СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

1. СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 8.

2. Промышленность с нулевыми выбросами • Zero discharge industry • Производство или процесс с нулевыми выбросами - это процесс, где выбросы минимальные и практически близки к нулю, что является идеальным пределом. Материалы и энергия, восстановленные из потоков выбросов, используются снова на этом же заводе или продаются на другое предприятие в качестве сырья.

3. ZERI (2004), TOKIO • http://www.zeri.org/ZERI/Home.html • Под руководством Zero Emissions Research and Initiative (ZERI) во всем мире разрабатывают и внедряют процессы с нулевыми выбросами. • Надо понимать, что это не везде и не всегда удается. • Некоторые производства продолжают «производить» отходы, несмотря на все усилия. • В таких случаях надо применять методы конверсии (уничтожения) отходов взамен стратегии избегания загрязнения (т.е. образования отходов).

4. Стратегия «zero discharge» • Компоненты стратегии «zero discharge»: • pollution prevention – предотвращение загрязнения • waste minimization – минимизация отходов • waste exchange – обмен отходами • conversion technologies – технологии конверсии (уничтожения)

5. На рис. изображён индустриальный кластер в Kalundborg (75 миль от Копенгагена). Происходит обмен отходов и энергии между заводом нефтепереработки Statoil, ТЭЦ Asnaes, заводом строительных материалов (цемент, Gypros), рыбоводством и садоводством и т.д. Этот пример имитирует саму природу, где отходы одного организма являются пищей другого организма.

6. Чтобы понять, почему zero discharge является критическим компонентом устойчивости, надо рассмотреть цепь: sources - systems – sinks (источники - системы – мусорные контейнеры) • Источники: сырьевые материалы (минералы, вода, почва, ископаемые топлива) • Системы: наши действия, манипуляции энергией для превращения сырьевых материалов в готовые продукты. Эти системы лимитированы только нашими представлениями • Мусорные контейнеры: они глобальные. Окончательными местами депозиции отходов являются глубины океанов, промежуточными местами складирования являются биологические системы (атмосфера, реки, водно-болотные угодья, земля). Способность этих контейнеров ассимилировать отходы лимитирована! •  Этот третий узел в схеме и является критическим.

7. Технология нулевых выбросов направлена на снижение исчерпывания ресурсов и нагрузки на «мусорные контейнеры» или резервуары депозиции (складирования) отходов путем создания закрытых производственных циклов (closed loop). • «Нулевые выбросы» - это стремление к снижению стоимости. • Концепция нулевых выбросов (zero discharge) отбросит старую, линейную «cradle to grave» («от колыбели до могилы») концепцию и сконцентрируется на создании циклических производственных циклов типа „cradle to cradle” («от колыбели до колыбели»).

8. Схема «от колыбели до могилы» Схема «0-выбросов»

9. Создание замкнутых производственных циклов является единственным путем к устойчивости. • Переход к закрытым производственным циклам надо закончить к 2050 году по графику.

10. Задачи, стоящие перед инженерами и предприятиями: • оценка потоков материалов и экономное использование сырья, воды и энергии • создание базы данных (database) с расширенной информацией о потоках материалов и производственных процессах • сотрудничество с проектирующими фирмами, чтобы лучше понять процессы, где образуются отходы • проектирование процессов конверсии (ликвидации) отходов • идентификация фирм-потребителей конвертированных отходов • проектирование потоков материалов (включая отходы) к другим фирмам, где они используются как сырье • создание промышленных кластеров и схем сотрудничества • создание эко-промышленных парков

11. Создание промышленных кластеров • Какие здесь трудности? • Во-первых, надо найти подходящих партнеров по технологии. • Во-вторых, возникают трудности из-за отсутствия доверия между разными компаниями в условиях конкуренции на свободном рынке. Фирмы опасаются открывать свою информацию об отходах и т.д. • Критическим фактором является и география, т.е. расстояние между предприятиями. • Кроме того, качество рециркулируемого материала-отхода, например, пластика, может оказаться неприемлемым для использования в качестве сырья на другом предприятии и т.д. • Однако пример Kalundborg доказывает, что описанные трудности преодолимы. • Направление создания промышленных кластеров можно заметить в настоящее время в Китае, где экономика развивается быстрыми темпами.

12. Проектирование технологий конверсии • Самая простая схема создания кластеров предполагает простой обмен отходов. Однако, это не всегда удается. Часто приходится перевести отход одного производства в приемлемую форму для другого производства. •  Классическим примером является рециркуляция старой бумаги как «зеленое» отношение к делу. Но имеющиеся в настоящее время процессы удаления чернил удаляют практически только 70-80 % из них, оставляя рециркулированную бумагу некрасиво серой. Отходы этого процесса токсичные, содержат частицы чернил, короткие целлюлозные волокна, наполнители бумаги и др. • В организации ZERI разработали технологию, которая обеспечивает 100%-ное удаление чернил. Сепарированные чернила используют вновь для печатания. Шлам коротких волокон и наполнителей бумаги используют для производства акустического изоляционного материала для стен домов и покрытия потолков. • Канада, Латвия (!) и Италия уже испытывали эту новую технологию конверсии – «the stream explosion system» (паро-взрывную систему).

13. Рециркулирование материалов и вторичное использование продуктов • Критическими параметрами при рециркулировании материалов и вторичном использовании продуктов является расход энергии при переработке или подготовке рециркулируемого материала. • Примерно для этого расходуется ~ 50 % от первичной энергии на производство и приблизительно в 2 раза больше работы на единицу рециркулируемого материала. •  В настоящее время ~ 94 % материалов, изъятых из природы, превращаются в отходы. Рециркуляция пока недостаточна. • Из металлов только Аl и Рв рециркулируют в достаточной мере.

14. На рис. показана диаграмма Шервуда (Sherwood): минимальная концентрация рециркулируемых металлов в отходах и стоимость (цена) металла. • Все металлы, расположенные выше прямой линии, надо обязательно рециркулировать, так как их цена высокая и концентрация в отходах достаточная (Se, Pb, Zn, Mg, Cu, Tl (таллий), Sb, Ag). Их целесообразнее выделять из отходов, нежели из природы.

15. Диаграмма Шервуда для различных материалов Минимальная концентрация рециркулируемых материалов в отходах и стоимость (цена) материала

16. Сепарация – ключевая технология конверсии • Традиционные технологии защиты окружающей среды методом “end-of-pipe” – это разложение (destruction) и разбавление (dilution). • Большие возможности для технологии конверсии предлагает сепарация: экстракция, адсорбция, абсорбция, мембранная технология, конденсация, фильтрация, ионный обмен и т.д. (табл.).

17. Как правильно выбрать сепарационную технологию? • Это самый важный вопрос при разработке технологии с нулевыми выбросами, т.е. процесса с рециклами. • Рассмотрим схему типичного химического завода (рис.). Процессы сепарации обрабатывают потоки питания (рециркуляционные потоки) в реактор и сепарируют целевые продукты от побочных продуктов, сольвентов и выбросов.

18. Полезные рекомендации по выбору сепарационного метода: • анализируй сепарационные методы на основе различий свойств компонентов • комбинируй аналогичные потоки для уменьшения числа сепарационных аппаратов • выдели корродирующие и нестабильные материалы раньше других • выдели компоненты большого объема первыми • оставь наиболее тяжелые процессы сепарации последними • оставь сепарационный процесс с высокой степенью разделения последним • избегай добавления новых компонентов в процессе сепарации • если применялся какой-то агент для сепарации, восстанавливай его сразу на последующей ступени • не используй второй добавочный агент для восстановления первого • избегай экстренных условий эксплуатации.

19. Различные процессы сепарации

20. Параметры сепарационных процессов • Традиционный подход к проектированию технологических процессов всегда был такой, что в первую очередь инженер придумывал и проектировал основной технологический процесс, а потом занимался отходами этого процесса. • В настоящее время за основу принят другой подход – отходы или выбросы надо включить в процедуру анализа и проектирования с самого начала (minimization of waste generation at the source). Надо следовать двум основных правилам: • минимизируй образование (minimize generation). Выбирай сепарационный процесс, который минимизирует образование нежелательных побочных продуктов • минимизируй поступление материалов (minimize introduction). Это означает уменьшение добавления веществ, которые не являются существенными при производстве конечного продукта. Например, добавление излишних количеств воды в качестве растворителя или введение больших количеств воздуха как источника кислорода. • Ниже будут даны некоторые более конкретные рекомендации по отдельным сепарационным процессам.

21. Дистилляция • Дистилляция является эффективной, если относительная летучесть компонентов превышает отношение 1,5 : 1,0; продукты термически стабильны и производительность непрерывного процесса ≥ 4500 кг/сутки. • Недостатки процесса дистилляции следующие: •  если относительная летучесть ≤1,5, но ≥ 1,15, то дистилляцию можно проводить, но расход энергии на нее большой • термически чувствительные компоненты могут разлагаться • дистилляционные колонны с маленьким диаметром (~15-20 см) теряют свои преимущества по расходам инвестирования. Желательно проектировать колонны с диаметром ≥ 30 см.

22. Кристаллизация • Этот процесс выбирают в случаях, когда: • материалы (например, фармацевтические препараты) термически чувствительны • давление паров или летучесть слишком низкие для дистилляции • дело имеется с реакционной системой, где один из компонентов твердый •  При кристаллизации могут возникать проблемы: • несоблюдение температуры в результате забивания теплообменного аппарата • плохая сепарация жидкость – твердый материал • неправильная плотность смеси раствор – кристаллы.

23. Жидкостная экстракция • Процесс основывается на разности растворимости компонентов в сольвенте. Требование: исходный раствор и сольвент (экстрагент) должны быть практически взаимно нерастворимыми. • Жидкостную экстракцию надо применять вместо дистилляции в случаях, когда: • имеют дело с азеотропами и относительно низкой летучестью • требуются низкие или умеренные температуры • восстановление сольвента происходит легко • можно сэкономить расход энергии • Недостатком метода является присутствие сольвента, который надо регенерировать и рециркулировать. •  Проблемы в работе экстракционных установок: • недостаточно хорошее сепарирование жидкостей • забивание тарелок (перегородок в колонне); тогда надо применять смесители • поверхностно-активные вещества мешают перемешиванию и массопередаче. •  Очень перспективным является суперкритическая жидкостная экстракция (например, Н2О или СО2).

24. Адсорбция • При этом процессе один или несколько компонентов передаются из газа или жидкости на поверхность твердого сорбента. • При физической адсорбции возможен и обратный процесс – десорбция. • В качестве адсорбентов применяют GAC (гранулированный активированный уголь), полимеры, цеолиты, ионообменные смолы, Al2O3, SiO2 и др. • Аппараты могут быть периодические, непрерывные с движущимся и с фиксированным слоем адсорбента, с перемешиванием (slurry reactor). Адсорбцию надо применять, если: • требуется высокая степень отделения компонента • температуры умеренные или низкие • отработанный слой реагента можно легко регенерировать • адсорбент не забивается поступающим потоком. •  Недостатки метода: • необходимость переключения с одной колонны на другую; • адсорбент может быть чувствительным к различным токсичным примесям; • при химической регенерации адсорбента растворителем возникают сточные растворы, требующие дальнейшей обработки.

25. Мембранная технология • Это одна из самых новых технологий сепарации. Недостатками являются: • забивание мембраны • высокие капитальные затраты • сепарация грубая, а не тонкая • необходимо пользоваться предочисткой воды (раствора) перед мембранной сепарацией.

26. Экономика предотвращения загрязнения • Economics of pollution prevention • Многие хорошие программы для снижения загрязнения провалились в кругу бизнесменов не потому, что технические решения были слабыми, а потому, что инженеры не знали языка бизнеса и не сумели выражаться в долларах и центах. • При экономической оценке стоимости технологических мероприятий надо добиться оценки с точностью ± 30 % от реальной стоимости. • Обычно задача инженера состоит в том, чтобы доказать руководству компании, как предложение инвестировать помогает увеличить рентабельность предприятия.

27. Элементы общего капиталовложения • TCI = total capital investment • Общее капиталовложение включает: • стоимость купленной аппаратуры, установок • прямая стоимость работы и материалов для установки этой аппаратуры • стоимость подготовки территории и зданий • косвенные расходы для установки

28. Прямая стоимость установки (инсталляция) • direct installation cost • Включает стоимость: • фундаментов • самой установки оборудования • электрических работ • трубопроводов • изоляции • покраски

29. Косвенная стоимостьсустановки • indirect installation cost • Включает стоимость: • инженерной работы • работы руководящего персонала • работы конторского персонала • аренды временных помещений • испытательных работ (start-up and performance test) • непредвиденных расходов (например, придется проектировать снова какой-то узел)

30. Элементы общего капиталовложения. • Элемент «Battery Limits» является суммой стоимости: • купленного оборудования • прямых и косвенных расходов инсталляции • подготовки территории и зданий. • Of-site facilities” включает: • станции для производства пара, электроэнергии и воды • здание для лаборатории • дороги и другую инфраструктуру

31. Элементы общих годовых расходов • TAC = total annual cost • Общие годовые расходы состоят из 3-х элементов: • прямые расходы (direct costs (DC)) • косвенные расходы (indirect costs (IC) • recovery credits (RC)  TAC = DC + IC – RC