5.4. ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) все активнее вторгается в систему принятия решений по развитию хозяйственной и/или иной деятельности. Появление идеи ОВОС было неизбежно, так как существуют объективные причины заинтересованности организации хозяйственной дея­ тельности таким образом, чтобы сохранить среду обитания и не подорвать основу существования человека как биологического организма, социально­ го индивида и духовной личности. В последние годы идея ОВОС доведена до практических рекомендаций.

При проведении ОВОС должны быть решены следующие основные задачи:

-выявлены и проанализированы все возможные воздействия намечае­ мой формы деятельности на окружащую среду района реализации хозяйст­ венного проекта;

-спрогнозированы и оценены изменения окружающей среды, которые произойдут в результате оказанных на нее воздействий при осуществлении намечаемой деятельности;

-предсказаны и классифицированы по значимости экологические и свя­ занные с ними социальные, экономические и другие последствия реализа­ ции хозяйственного проекта;

-учтены в подготавливаемых решениях возможные последствия их осу­ ществления.

Отличительной особенностью экологически чистого производства яв­ ляется отказ от применения систем очистки газов и воды от загрязнений как основного средства борьбы с выбросами и подавление поллютантов пре­ имущественно технологическими способами.

Однако для выбора стратегии подавления выбросов следует вначале ре­ шить ряд задач методического характера, поскольку часто как производите­ ли продукции, так и контролирующие службы не знают, что в действитель­ ности выбрасывается в окружающую среду при проведении производствен­ ного процесса и что должны, следовательно, искать службы экологическо­ го мониторинга.

В содержание ОВОС входят и расчеты возможных выбросов. Иначе го­ воря, определение состава и количество возможных поллютантов должно входить в объем работ на стадии проектирования производства.

Между тем для большинства действующих технических систем вся схема экологического мониторинга основана на контроле выбросов не­ скольких наиболее известных газовых и конденсированных компонен­ тов. Остальные составляющие выбросов, таким образом, считаются не­ известными и контролем не охватываются. Именно этому, к сожалению, типичному для большинства технических систем обстоятельству мы обя­ заны “неожиданными” и часто тяжелыми нагрузками на окружающую среду.

Ясно,что расчет выбросов в окружающую среду априори обоснован и должен основываться на двух фундаментальных принципах:

- определении материального баланса химических элементов на вхо­ де и выходе любой действующей (технической, коммунально-бытовой и Др.) системы;

—определении наиболее вероятного химического состава и физических свойств выбросов в окружающую среду.

Самой сложной теоретико-экспериментальной задачей является полу­ чение надежных решений по второму направлению. Проблема усугубляется непрерывным расширением номенклатуры используемого для технических систем и непромышленной деятельности человека сырья, его нетрадицион­ ным составом за счет включения в производство ранее неиспользовавшихся комплексных руд, техногенных материалов и бытовых отходов и пр. Таким образом, в сфере деятельности человека на входе в технические и комму­ нально-бытовые системы появились совершенно новые химические соеди­ нения и техногенные материалы с часто неизвестными термодинамически­ ми характеристиками, физическими и физико-химическими свойствами. В этих условиях роль теоретического прогноза количества и состава выбро­ сов становится особенно важной, но и несоизмеримо более трудной.

Технические системы, “производящие выбросы”, имеют ряд общих свойств.

Химический аспект. В систему постоянно поступают разнородные ве­ щества, которые могут включать в свой состав большую часть элементов Периодической системы. Конечно, концентрации этих элементов и их роль в процессах, происходящих в технической системе, различаются иногда на много порядков. Однако даже если принять во внимание только основные элементы, присущие всем системам, то их количество составит более деся­ ти, т.е. системы имеют сложный элементный состав.

Учитывая сложный элементный состав, можно предположить, что коли­ чество веществ, которые могут образовываться внутри технической систе­ мы, огромно. Не все они устойчивы при заданных внешних условиях, но все равно - это тысячи, а возможно, десятки тысяч соединений. Понятно, что ко­ личество химических реакций между этими многочисленными веществами, также очень велико. Причем реагенты могут участвовать одновременно в нескольких реакциях - в одних они могут являться исходными веществами, в других - продуктами. Значит, любая система - это химический реактор, в ко­ тором протекают сложные, взаимосвязанные химические процессы.

Физико-химический аспект, а. В системе могут существовать одновре­ менно газовая, жидкие и твердые фазы (в системе могут одновременно су­ ществовать несколько жидких или твердых фаз в случае, если отсутствует взаимная растворимость, но газовая фаза в данной системе всегда одна), по­ этому процессы носят гетерогенный характер. Это влияет как на равновес­ ный состав, так и на скорость процессов, особое значение при этом имеют поверхности раздела фаз.

б. Одновременно могут протекать химические реакции, фазовые превра­ щения, процессы тепло- и массопереноса. Возможно возникновение перекре­ стных эффектов, например термодиффузия, реакционная диффузия и т.д.

в. Вещества, участвующие в процессе, перемещаясь, попадают в другие области агрегата, где температура и давление имеют иные значения, при

этом меняются реакционные способности соединений, равновесные составы и скорости процессов.

г. Скорости процессов, особенно при участии конденсированных фаз,

могут быть недостаточны для установления равновесного состояния во всех частях системы.

шать работу, или над ней можно со­ вершать работу; замкнутыми, когда система сообщается с внешней средой

только энергетически, и открытыми, когда возможны потоки вещества и энергии между системой и внешней средой).

Таким образом, можно сформулировать следующие отличительные признаки металлургических систем:

-многоэлементность;

-многокомпонентность;

-гетерогенность;

-наличие перекрестных и нелинейных внутренних взаимосвязей;

-частичная или полная неравновесность;

-открытость;

-периодичность (цикличность) действия.

Итак, металлургические системы отличаются очень высоким уровнем сложности во всех аспектах своего поведения. Поэтому их можно охаракте­ ризовать как сложные технические системы (СГС), которые требуют для своего описания привлечения специальных методов анализа.

Подсистемой СТС является условно выделенная часть СТС, содержащая исследуемые компоненты, фазы и/или процессы. Подсистема может быть выделена (ограничена) по признаку гомогенности (например, газовая подси­ стема), по геометрическому размеру (некоторый объем в интересующей нас области СТС) или по температурному диапазону (все процессы, протекаю­ щие в интервале температур от Тх до Г2). Подсистема в большинстве случа­ ев представляет собой сложную физико-химическую систему, т.е. отвечает перечисленным выше признакам СТС.

Функционирование СТС (или ее подсистемы) можно представить в виде простой схемы (рис. 5.2). На входе в систему подаются потоки вещества J} (индекс - различные химические вещества) и энергии Jw. На выходе из системы также есть потоки вещества и энергии, но их величины иные, чем на входе - J'w. На процессы, происходящие внутри системы, воздейству­ ют управляющие параметры qk, причем некоторые из них —регулируемые (величины потоков Jj и Jw, периодичность загрузки и т.д.), а часть - нерегу­ лируемые, например климатические и погодные изменения.

Для анализа процесса предпочтительно использовать метод минимиза­ ции энергии Гиббса физико-химических систем. Он основан на том, что в си­ стеме, находящейся в состоянии равновесия, энергия Гиббса G, которая оп­ ределяется при постоянном давлении и температуре, минимальна. Таким об­ разом, нет необходимости перечисления всех возможных химических реак-

Число уравнений (5.6) равно к (так как / = 1,..., к), число уравнений (5.7) равно /я (так как j = 1,..., m), уравнение (5.8) одно, значит, всего уравнений в системе к + т + 1. Число неизвестных также равно к + т + 1 (к неизвестных мольных долей, т неизвестных коэффициентов А.у и один коэффициент Хх). Значит, полученная система является замкнутой системой алгебраических уравнений и имеет однозначное решение. Следует отметить, что данная си­ стема линейна относительно А,у, Хх и 1гис„ поэтому она может быть легко ал­ горитмизирована для компьютерного расчета, в котором можно использо­ вать один из имеющихся вариантов решения систем линейных уравнений, например метод Гаусса.

Равновесный расчет в соответствии с рассмотренным алгоритмом в слу­ чае небольшого количества веществ в системе можно производить и вруч­ ную. Однако для реальных СТС количество компонентов, как мы уже отме­ чали, достаточно велико. Поэтому в настоящее время существует ряд ком­ пьютерных программ, позволяющих производить автоматизированные рас­ четы равновесного состава сложных физико-химических систем. Програм­ ма, кроме расчетного алгоритма, должна включать в себя базу термодинами­ ческих данных и подпрограмму, позволяющие наглядно представлять резуль­ таты расчета. Одной из наиболее удачных компьютерных программ для опре­ деления равновесного состава является пакет программ “ИВТАНТЕРМО”, база данных которого содержит перечень термодинамических свойств для более чем 2000 веществ. Расчет в системе “ИВТАНТЕРМО” может произ­ водиться для 400 одновременно сосуществующих веществ, результаты мо­ гут быть представлены в виде графических диаграмм, на которых даны кон­ центрации имеющихся в равновесии веществ в зависимости от температуры, давления или концентрации любого исходного компонента системы.

С учетом кинетических ограничений безусловный характер в этом слу­ чае имеют лишь выводы о термодинамической невозможности тех или иных процессов. В то время как термодинамическая возможность процесса или ре­ акции еще не означает их обязательной реализации, процесс, разрешенный термодинамически, может быть запрещен по кинетическим причинам из-за ничтожно малых скоростей протекания. Таким образом, получаемые в ре­ зультате термодинамического расчета концентрации веществ следует рас­ сматривать как максимально возможные значения. Но именно это и предста­ вляет наиболее важную задачу экологической экспертизы любого техноло­ гического процесса по предполагаемым вредным выбросам. Принципиально также и то, что применительно к анализу формирования вредных выбросов определяющее значение имеют как раз “запретительные ’ выводы термоди­ намического моделирования, поскольку результатом подобного теоретиче­ ского анализа является нахождение условий, когда вредные вещества обра­ зуются в минимальном количестве или не образуются вовсе.

Расчеты, выполненные А.К. Зайцевым, Л.И. Леонтьевым и Ю.С. Юсфиным (1998 г.) для соединений серы и азота, показали хорошую сходимость с

имеющимся фактически материалом, содержащим данные по выбросам в атмосферу для различных технологий и производств. Однако наиболее важ­ ным результатом этих исследований следует считать расширение номенкла­ туры экотоксикантов, подлежащих обязательному контролю. Для соедине­ ний серы кроме S 02 это - CS2, COS, H2S, S2, SO, для соединений азота наря­ ду с NOx это - CN, C2N2, HCN, HNC, NH3.

Характер и итог процесса формирования тех или иных экотоксикантов определялся качественно-количественным составом реагирующих ве­ ществ, концентрацией кислорода в газовой фазе, давления и температуры среды. Как правило, полученные зависимости носят сложный, немонотон­ ный характер. Особенно это относится к переходной области, когда газо­ вая фаза не имеет четко выраженного восстановительного или окисли­ тельного характера.

Таким образом, ограничение контроля выбросов в атмосферу серо- и азотсодержащих соединений лишь S02 и NOx не имеет аргументированных обоснований и не отражает реальной ситуации.

Анализ приведенных данных неизбежно приводит к выводу о необходи­ мости проведения на стадии проектирования термодинамического модели­ рования процессов в сложных системах по ассортименту и количеству вхо­ дящих химических элементов, отвечающих условиям проектируемых техно­ логий. После определения состава и количества возможных выбросов в ат­ мосферу следует выбирать возможные пути их нейтрализации.

За последние сто лет человечество неоднократно меняло свое отноше­ ние к проблеме выбросов. На первом этапе (до середины XX столетия) люди бессознательно или сознательно считали, что природа все выбросы “переварит”. На втором этапе в основу была положена очистка воздуха и воды от выбросов способом, который за рубежом называют “end-of-pipe”- “на конце трубы”. В России и сегодня большинство технических специали­ стов считает возможным проектирование новых процессов и агрегатов с очисткой газов или воды как основным средством снижения выбросов. Причиной этого является незнание одного из законов хозяйственной дея­ тельности человека - “закона неустрашимости отходов и/или побочных воздействий хозяйства”

В любом хозяйственном цикле образующиеся отходы и возникающие побочные эффекты полностью не устранимы; они могут быть лишь переве­ дены из одной физико-химической формы в другую или перемещены в про­ странстве. Суммарное количество отходов в виде вещества, энергии и по­ бочных эффектов (изменение динамических качеств природных систем - их устойчивости, надежности и т.д.) фактически постоянно: в производствен­ ных циклах меняется лишь место их возникновения, время образования и физико-химическая или биологическая форма. Поэтому очистка газов или воды как изменение физико-химической формы вещества и перемещение загрязняющего начала в пространстве не может дать эффекта, так как тре­ бует возрастания энергетических расходов. Локально она может быть по­ лезной, но глобально и в длительном интервале времени она неэффективна: выигрыш, получаемый в одном месте, погашается проигрышем, возникаю­ щим в других местах.

Однако системы очистки привычны, они легко внедряются администра­ тивным путем, создают иллюзию чистоты производства (му нас выбросы ни­

чтожны”). Недостатком такого подхода (наряду с другими) является отсут­ ствие связи между производителями выбросов (те, кто отвечает за них) и те­ ми, кто организует их очистку, что порождает возможность сокрытия ин­ формации и безответственность. Поэтому в ходе переживаемого в настоя­ щее время третьего этапа подхода к проблеме выбросов (“природа не про­ щает”) в передовых странах пришли к выводу, что “end-of-pipe” не имеет права на существование. Принципы “экологически чистого производства”, ныне обязательные для действующих и особенно для вновь проектируемых производств, базируются, как уже отмечалось, на превентивном подавлении выбросов технологическими методами и минимизации образующихся отхо­ дов и выбросов. Именно поэтому Н.Ф. Реймерс не без сарказма отметил, что у нас инженеров по очистному оборудованию по недоразумению при­ числяют к “экологам”.

Однако до настоящего времени фактические данные о ресурсных за­ тратах на очистку газов и воды от загрязнений в литературе практически отсутствуют.

В Московском институте стали и сплавов в 1998 г. был проведен анализ эффективности очистки на примере пылеочистки колошникового газа до­ менных печей Магнитогорского металлургического комбината (ММК). Ис­ пользование доменного газа в качестве топлива у разных потребителей ос­ ложнено его запыленностью. Для ее снижения при всех доменных печах ММК установлены аппараты газоочистки. Энергии давления газа достаточ­ но для преодоления сопротивления этих аппаратов и транспортировки газа по газопроводу к потребителям. Однако для функционирования системы ап­ паратов газоочистки требуются определенные расходы энергетических ре­ сурсов. В приведенных далее расчетах использовали показатели работы га­ зового цеха ТЭЦ АО “ММК” за 1996 г.

В августе 1996 г. в результате функционирования системы пылегазоочистки было очищено 402 253 тыс. м3 колошникового газа доменного цеха и уловлено 1206 т пыли, при этом израсходовано с учетом транспортировки пыли в Шламохранилище 28,8 млн кВт • ч электроэнергии, для производст­ ва которой было сожжено 9909 тыс. м3 природного газа. Отметим, что ис­ пользование на ТЭЦ металлургических предприятий природного газа как основного вида топлива, широко распространенное в настоящее время, не имеет перспектив в связи с общемировой тенденцией (начинающей прояв­ ляться в последние годы и в России) перехода на применение в энергетиче­ ских агрегатах твердого топлива —угля. В настоящее время доля электро­ энергии, вырабатываемой на ТЭЦ РФ за счет сжигания углей, составляет около 40%. Энергетический уголь широко используется для выработки

электроэнергии, например, на ТЭЦ АО “Северсталь”.

Если принять в качестве источника электроэнергии сжигание угля, для получения вышеупомянутого ее количества с учетом расхода энергии на до­ бычу и обогащение углей потребуется сжечь 14 227 т энергетического угля. При этом общие энергетические затраты на пылеочистку доменного газа

составят 0,072 кВт • ч/м3 газа, или 35,4 г угля/м3 газа.

Среднее расстояние перевозки углей на металлургические комбинаты России в настоящее время составляет около 1000 км. При этом удельный

Таблица 5.5

Выбросы в атмосферу при производстве электроэнергии, необходимой для функционирования систем пылеулавливания, т/т уловленной'пыли

энергетического угля)

атмосферу при производстве электроэнергии, необходимой для функциони­ рования установок пылеулавливания, приведены в табл. 5.5.

Необходимо отметить, что при сжигании энергетического угля до­ полнительно к вышеприведенным выбросам образуются твердые зо­ лошлаковые отходы в количестве 4,247 т/т, направляемые в золошлаконакопители.

Проведенный анализ подтверждает общее положение о неэффективно­ сти очистки. Опыт передовых стран свидетельствует о том, что сокращение объема выбросов технологическими мероприятиями, т.е. путем совершен­ ствования технологии, приводит одновременно и к снижению энерго- и материалопотребления, и к уменьшению издержек производства, росту произ­ водительности труда, улучшению качества продукции.

Особую актуальность в последнее время приобрел контроль выбросов С 02 - основного парникового газа. Данные табл. 5.5 показывают, что на 1 т уловленной пыли в атмосферу выбрасывается 14,316 т С 0 2 или, как приня­ то считать в мировой практике, 3,9 т углерода в виде С 0 2. Можно утвер­ ждать, что все меры по сокращению эмиссии по С 0 2 ныне приобретают особое значение.

Общий объем выбросов в атмосферу от хозяйственной деятельности че­ ловека на территории Российской Федерации несколько превышает 50 млн т в год, из них более 20%, или более 10 млн т составляют твердые ча­ стицы. Если принять данные, приведенные в табл. 5.5, за средние по народ­ ному хозяйству в целом, то при улавливании 10 млн т пыли в атмосферу бу­ дет выброшено примерно 38,6 млн т углерода в виде С 0 2, или более 8,6% от всех выбросов углерода С 02 на территории России.

По существу аппараты для очистки газов от пыли не оправдывают сво­ его назначения. Общее количество выбрасываемых в атмосферу поллютан­ тов не уменьшается, а выбросы С 02 растут. Не будет преувеличением ска­ зать, что аппараты пылегазоочистки являются устройствами, основная функция которых - увеличение количества выбрасываемого в атмосферу парникового газа.

Однако следует иметь в виду и другое немаловажное обстоятельство, не­ обходимое для учета всех последствий борьбы с выбросами, - возможность использования очищенного от загрязнений газа в качестве вторичного энер­ гетического ресурса. Пути использования химической или тепловой энергии “грязного” газа ограничены. Для использования газа в качестве ВЭР его следует в большинстве случаев очищать и, прежде всего, от пыли.

Следовательно, для каждого реального процесса следует просчитывать преимущества и издержки (в основном, с точки зрения суммарного энерго­ потребления) всех методов борьбы с загрязнениями.