 странах. Солнечная радиация, достигающая внешних границ земной атмосферы, несет энергию в 5,6 ∙ 10⁶ ЭДж в год (Р= 17 млрд кВт). Около 65% этой энергии расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а так­же на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра, 35% солнечной энергии отражается. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 9 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических видов топлива и урана.

Солнечная энергия обладает рядом преимуществ, Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Чтобы обеспечить свои энергетические потребности в 2100 г., человечеству доста­точно использовать меньше 0,1 % падающей на Землю солнечной энергии или сороковую часть солнечной энергии, падающей на пустыни. Однако солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (800—1000 Вт/м²), ее интенсивность меняется в течение суток, зависит от сезона и т.д. Как падающая, так и рассеянная солнечная радиация относится к прямым видам солнечной энергии. Косвенными видами солнечной энергии являются энергия ветра, волн, приливов, тепловые градиенты океана, гидроэнергия и энергия, полученная благодаря фотосинтезу.

Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление (солнеч­на теплоснабжение) основано на нагревании теплоносителей, например, воды, обычными или сконцентрированными солнеч­ными лучами в специальных устройствах — коллекторах. Этот способ уже стал находить практическое применение в США, Япо­нии, в южных районах нашей страны для опреснения и получения горячей воды, обогрева зданий зимой и охлаждения их летом, для сушки различных продуктов и материалов, питания термопреобразователей и т.п. Уже при сегодняшней эффективности солнеч­ные коллекторы могут оказаться экономически целесообразными инлоть до районов, лежащих на 56-й широте (примерно на ширине Москвы). Большое внимание во многих странах уделяется фотоэлектрическому способу использования электрической энергии.

К существенному прогрессу здесь привели открытия, сделанные за последние 10 — 20 лет в физике и химии полупроводников. На их основе были созданы фотоэлектрические преобразователи — сол­нечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12— 15%, а на лабораторных обзразцах достигнуты и значительно лучшие результаты (28 — 29%).

Теоретические исследования привели к выводам о принципи-.|.'1ьной возможности достижения в полупроводниковых структу­рах с переменной шириной запрещенной зоны, использующих объемный фотоэффект, коэффициента полезного действия, близ­кого к 90%. Однако широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается из-за их пока еще высокой стоимости (стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями выше, чем при традиционных способах) (рис. 8.3). Следовательно, одно из главных направлений здесь — разработка более дешевых преобразователей, например с исполь­зованием пленочных и органических полупроводников, и менее дорогих технологий их производства.

Рис. 8.3, Стоимость электроэнергии, получаемой за счет энергии Солнца и ветра. С 1980 по 1990 г. стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными, тепловыми и ветроэнергетическими установками, снизилась более чем в 5 раз. В настоящее время эти техно­логии конкурентоспособны с традиционными способами производства электроэнергии.

В Италии и США уже созданы солнечные электростанции. Их экологическими недостатками являются большие затраты мате­риалов и нарушения экологического равновесия под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектаров.

Наряду с этим намечаются и пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. С точки зрения возможности относительно быстрой реализации наиболее заман­чивым представляется следующий двухступенчатый метод: вначале под действием солнечного света на культуру быстро­растущих микроводорослей или других растений следу­ет накапливать органичес­кую биомассу, а затем с по­мощью специальных бакте­рий перерабатывать ее в вы­сококалорийное топливо, например метан.

Одним из наиболее пер­спективных в будущем представляется процесс раз­ложения воды на водород и кислород под действием солнечной радиации. Дело в том, что запасы воды на Земле практически неогра­ниченны, а водород — это ценный химический про­дукт, который можно ис­пользовать в виде экологи­чески чистого топлива, не дающего вредных отходов. Водород является лучшим топливом из всех известных видов: по теплотворности на единицу массы он в 2,6 раза превосходит природный газ и в 3,3 раза нефть или бензин. Кроме того, по мнению ряда ученых, он может пере­даваться по трубам на большие расстояния с затратами, близкими к стоимости передачи электрической энергии. Заметим, что вслед­ствие непостоянства потока солнечной энергии, падающей на Землю в течение дня или в разные времена года, приходится использовать аккумуляторы энергии. Таким хорошим аккумулятором может быть сам водород, получаемый при разложении воды.

Извлечь водород из воды можно как электролитически, что довольно дорого, так и прямым химическим (или фотохимиче­ским) путем. Однако видимая часть солнечного света воду прак­тически не разлагает. Поэтому вся проблема сводится к тому, что­бы найти соответствующие катализаторы. Отдельные стадии этого процесса в той или иной степени уже разработаны. Ближайшая задача состоит в том, чтобы соединить эти каталитические систе­мы в единый законченный фотохимический преобразователь.

Можно предположить, что со временем этот метод также ста­нет экономически выгодным для широкого применения.

Все большее внимание привлекает использование энергии вет­ра, поскольку в масштабах планеты энергия ветра в 1000 раз превышает гидроэнергию. В Дании в 1997 г. вращались лопасти 4000 электростанций, использующих энергию ветра. Они обеспечива­ют 3,7% общего объема потребления электроэнергии. Однако к ,1030 г. производство электроэнергии на основе энергии ветра, солнца и биогаза должно увеличиться до 50% общего производ­ства. В итоге планируется вдвое уменьшить выбросы вредных ве­ществ в атмосферу. Разработаны ветроустановки мощностью 500 — 600 кВт. Стоимость производства ветроэнергии сейчас составляет 20 центов за 1 кВт ∙ ч, ее планируется уменьшить до 4,3 — 4,4 цен­та/кВт-ч, что меньше стоимости производства электроэнергии на АЭС и ТЭС (7 центов за 1 кВт ∙ ч).

Дания является ведущей страной по применению энергии ветра. 11ациональные программы освоения энергии ветра развернуты так­же в Нидерландах, Канаде, ФРГ, Франции, Швеции, КНР и дру­гих странах. В США планировалось получить с помощью энергии ветра в 2000 г. 2% всей производимой электроэнергии, в Дании и Нидерландах — 10%. Страны Европейского сообщества планируют довести к 2030 г. долю ветроустановок в производстве электроэнер­гии до 10%. Опытные работы, проведенные в ФРГ, показали, что современные оптимальные по энергетике ветроэлсктростанции (ВЭС) будут иметь гигантские размеры: на 90-метровых башнях дол­жны вращаться пропеллеры с размахом лопастей 80—100 м, кото­рые приводят в движение роторы генераторов электрической энер­гии ВЭС. Башни должны отстоять друг от друга на расстоянии трех высот башен, поэтому ВЭС занимают сейчас большие площади.

В качестве главного экологического недостатка ВЭС отмечают генерацию ими инфразвукового шума, вызывающего постоянное угнетенное состояние, чувство дискомфорта и беспокойства. Как показывает опыт эксплуатации подобных установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы. Территории, где размещаются ВЭС большой мощности, оказываются практически непригодными для проживания.

В России построено 1500 ветроустановок разной мощности. В на­шей стране целесообразно использовать ВЭС в Калининградской области, на побережье Каспийского и Черного морей, на Байкале, Камчатке и Сахалине, побережье Северного Ледовитого океана.

Геотермальная энергетика на базе термальных (горячих подзем­ных) вод развивается достаточно интенсивно в США, на Филип­пинах, в Мексике, Италии, Японии, где построены геотермаль­ные тепловые электростанции. В России большие ресурсы геотер­мальной энергии имеются на Камчатке, Сахалине и Курильских островах, меньшие — на Кавказе. Геотермальная энергия может применяться в сельском (обогрев теплиц) и коммунальном (го­рячее водоснабжение) хозяйствах. К геотермальному водоснабжению подключены некоторые населенные пункты Дагестана, Ингушетии, Краснодарского и Ставропольского краев, Камчатки.

Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии температурного градиента по глубине толщи воды (радиации, тем­ператур верхнего и нижнего слоев воды), а также энергию океани­ческих течений, морских волн и приливов. В мире наиболее развиты работы по приливным электростанциям (ПЭС). В 1966 г. во Фран­ции построена ПЭС «Ране», вырабатывающая 500 млн кВт ∙ ч элек­троэнергии в год, в 1968 г. в России — Кислогубская ПЭС на Коль­ском полуострове, в 1984 г. — ПЭС в Канаде мощностью 20 МВт.

Перспективно производство энергии биомассы, получаемой в ре­зультате переработки органических отходов. Разработаны техно­логии производства биогаза и этанола, которые можно использо­вать как топливо и компост (органические удобрения) из органи­ческих отходов животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов де­ревообрабатывающей промышленности.

ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ. Экономические и экологические соображения требуют всемер­ной и повсеместной экономии энергоресурсов. Такая экономия позволит уменьшить расходы на производство продукции, сохра­нить энергоресурсы для будущих поколений, уменьшить загряз­нение окружающей среды.

Внимание к энергосберегающим технологиям производства резко возросло после нефтяного кризиса 1973—1974 гг., когда страны ОПЕК уменьшили экспорт нефти и увеличили цену на нее. В первую очередь пострадали развитые страны Европы, США, Япония. Новые энергосберегающие технологии были разработаны в Японии: с 1973 по 1984 г. валовой продукт Японии увеличился примерно вдвое, а энергозатраты возросли только на 7 — 8%. Ко­личество энергии, необходимой для выплавки стали, снизилось в Японии более чем на 85%. Это достижение связано с внедрением непрерывной разливки, которая в свою очередь стала возможна благодаря использованию огнеупорных кирпичей с керамически­ми добавками (с повышенной устойчивостью к теплу и трению). Разработан также керамический автомобильный двигатель. В 1985 г. фирма «Тойота» на международной выставке продемонстрирова­ла сверхэкономичный автомобиль с керамическим двигателем, который на 100 км пути тратит менее 2 л бензина.

Резко снизили энергоемкость промышленной продукции и дру­гие страны. Если принять энергоемкость в 1970 г. за 100%, то уже в 1983 г. она составляла в США — 61%, Великобритании — 55%, Франции — 61%, при этом производительность труда возросла в США в 1,33 раза, в Англии — в 1,63, во Франции — в 1,47, в Японии — в 1,56 раза.

Приведем несколько примеров энергосберегающих технологий. Более половины всей энергии, производимой в США, потреб­ляют электромоторы. Использование современных электродви­гателей с микропроцессорным управлением позволило бы сэко­номить 20 % потребляемой электроэнергии. Улучшение теплоизо­ляции домов (тройные оконные рамы, толщина стен 10—12 см) позволило бы уменьшить примерно на 50% энергию, затрачивае­мую на их обогрев. Такие меры принимаются в США, Швеции и других странах. Использование экономичных люминесцентных или натриевых ламп вместо ламп накаливания примерно в 4 раза умень­шает затрачиваемую электрическую энергию (в нашей стране на освещение идет 13% электроэнергии).

Огромное количество энергии (60-80%) удалось бы сэконо­мить в России, если повсеместно перейти от малоэффективного и экологически вредного мартеновского производства стали к раз­работанной в нашей стране технологии ее непрерывной разливки.

Современные типы двигателей автомобилей позволяют сни­зить потребление топлива в 2-6 раз (до 4,5-1,5 л бензина на 100 км), тем самым достигаются большая экономия нефтепро­дуктов и снижение вредных выбросов в атмосферу.

В целом потребление энергии в развитых странах при исполь­зовании энергосберегающих технологий может быть снижено в 1,5 раза (на 30%). Рекомендации по экономии энергии в быту.

• Кипятите столько воды, сколько вам нужно, не больше.

• После закипания кипятите воду 1—3 мин.

• Закрывайте кастрюли и чайники крышками.

• Используйте только нужное вам освещение. Остальные све­тильники выключайте. Уходя из комнаты, гасите свет.

• Больше пользуйтесь маломощным местным освещением (на­стольными лампами, торшерами и т.д.).

• Следите за чистотой ламп. Вытирайте на них пыль.

• Где возможно, применяйте экономичные люминесцентные или натриевые лампы.

• При необходимости использования электроотопительных при­боров (электрокамины, рефлекторы и т.п.) ликвидируйте утечки тепла из помещения: заделайте щели в окнах, утеплите двери.

Таким образом, экологизация изученных производственных процессов полностью не решена и требует завершения в плане создания полностью безотходных технологий или использования отходов этих производств в качестве вторичного сырья.