Экобаланс и анализ жизненного цикла изделия

В промышленно развитых странах успешно используется и продолжает активно развиваться методика расчета затрат различных ресурсов на технологические процессы, в основу которой положен принцип «cradle to gate» (от истока до выхода) или «от колыбели до могилы», впервые предложенный в США в 1960 г.

«Анализ жизненного цикла» («Life Cycle Analysis - LCA») в современном виде заключается в количественной оценке использованных для производства продукции энергии и материалов, а также выбросов в окружающую среду /1, 2, 6…10, 14, 24/. Стадии жизненного цикла:

1. Получение сырья: добыча источника энергии и его переработка в энергию; добыча сырья; транспортировка сырья и энергии.

2. Производство продукции: подготовка сырья; изготовление продукции; производство попутной продукции; производственный рециклинг; упаковка; транспортировка продукции.

3. Использование продукции.

4. Глобальный рециклинг.

Для всех стадий ЖЦИ рассчитывают расходы энергии, материалов, транспортные издержки, выбросы в окружающую среду. Итог расчета «жизненного цикла» изделия представляют в виде экологического баланса - «экобаланса».

Количественный анализ движения элементов и веществ, охватывающий все этапы жизненного цикла изделий, с самого начала был одним из основополагающих требований к экологическим балансам. Экологические балансы включают в себя материальные балансы и «оценки действия». Общепринятые термины Life Cycle Assessment (LCA — оценка жизненного цикла) и Life Cycle Inventory Analysis (LCI — анализ-инвентаризация жизненного цикла) широко используются как в технической литературе, так и в законодательстве /1, 2, 6, 7, 24, 75, 76/.

Концепция производства «металлургического экопродукта» с учетом всех стадий ЖЦИ была предложена в 1990-х годах /77, 78/. В работе /78/ отмечается, что в черной металлургии Германии данные для составления экобалансов определяют по всем этапам производства начиная с 1992 года. По этому принципу были построены «экобалансы упаковки» /79/, составленные экологическим ведомством, и «полный экобаланс автомобильных деталей» /80/, составленный Институтом изучения и испытаний пластмасс при Штутгартском университете.

В 1994 году опубликованы экобалансы металлургической продукции фирм Thyssen Stahl AG и Krupp AG. Были исследованы изделия из листового проката, используемые в автомобильной промышленности: электролитически оцинкованный стальной тонкий лист; горячеоцинкованный тонкий лист; холоднокатаный тонкий лист /81, 82/. Экобаланс охватывал 14 технологических этапов от добычи сырых материалов до рециклинга в виде лома. При этом были учтены около 1000 отдельных входных параметров, определены 13 потоков материалов и шесть потоков энергии, 29 типов выбросов и девять видов отходов, утилизируемых и депонируемых.

Аналогичный подход к составлению экобалансов для металлургической продукции реализован в Японии /83, 84/, где он получил название «оценки жизненного цикла на основе анализа экологических сценариев». Оценку жизненного цикла на основе анализа сценариев, как правило, выполняют с привлечением модели ЖЦИ, в которой увязаны потоки материалов и процессы в сферах производства и потребления продукта.

Например, авторы /85, 86/ исследовали способы переработки отходов пластмассы в черной металлургии и составили модели металлургических процессов с использованием пластика. Разработанная модель жизненного цикла включает и другие технологии оборотного использования пластмасс. На ее основе провели сравнительный анализ вариантов использования пластика в качестве сырья в доменной печи, дуговой сталеплавильной печи, других агрегатах черной металлургии, а также переработки отходов пластика в специальных процессах, в том числе ожижения и брикетирования со сжиганием в энергоустановках. Выполнили оценку жизненного цикла изделий из пластмассы (LCA) на основе анализа сценариев по критериям энергопотребления, выброса СО₂ и финансовых затрат, связанных с переработкой пластика. В работах /87…89/ на основе оценки жизненного цикла изучали эффективность энергосбережения и уменьшения выброса диоксида углерода в результате рециклинга отходов пластмассы с их переработкой в химическое сырье в коксовых печах. Оценку жизненного цикла выполнили методом системной экспансии.

В России оценка ЖЦИ регламентируется системой ГОСТ на основе международной системы стандартов ИСО 14000 /6, 7, 14, 90…93/. Для расчета «жизненного цикла» продукции на действующем производстве предложена следующая схема:

– Определение полного химического состава сырья и источников энергии.

– Расчет выбросов при добыче сырых материалов.

– Расчет транспортных выбросов при перевозке сырья.

– Расчет выбросов в окружающую среду при производстве энергии.

– Определение элементопотоков на предприятии.

– Расчет параметров техногенного месторождения.

– Расчет выбросов при производстве продукции.

– Расчет рециклинга отложенного отхода на собственном или другом предприятии.

С позиции анализа и совершенствования экобаланса для металлургического продукта в настоящее время принято выделять четыре основных стадии ЖЦИ /6, 7, 70, 71/. Первая стадия включает в себя собственно процесс производства металлов. Здесь отрабатывается производственный процесс с минимальным энергопотреблением и нагрузкой на окружающую среду. Вторая стадия включает производственный процесс на предприятии-потребителе продукции металлургии. При этом рассматривается возможность уменьшения воздействия на окружающую среду применением специфических видов металлопродукции и металлообработки. На третьей стадии экологическая направленность проявляется в использовании конечных изделий из металлов с определенными качественными характеристиками. Четвертая стадия - этап утилизации лома металлов с целью их вторичного использования. На этой стадии обычно производится очистка лома и подготовка к переработке на металлургических предприятиях. На второй и последующих стадиях вклад в дело охраны среды реализуется в процессе использования металлургических продуктов как рыночного товара потребителями металлопродукции и конечных изделий. Здесь металлопродукция превращается в «экопродукт», то есть экологически ориентированный продукт или изделие. Природоохранный вклад экопродукта включает:

– формирование общества с оборотным использованием ресурсов (оборотное использование материалов, уменьшение массы отходов);

– ограничение выбросов веществ, создающих нагрузку на среду,

– уменьшение энергопотребления и выбросов CО₂.

Повышение степени рециклинга при производстве стальных изделий признается важнейшим вкладом в ресурсосбережение и охрану окружающей среды в рамках международных тенденций построения общества с оборотным использованием ресурсов. В связи с этим Международный институт черной металлургии (IISI) учредил специальную рабочую группу (под руководством Общества немецких металлургов - VDEh), которая регистрирует положение дел с ломом во всем мире и разрабатывает методы по повышению степени рециклинга амортизационного лома. /21/.

По мнению специалистов IISI количественное описание технологии рециклинга стальных изделий связано со значительными методическими проблемами. Фактические условия эксплуатации и переработки стальных изделий не могут быть отображены соответствующими «замкнутыми» оборотными циклами движения металлургических материалов. Например, для описания рециклинга в материальные балансы часто вводят так называемые записи в кредит или в дебет. Однако трудности возникают уже при определении критериев, по которым следует выбирать эти записи /24, 54, 71/.

В работах /7, 8, 94…96/ указывается, что при составлении экобалансов изделий из металлов, или включающих металлы, необходимо учитывать такие факторы, как «скрытый материалопоток» и «диффузивные металлы». Отмечается проблема количественного определения параметров материалопотока на стадиях потребления, утилизации, переработки. Переработка многих изделий, веществ и материалов после использования (сбор, хранение, предварительная обработка, транспортировка) в настоящее время, как правило, поручена потребителям. Поэтому в условиях неопределенного контроля и инспекции происходит смешивание бытовых и промышленных отходов. В результате, выделить их в общем материалопотоке оказывается невозможно, и таким образом часть веществ и материалов рассеивается в форме «скрытого материалопотока». Кроме того, некоторые вещества и материалы (в том числе металлы) не поддаются сбору и рециклингу. Такие вещества, склонные к рассеянию, в западной специальной литературе называют «диффузивными». Круг диффузивных металлов очень широк. Некоторые металлы, на первый взгляд пригодные для рециклинга, присутствуют в изделиях в виде микродобавки, поэтому их часто оставляют за рамками контроля. Это является характерным свойством диффузивных материалов.

Особо выделяют металлы, присутствующие в изделиях в малом количестве и не поддающиеся прослеживанию. Они примешиваются к материалам - объектам рециклинга и создают проблемы. Такие вещества и металлы тоже рассматривают как диффузивные. Кроме того, их часто называют «вагантами» (то есть «бродячими металлами»). Во многих работах /14, 24, 54, 71, 94…96/ отмечается, что правильное представление о материалопотоке с учетом диффузивности участвующих в нем веществ и металлов имеет важнейшее значение. Причем не только с точки зрения стабильного контроля над выбросами, способными вызвать существенное загрязнение природной среды, но и с позиции ухода от массового производства, массового потребления, массового образования отходов и построения общества с оборотным использованием ресурсов.