СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 8.

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ 8.
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.


2
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).





3
Стратегия «zero discharge»
Компоненты стратегии «zero discharge»:





4
pollution prevention – предотвращение загрязнения
waste minimization – минимизация отходов
waste exchange – обмен отходами
conversion technologies – технологии конверсии (уничтожения)
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.

5
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.





6
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»).



7
Схема «от
колыбели до
могилы»
Схема
«0-выбросов»
8
Создание замкнутых производственных циклов является
единственным путем к устойчивости.
Переход к закрытым производственным циклам надо закончить к 2050
году по графику.


2000
% от выбросов
2000 года
100
2010
80
2020
60
2030
40
2040
20
2050
~0
Год
9
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
10
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.
11
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).
12
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.
13


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.
14
Диаграмма Шервуда для различных материалов
Минимальная концентрация рециркулируемых материалов в
отходах и стоимость (цена) материала
15
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.).
Жидкая фаза
Газовая фаза
Ионный обмен
Просеивание
Адсорбция
Обратный осмос
Магнитная сепарация
Абсорбция
Диализ/электродиализ
Воздушная классификация
Мембраны
Электролитические методы
Фильтрация
Выпаривание
Дистилляция
Экстракция
16
Твердая фаза
Конденсация
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.
17
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.
18
Различные процессы сепарации
Процесс
19
Различие в свойствах
Дистилляция
Давление паров
Кристаллизация
Растворимость и температура плавления
Экстракция
Адсорбция
Распределение между
фазами
Поверхностная сорбция
Обратный осмос
Диффузия и растворимость
Мембранная сепарация
Диффузия и растворимость
Ультрафильтрация
Размеры молекул
Ионный обмен
Равновесие химической реакции
Диализ
Диффузия
Электродиализ
Электрический заряд и мобильность ионов
Мембранная сепарация жидкостей
Диффузия и равновесие реакций
несмешиваемыми
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.
20
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:



21
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.
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:




22
несоблюдение температуры в результате забивания
теплообменного аппарата
плохая сепарация жидкость – твердый материал
неправильная плотность смеси раствор – кристаллы.
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).
23
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:




24
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.
Мембранная технология

Это одна из самых новых технологий сепарации.
Недостатками являются:




25
забивание мембраны
высокие капитальные затраты
сепарация грубая, а не тонкая
необходимо пользоваться предочисткой воды (раствора)
перед мембранной сепарацией.
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.



26
Элементы общего капиталовложения


TCI = total capital investment
Общее капиталовложение включает:




27
стоимость купленной аппаратуры, установок
прямая стоимость работы и материалов для установки
этой аппаратуры
стоимость подготовки территории и зданий
косвенные расходы для установки
Прямая стоимость установки (инсталляция)


direct installation cost
Включает стоимость:






28
фундаментов
самой установки оборудования
электрических работ
трубопроводов
изоляции
покраски
Косвенная стоимостьсустановки


indirect installation cost
Включает стоимость:






29
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)
Элементы общего капиталовложения.
Элемент «Battery Limits» является суммой стоимости:
•купленного оборудования
•прямых и косвенных расходов инсталляции
•подготовки территории и зданий.
30
Of-site facilities” включает:
•станции для производства пара,
электроэнергии и воды
•здание для лаборатории
•дороги и другую инфраструктуру
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
31