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. Год 2000 2010 80 2020 60 2030 40 20 2050 9 % от выбросов 2000 года 100 ~0
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 Твердая фаза Газовая фаза Ионный обмен Просеивание Адсорбция Обратный осмос Магнитная сепарация Абсорбция Диализ/электродиализ Воздушная классификация Мембраны Электролитические методы Фильтрация Выпаривание Дистилляция Экстракция 16 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 Различие в свойствах Дистилляция Кристаллизация Растворимость и температура плавления Экстракция Адсорбция Распределение между несмешиваемыми 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 19 Давление паров Диффузия и равновесие реакций
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 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 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: забивание тарелок (перегородок в колонне); тогда надо применять смесители недостаточно хорошее сепарирование жидкостей поверхностно-активные вещества мешают перемешиванию и массопередаче. Очень перспективным является суперкритическая жидкостная экстракция (например, Н 2 О или СО 2). 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, Al 2 O 3, Si. O 2 и др. Аппараты могут быть периодические, непрерывные с движущимся и с фиксированным слоем адсорбента, с перемешиванием (slurry reactor). Адсорбцию надо применять, если: температуры умеренные или низкие отработанный слой реагента можно легко регенерировать требуется высокая степень отделения компонента адсорбент не забивается поступающим потоком. Недостатки метода: адсорбент может быть чувствительным к различным токсичным примесям; необходимость переключения с одной колонны на другую; при химической регенерации адсорбента растворителем возникают сточные растворы, требующие дальнейшей обработки. 24
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 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
Скачать презентацию СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 8 Промышленность с нулевыми
4bd504515dfa5b5a276c2c09ef7cdc8a.ppt