Понятие о безотходном и малоотходном производстве. Показатели безотходности технологических процессов и установок. Пути повышения безотходности

В 1984 г. Европейская экономическая комиссия ООН в г. Ташкенте дала определение безотходных и малоотходных технологий.

Безотходные технологии – это метод производства продукции, при котором все сырьё и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле сырьевые ресурсы – производство – потребитель – вторичные сырьевые ресурсы и воздействие на окружающую среду не нарушает её равновесия.

Малоотходная технология – это технология, при которой степень воздействия на природу не превышает норм ПДК и часть отходов направляется на длительное сохранение или захоронение.

К безотходному производству предъявляются следующие требования:

- осуществление производственных процессов при минимально возможном числе технологических стадий (аппаратов), т.к. на каждом из них образуются отходы, теряется сырье;

- применение непрерывных процессов, позволяющих наиболее эффективно использовать сырье и энергию;

- увеличение (до оптимума) единичной мощности агрегатов;

- интенсификация производственных процессов, их оптимизация и автоматизация;

- создание энерготехнологических процессов, позволяющих полнее использовать энергию химических превращений, экономить энергоресурсы, сырье и материалы и увеличивать производительность агрегатов.

Для характеристики безотходности производственных процессов, агрегатов и предприятий предложены различные рейтинги, с помощью которых технологические процессы могут быть оценены количественными показателями безотходности.

Основные рейтинги: эколого-топливный, -энергетический, -эксергетический, экономический.

Эколого-топливный рейтинг: К_т = (а·ЭПБ + б·ТЭПБ)·МПБ;

эколого-энергетический рейтинг: К_эн = (а·ЭПБ + б·ЭЕПБ)·МПБ;

эколого-эксергетический рейтинг (показатель качества различных видов продукции): Э_эк = (а·ЭПБ + бТЭПБ_экс)·МПБ;

эколого-экономический рейтинг: К_э = (а + б)·СПБ,

где ЭПБ, ТЭПБ, ЭЕПБ, ТЭПБ_экс, СПБ, МПБ – показатели безотходности соответственно экологический, топливный, энергетический, энергоёмкостной, стоимостной, материальный;

а – экологический коэффициент, условно принимается равным 80;

б – ресурсный коэффициент, условно принимается равным 20.

При таких значениях коэффициентов рейтинг абсолютно безотходного процесса составит 100.

Экологические показатели безотходности различают для атмосферы, гидросферы и литосферы.

Экологические показатели безотходности (ЭПБ) для атмосферы и гидросферы определяются из сопоставления фактических и предельно допустимых концентраций (ПДК) или фактических и предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ. Предельно допустимые выбросы

ЭПБ для атмосферы и гидросферы определяется сопоставления фактических и предельно допустимых концентраций или фактических и предельно допустимых выбросов вредных веществ. Логично, чтобы оценка безотходности технологии зависела бы, прежде всего, от совершенства самой технологии и конструкции агрегата. Это можно сделать на основании сравнения выбросов с величиной ПДК. Например, за безотходный уровень концентрации вредных веществ в газах можно принять 50 ПДК. Тогда ЭПБ для атмосферы составит:

где С₁ – концентрация вещества, к которому осуществляется приведение выбрасываемых в атмосферу вредных веществ, мг/м³;

ПДК₁ – предельно допустимая концентрация вещества 1, мг/м³;

А_т – теоретический расход газов на единицу продукции, м³/т, или производство в целом, м³/год;

А_ф – фактический расход газов на единицу продукции, м³/т, или производство в целом, м³/год;

С₁·А_ф – приведенная масса вредного вещества, мг/т, мг/год.

Экологический показатель для гидросферы:

где Г_т и Г_ф – теоретический и фактический объёмы сточных вод, м³/т, м³/год.

Экологический показатель для литосферы:

где Л_т и Л_ф – теоретический (нормированный) и фактический объём отходов, поступающих в отвалы.

Степень совершенства технологии по её суммарному действию на окружающую среду может быть определена по уравнению:

При ЭПБ_∑ ≥ 0,5 – процесс практически безотходный.

На уровне современных способов использования энергии топлива достижение ЭПБ = 0,5 практически невозможно. Например, при сжигании в котлах и нагревательных печах природного газа, считающегося экологически наиболее чистым топливом, ЭПБ составляет только по NO_x всего около 0,015.

Материальный показатель безотходности (МПБ) или коэффициент использования материальных ресурсов – отношение полезно используемого сырья к сырью, добытому и направленному в производство:

При МПБ ≥ 0,9 – идеальное производство (безотходное);

при МПБ = 0,8 – 0,9 – малоотходное производство.

МПБ в черной металлургии = 0,4.

Топливно-энергетические показатели безотходности

Расчет эффективности использования топлива в тепловых установках может быть основан как на первом законе термодинамики, так и на совместном использовании первого и второго законов термодинамики. В первом случае основой показателя является энергетический баланс тепла, во втором – эксергетический.

ТЭПБ вполне может быть представлен энергетическим коэффициентом использования топлива (КИТ) для случая однотипных установок с одноцелевым использованием тепла;

где Q^р_н – низшая теплота сгорания единицы топлива, кДж/кг, кДж/м³;

Q_ф – физическое тепло воздуха и топлива на единицу топлива, кДж/кг, кДж/м³;

Q_ух – физическая и химическая энергия уходящих из рабочего пространства газов на единицу топлива, кДж/кг, кДж/м³.

КИТ отражает, какая часть химической энергии используется в рабочем пространстве на осуществление технологического процесса и на компенсацию потерь. В металлургических печах КИТ≤0,5, в ТЭЦ – 0,9.

Топливно-энергетический показатель безотходности технологической зоны:

где – потери тепла через ограждения технологической зоны (кладка печи) и с охлаждающей водой, кВт;

В – расход топлива, м³/с или кг/с;

Q_п – потери тепла на единицу топлива, кДж/м³ или кДж/кг.

Изменение КИТ в тепловых агрегатах обратно пропорционально изменению расхода потребляемого ими топлива.

Поскольку КИТ характеризует долю полезно использованной химической энергии топлива, он также отражает и долю его реализованной стоимости.

КИТ_эк = КИТ – У·V_СО/Т, (КИТ экологический),

где У – ущерб, руб./м³СО;

V_СО – объем СО на 1 м3 или 1 кг топлива;

Т – стоимость топлива, руб./м³ или руб./кг.

В случае использования тепла отходящих продуктов сгорания для внешних целей (внешнее, или разомкнутое теплоиспользование) экономию топлива от внешнего теплоиспользования можно определить по выражению:

где ВЭР – количество тепловых отходов основной технологической установки, кДж;

– коэффициент полезного использования тепловых отходов во внешней (или замещаемой – при установке котла-утилизатора) установке;

– теплота сгорания топлива во внешней (замещаемой) установке, кДж/м³, кДж/кг;

– коэффициент использования топлива во внешней (замещаемой) установке;

β – коэффициент, учитывающий ухудшение качества теплоносителя, его использование для собственных нужд и несовпадение часов работы установок.

При комбинированном использовании тепла:

КИТ_к = КИТ + В_э/В,

где В – расход топлива в технологической зоне (в случае разного топлива в основной и внешней замещаемой установке В и В_э выражается в единицах условного топлива), м³/год или кг/год.

Энергоёмкостной показатель безотходности

Под энергоёмкостью продукции подразумевается сумма всех топливно-энергетических затрат, произведенных на всех этапах получения продукции и использования сырья за вычетом энергии израсходованной для других целей. Отсюда:

Э = Э_п + Э_с – Э_в,

где Э_п – энергоёмкость топливно-энергетических ресурсов, используемых в данном производстве, кг у.т./т продукции;

Э_с – то же, для сырья и материалов, кг у.т./т продукции;

Э_в – то же, для других целей, кг у.т./ т продукции.

Энергоёмкость Э иногда называют чистой энергоёмкостью, а сумму (Э_п + Э_с) – полной.

Энергоёмкостной показатель безотходности (ЭЕПБ) показывает, какую долю энергии составляет теоретически необходимая энергия Э_т для производства единицы продукции от практически затраченной энергии с учетом всех топливно-энергетических затрат:

ЭЕПБ = Э_т/Э,

где Э_т – теоретически необходимая энергия для производства единицы продукции.

Для оценки практически затраченной энергии Э могут быть использованы, например, следующие значения удельной энергоёмкости (табл. 1):

Таблица 1 - Сравнительные данные по энергоёмкости различных видов продукции

Топливно-эксергетический показатель

Полезную работу может совершать только часть тепловой энергии (внутренней энергии, энтальпии). Для земных условий эта часть тепловой энергии пропорциональна (1 – Т₀/Т), где Т₀ = 273 К – условная температура Земли «холодильника»; Т – температура рабочего газа, К. По предложению А.Стодолы, эта часть тепловой энергии была названа «технически свободной энергией», её также называли технической работоспособностью, а в последние десятилетия – эксэргией.

Таким образом, э ксэргия – показатель качества различных видов энергии, максимальная способность к совершению работы. Эксергия (в отличие от энергии) не подчиняется закону сохранения энергии. Особенно велики потери эксэргии из-за необратимости процессов горения и в среднем составляют 25 %.

Считая, что эксергия топлива равна его теплоте сгорания (что полностью справедливо для природного, коксового и доменного газов и углей), эксэргетический КИЭ составит (КИЭ – коэффициент использования энергии):

где V_п.сг – удельный объём продуктов сгорания;

е_п.сг – удельная эксергия продуктов сгорания при максимально возможной температуре горения, КДж/м³;

е_ф.ух – удельная эксергия физического тепла уходящих из технологического процесса газов при их максимальной температуре;

е_х.ух – удельная эксергия химической энергии горючих составляющих уходящих газов и она равна их удельной теплоте сгорания.

Удельная эксэргия физического тепла равна:

е = i – i₀ – T₀·(S – S₀) = i – i₀ + C_p·ln(T/T₀),

где i и i₀ – энтальпия соответственно при температурах Т и Т₀;

S и S₀ – энтропия при температурах Т и Т₀.

Эксергетический ТЭПБ_экс технологической зоны можно выразить:

где Е_п – потери эксэргии при теплообмене с нагреваемым материалом и теплоотдачей через ограждение технологической зоны;

В – расход топлива, м³/с, кг/с;

е_п – потери эксэргии на единицу топлива, кДж/м³ или кДж/кг.

Топливно-эксергетический показатель безотходности при комбинированном использовании в общем случае составит:

где , – соответственно коэффициенты полезного использования эксергий тепловых отходов и топлива во внешней (замещаемой) i-той установке;

β_i – коэффициент, учитывающий ухудшение качества теплоносителя;

, – энтальпия продуктов сгорания на входе и выходе внешней i-той установки;

, – увеличение энтропии и энтальпии (воздуха, воды или любого другого внешнего теплоиспользования) в i-той установке.

Стоимостной показатель безотходности:

где ∑Р₀ – суммарная стоимость отходов (стоимость запланированных отходов и потерь огнеупоров и т.д., связанных с содержанием основных фондов, стоимость очистки газов, воды, переработка и складирование отходов) и ущерб народному хозяйству от отходов.

Р – стоимость продукции, включающая её себестоимость и стоимость отходов.

Экономическая эффективность использования вторичных материальных ресурсов определяется с учётом эквивалентности потребительских свойств сырья и отходов.

Например, для лома:

Э_л = [(С_пч + Ен·Кпч)·l_сл – (С_сл + Е_н·К_сл)]·Р_сл,

где Е_н – нормативный коэффициент эффективности равный 0,15;

l_сл – относительный коэффициент металлургической ценности лома;

Р_сл – ресурсы металлолома, т/год;

С_пч – производственная себестоимость жидкого передельного чугуна, руб./т;

Кпч – удельные капиталовложения в доменное производство, руб./т;

С_сл – полная себестоимость подготовленного стального лома, руб./т.

При создании безотходных производств приходится решать ряд сложных организационных, технических, технологических, экономических, психологических и других задач. Для разработки и внедрения безотходных производств можно выделить ряд взаимосвязанных принципов:

1. Принцип системности, в соответствии с которым каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы – всего промышленного производства в данном регионе и на более высоком уровне как элемент эколого-экономической системы в целом. Принцип системности должен учитывать существующую и усиливающуюся взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов.

2. Принцип комплексности использования ресурсов, который требует максимального использования всех компонентов сырья и потенциала энергоресурсов.

3. Принцип комплексного экономного использования сырья, реализация которого зависит от уровня организации безотходного производства на стадии процесса, отдельного производства, производственного комплекса и эколого-экономической системы.

4. Принцип рациональности организации безотходного производства. Определяющими моментами которого являются: требование разумного использования всех компонентов сырья, максимального уменьшения энерго-, материало- и трудоемкости производства и поиск новых экологически обоснованных сырьевых и энергетических технологий.

Поиск по сайту: