Реферат: Безотходные технологические процессы и охрана окружающей среды в химической технологии твердых горючих ископаемых

Безотходные технологические процессы иохрана окружающей среды в химической технологии твердых горючих ископаемых

Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов— важнейшаясоциальная и экономическая проблема современности. Перспективы развитиячеловеческого общества, само существование человека на Земле в большой степенизависят от того, насколько разумным будет воздействие человека на природу,насколько рационально и экономно будут использоваться сырьевые и энергетическиересурсы.

Химическая технология твердых горючих ископаемых в экологическом отношенииодна из наиболее сложных отраслей промышленности, что обусловлено особенностямипроизводства и масштабами отрасли.

Особенности воздействия технологическихпроцессов на окружающую среду

Первым этапом любого процесса переработки твердых горючих ископаемыхявляется его добыча. Эта ступень производства неизбежно связана с большимикапитальными затратами, расходованием значительных энергетических и трудовыхресурсов, отчуждением больших земельных территорий, очень интенсивнымразрушением ландшафтов, образованием крупных отвалов пустой породы. Приоткрытой добыче отвалы составляют от 2 до 15 т на 1 т добытого угля (с учетомвскрыши). При шахтной добыче весьма значительные отвалы образуются на стадиистроительства шахт. Во время непосредственно подземной добычи на 1 т угляна-гора извлекается 0,3 т пустой породы.

Этот этап следует обязательно учитывать при рассмотрении экологическиххарактеристик технологических процессов переработки твердых горючих ископаемых.Именно поэтому технологические процессы, основанные на использовании длякоксования дешевых углей открытой добычи вместо остродефицитных и глубокозалегающих хорошо спекающихся углей, дают большой экономический и экологическийэффект уже на стадии добычи угля.

Вторым этапом процесса является обогащение углей. При этом кромеконцентрата образуются большие количества твердых отходов производства (35—40%от массы исходного угля), из которых на современных обогатительных фабриках35—50% приходится на отходы флотации, отличающиеся мелкодисперсностью и высокойвлажностью (до 50— 60%)- На экономику процесса влияют полнота извлеченияорганической массы угля в концентрат и качество концентрата, а также возможностьутилизации отходов или затраты на сооружение хвостохранилищ и прудов (вособенности для отходов флотации). В настоящее время суммарное количествоотходов углеобогащения, получаемых в СССР, превышает 50 млн. т/год. Кроме того,на обогащение и последующую обработку углей расходуются большие объемы воды ивоздуха.

В водах углеобогатительных фабрик содержатся значительные абсолютныеколичества выщелоченных из углей солей, органические примеси (масла,флотореагенты), а также угольный шлам; на стадиях рассева и сушки углейвыделяются большие количества пыли.

Третьей стадией, также обязательной для любой технологии, являетсяподготовка угля — его окончательное дробление, термическая подготовка, сушка,классификация, дозирование. На этой стадии образуется значительное количествопыли, а общие потери достигают 1,5—2,5 кг/т угля. При сушке или термическойподготовке образуются сточные воды, содержащие угольный шлам, а также некотороеколичество отсевов угля.

На четвертой, основной технологической стадии, образуются разнообразныеотходы. Их количества и состав зависят от специфики технологического процесса исвойств исходного ископаемого.

На коксохимических заводах, например, выбросы в атмосферу составляют6,7 кг/т кокса, причем около 70% приходится на долю коксового цеха. При мокром тушении кокса выделяется около 600кг пара на 1 т кокса, а общий объем образующихся пара и газов составляет более1000 м3/т кокса. Коксование сопряжено с выбросами пыли и газа призагрузке шихты в печи и с образованием шлама при мокром тушении кокса. Мокроетушение кокса — не только безвозвратная потеря топлива и воды, но и сокращениевыхода ценного доменного кокса из-за разрушения его кусков при резкомохлаждении.

При газификации неизбежно образование зольных отходов с большим или меньшим содержанием углерода. Кроме того,в зависимости от избираемой схемы, в очень широких пределах изменяется к. п. д.газификации (от 0.5 до 0,8), что также влияет на эффективность использования потенциальнойэнергии исходного угля.

В большинстве процессов термической переработки твердых горючихископаемых, а также при гидрогенизации образуются фусы и шламы. Их количествапри коксовании незначительны (в среднем около 0,16% от угля); приполукоксовании их количество достигает нескольких процентов (особенно привысокоскоростном пиролизе), а в процессах гидрогенизации на долю шламовприходится 10—15% (и более) от органической массы угля.

Любой процесс переработки твердых топлив неизбежно связан с образованиемсточных вод, включающих влагу шихты, воду, образующуюся при термическомпревращении органической массы угля, ее гидрогенизации и газификации. В то жевремя в любом процессе, за исключением процессов газификации угля в кипящемслое или газификации пылевидного топлива, образуются водорастворимые фенолы,аммиак, органические основания, сероводород, а также — при коксовании —цианистый водород; все эти вещества неизбежно оказываются в воде. В неепереходит также значительное количество нейтральных масел, а принизкотемпературных процессах и синтезе из СО и Н2 — нейтральныекислородсодержащие вещества и органические кислоты. Все это обусловилонеобходимость тщательной очистки больших объемов сточных вод.

На стадии улавливания продуктов из газа образование отходов производстване является неизбежным и зависит от избранных схем улавливания. Так, приулавливании аммиака серной кислотой сульфат аммония оказывается трудноутилизуемым отходом производства, неблагоприятно влияющим на экономикупроцесса. Выбор окислительных или вакуум-карбонатных методов очистки от сероводороданеизбежно приводит к получению значительных отходов в виде концентрированныхрастворов нерегенерируемых солей. Наконец, использование открытых схемконечного охлаждения коксового газа является причиной больших выбросовцианистого водорода из градирен.

Стадия переработки химических продуктов может быть безотходной.Образование смолистых отходов и различных видов кислых смолок, а такжеотработанных кислот является следствием применения устаревших технологическихпроцессов. Применение гидрогенизационных схем и современных физических методовразделения — высокоэффективной ректификации или экстракции — позволяют сделатьэту стадию безотходной.

Источником потерь оказываются воздушники и системы хранения низкокипящихпродуктов. Через воздушники теряется до 2% бензольных углеводородов.Значительные потери связаны с вентиляционными выбросами. Своеобразен состав отходов (производства углеграфитовых материалов.Главным видом отходов оказывается извлекаемая после каждой операции засыпка изобжиговых печей (0,4— 1,0 т на 1 т изделий), а также углеродные отходы,образующиеся при механической обработке изделий. Опасным отходом' оказываетсясмола, выделяющаяся при прокалке коксов и обжиге зеленых заготовок, вследствиевысокого содержания в ней канцерогенных углеводородов.

Экологическая характеристика отрасли ухудшается также в результатеиспользования в ряде производств устаревших технических решений. Экологическуюопасность представляют любые нарушения технологии, так как в этом случаепроисходит значительное и неуправляемое увеличение количества выбросов.

Общие принципы создания безотходных технологий

На современной стадии развития промышленности невозможно идти по путисохранения технологии неизменной и решения экологических проблем только за счетпростого увеличения объемов очистных сооружений, строительства новыххвосто-хранилищ. Такое увеличение затрат на очистку без изменения технологииозначает значительное ухудшение использования природных ресурсов, увеличениеэксплуатационных и капитальных затрат.

На современном этапе надо иначе организовывать производство, создаватьновые процессы и эксплуатировать действующие предприятия в оптимальных режимах,обладающих высокой степенью инженерно-эколого-экономического совершенства.Главной задачей становится создание безотходных или малоотходных технологий,отличающихся образованием малого количества отходов и выбросов вследствиесовершенства и особенностей самого процесса.

Рассмотрим основные критерии совершенства технологических процессов.

Инженерные критерии

1. Доступность сырья. По этому показателю, например, производствоформованного кокса обладает преимуществами перед слоевым коксованием, агазификация — перед гидрогенизацией.

2. Малая зависимость технологического процесса от качества сырья. Так,преимуществом газификации по методу Копперс — Тотцек является возможностьгазифицировать практически любое сырье, включая твердое и жидкое топливо, принеизменном качестве продукции — генераторного газа, тогда как при слоевой газификации небольшие отклонения в свойствах угля могут нарушитьтехнологический процесс.

3.  Получение ограниченного ассортимента продукции стабильного качества. Этообстоятельство важно потому, что в этом случае проще отладить технологическийпроцесс и управление качеством продукции, четко формулируется системаоптимального управления производством.

4.  Возможность создания установок большой единичной мощности. Это требованиеособенно важно при создании новых производств с малым числом параллельныхлиний, которые должны обслуживаться ограниченным по численности персоналом.Так, сложно увеличить единичную мощность нафталинового пресса, но практическинет ограничений для увеличения единичной мощности установки ректификационногополучения нафталина. Малая объемная производительность катализаторовуглеводородного синтеза по Фишеру — Тропшу ограничивает на современной стадииувеличение единичных мощностей этих производств, тогда как нет принципиальныхограничений единичной мощности цехов синтеза метанола.

5.  Простота управления и регулирования и возможность — автоматизированногоуправления технологическим процессом. Чем совершеннее инженерное решение, темлегче управлять процессом, тем более гибко регулирование, тем легче получитьпродукцию заданного качества. Именно поэтому трубчатые печи — несравненно болеесовершенные агрегаты, чем инерционные и трудно управляемые перегонные кубы.

6.  Надежность и безаварийность эксплуатации. Каким бы совершенным ни былагрегат, как легко бы он ни управлялся, но если из-за недостаточной надежностинеизбежны частые остановки и переналадки, то все эти достоинства потеряют своезначение. К тому же частые внеплановые ремонты связаны с большими затратамиручного труда и делают эксплуатацию установок особенно тяжелой.

7.  Высокий выход целевых продуктов и высокая селективность. Чем выше селективность,тем меньше затраты на разделение, проще управление технологическим узлом илегче получить продукты высокого качества. По этому критерию получение водяногогаза при газификации и приготовление на его основе метанола — гораздо болеесовершенный процесс, чем гидрогенизация угля или полукоксование.

8.  Коррозионная безопасность — необходимое условие надежности ибезаварийности технологии.

9.  Высокий уровень механизации основных и вспомогательных операций являетсяважнейшим условием современной технологии, в особенности при больших единичныхмощностях производства.

10.    Простота ремонтов, запуска иостановки приобретает особое значение при создании любых технологическихпроцессов. Установка должна быть снабжена всем необходимым для быстрогозапуска и вывода ее наоптимальный режим, она должна стабильно работать и на переходных режимах. Самыйсовершенный процесс будет бесперспективным, если отступления от оптимальногорежима глубоко и надолго нарушают технологию. Наименее устойчивые узлы должныбыть доступными для ремонта, и должны существовать условия, необходимые дляпроведения поузлового ремонта.

11.Наличие резервов интенсификации. Любойпроцесс не может быть абсолютно совершенным. В ходе эксплуатации появляютсяпредложения, улучшающие процесс. Использование опыта смежных отраслей и новыеразработки открывают путь к значительному улучшению процесса при реконструкциии техническом перевооружении производства. Поэтому и технология, и конструкцияаппаратов, и их компоновка должны быть рассчитаны с учетом возможных изменений.Избыточная специализация может исключить возможность улучшения установки,делает ее моральное и физическое старение необратимым.

12.Возможность утилизации вторичныхэнергоресурсов позволяет значительно улучшить параметры технологическогопроцесса и сократить его энергоемкость.

13.Малооперационность. При прочих равныхусловиях преимущества малостадийного процесса очевидны: резко увеличиваетсянадежность, упрощается управление процессом.

14.Привлекательность для обслуживающего персонала.Этот критерий оказывает решающее влияние на возможность комплектации персоналаустановки, стабильность коллектива и, следовательно, на качество эксплуатацииагрегата.

Экологические критерии

1. Ограниченный ущерб природным ресурсам при получении исходного сырья,полупродуктов и при изготовлении оборудования.

2. Ограниченное количество или отсутствие твердых отходов.

3. Возможность квалифицированного использования твердых отходов.

4. Отсутствие больших количеств трудно рекуперируемых жидких или газообразныхотходов.

5. Возможность замыкания в технологических циклах жидкостных и газовыхпотоков.

6. Ограниченное потребление воды и энергии и использование вторичныхэнергоресурсов и водных ресурсов. Применение воздушного охлаждения позволяетпринципиально сократить потребление предприятием остродефицитной воды.Возвращение конденсата пара в производство дает возможность значительносократить объем стоков и одновременно ограничить потребление свежей воды изатраты материалов и энергии в отделении подготовки воды тепловыхэлектростанций.

7.  Высокая селективность процессов и отсутствие трудноразделимыхмногокомпонентных продуктов реакции. Если это требование не соблюдается и врезультате образуются сложные смеси, то возрастает вероятность того, что ряд компонентовили технологических продуктов не найдет применения и окажется в численеутилизируемых отходов. Именно это тормозит развитие процессов полукоксованияи его варианта — энерготехнологической переработки топлив.

8.  Возможность комплексной переработки сырья предполагает также организациюпереработки, в результате которой в едином технологическом процессе будетполучен набор продуктов, находящих квалифицированное применение. Примерамитакого процесса являются современное высокотемпературное коксование углей ипереработка нефти.

9.  Возможность комбинирования технологических процессов является показателемрационального использования сырьевых и энергетических ресурсов. Сочетание водном аппарате процессов прокаливания и сухого тушения пекового кокса позволяетне только улучшить качество продукта, но и в масштабе народного хозяйствасэкономить значительные материальные и энергетические ресурсы. В этом случаепотребителю пекового кокса не нужно строить специальную установку дляпрокаливания кокса.

Кроме того, на такой специальной установке пришлось бы нагревать до1300—1400°С ранее охлажденный кокс, тогда как на комбинированной установкераскаленный кокс следует нагревать до этой температуры, начиная от 1100—1200°С. При этом экономится большое количество тепла.

10.Надежность и безаварийность в работе. Причастых внеплановых остановках возможны залповые выбросы больших количествтоксичных веществ, концентрация которых намного превышает допустимые. Поэтомуустановка должна быть надежной в работе. Она должна быть «оборудованарезервными емкостями и системами, достаточными для принятия любого аварийноговыброса.

11.Наличие резервов интенсификации. Опытэксплуатации многих предприятий в любых отраслях показывает, что уровень ихэкологического совершенства может быть заметно повышен при реконструкциях иоптимизации процессов. Эта возможность отсутствует на производствах с негибкимитехнологическими и компоновочными решениями.

12.Малооперационность, как правило, сокращаетколичество и ассортимент выбросов и отходов производства.

13.Высокое качество и отсутствие токсичностисырья создают нормальные условия работы обслуживающего персонала и позволяютотказаться от использования дополнительных ресурсов на защиту персонала отвредного воздействия сырья. Так, использование неканцерогенного и болеелабильного нефтяного пека в электродной и алюминиевой промышленности