Понятие и методология анализа техногенного элементопотока металлов.

С середины 1990-х годов в МИСиС разрабатывается «Ресурсо - экологическая концепция развития общества», которая является конкретизацией «Концепции устойчивого развития» /6…8, 55, 56, 77, 116…119/.

Основные положения Ресурсо - экологической концепции:

1. Главная проблема развития современного индустриального общества ¾ ограниченность практически всех видов ресурсов: энергетических, материальных, социальных, экологических. В настоящее время состояние окружающей среды является определяющим ресурсом индустриального общества.

2. Правильный выбор направления общественно-экономического развития и роль конкретных предлагаемых решений оценивается на основе расчета общего расхода ресурсов и определения лимитирующего ресурса. Расчеты проводятся на двух уровнях: глобальном и региональном.

3. В глобальном масштабе в качестве лимитирующего ресурса принимается состояние окружающей среды. На региональном уровне могут иметь место другие виды лимитирующего ресурса. В связи с тем, что ряд природных экосистем находится на грани уничтожения, затраты на их реабилитацию могут вызвать обоснованный временный рост расхода ресурсов.

4. Как правило, действие, вызывающее снижение потребления ресурсов, оказывает благоприятное влияние на состояние окружающей среды. Поэтому большая часть эффективных решений по защите окружающей среды находится в сфере управления ресурсами, и заключается в совершенствовании технологий.

5. В решении проблемы снижения расхода материальных ресурсов основным направлением является рециклинг материалов.

6. Человеческое общество в результате своей производственной деятельности производит, в конце концов, только отходы – техногенные материалы. В связи с истощением природных ресурсов будущее цивилизации зависит от того, насколько эффективно человечество сможет использовать техногенные ресурсы.

Важнейшими практическими вопросами, вытекающими из Ресурсо-экологической концепции, являются:

– количественная оценка ресурсов всех видов,

– разработка эффективной системы управления техногенными ресурсами на базе оптимизации количественных критериев оценки ЖЦИ.

В индустриально развитых странах обсуждались аналогичные (ресурсо – экологические) подходы, но завершенной общепризнанной концепции пока разработать не удалось. /22, 71/. Например, чтобы оценить, как далеко какая-либо страна продвинулась на пути в будущее устойчивое общество, в документе «Agenda 21» было сформулировано требование создания статистических информационных систем. Комиссия ООН по устойчивому развитию разработала концепцию для макроэкономических систем отчетности. В ее основу были положены более 100 статистических показателей. Итоговый индекс (DUX), характеризующий состояние окружающей среды, складывается из суммы отдельных статистических показателей оценивающих состояние климата, воздушного бассейна, почвы, рекреационной нагрузки, водного бассейна, расхода энергии и сырья /22/. В 1990 годах эта система испытывалась на пригодность в специально выбранных странах (21 страна).

Альтернативой для упомянутого подхода является расчет так называемой интенсивности расходования ресурсов. Данная методология разрабатывается в частности в Германии /71/. В этом случае в основе выполняемых расчетов находятся потоки материалов и энергии, включая рециклинг и диффузию элементов и веществ. Расход потребляемых природных ресурсов соотносится с масштабами национального производства. В результате экологические данные увязываются с экономической эффективностью. Благодаря такой методике можно установить, в какой степени расход ресурсов и материалов оправдывает масштабы экономического роста. При таком подходе хорошие показатели имеют государства, в которых физическое использование ресурсов, как природных, так и вторичных, на единицу валового национального продукта постепенно уменьшается. Это доказывает, что экономический рост сам по себе не равнозначен более интенсивному расходованию ресурсов окружающей среды /22, 71/.

Таким образом, можно констатировать, что основой современного подхода как к оценке эффективности использования различного рода ресурсов, так и к оценке техногенного воздействия производств на окружающую природную среду является принцип построения циклов или круговоротов химических элементов или материалов. Такой подход позволяет наиболее четко проследить причинно-следственные связи многофакторных природно-техногенных процессов. После того, как были сформулированы понятия и рассчитаны круговороты ряда химических элементов – азота, серы, углерода, фосфора и др., имеющих особое значение для органических процессов на нашей планете, следующим логическим шагом в этой тенденции является введение понятия «потока химического элемента» или «элементопотока» /3…8, 14/.

Важно отметить, что методология построения и исследования элементопотоков принципиально отличается от широко распространенной методологии построения «материалопотоков». Построению материалопотоков с целью определения влияния на природную среду тяжелых металлов большое внимание уделялось в 1990-х годах, но данная методология так и не стала общепризнанной /120…124/. Наоборот, в последние годы появляется все больше исследований, в которых отдается предпочтение изучению потоков элементов, как «глобальных» /125, 126/, так и «технологических» /127/.

С 2000 года в Японии подробно анализируется техногенный элементопоток свинца /94/. Результаты анализа ежегодно публикуются в «Белой книги общества с оборотным использованием ресурсов» /59/. Характерные результаты получены авторами /125/ при сопоставлении масштабов природного и техногенного элементопотоков фосфора. На основе большого массива исходных данных /128…135/ показано, что «хозяйственная деятельность человека в XX веке коренным образом изменила глобальные миграционные потоки фосфора и многие негативные изменения окружающей среды, включая эвтрофирование водных объектов, - закономерное следствие интенсификации поверхностного стока фосфора». Сток общего фосфора с речной водой возрос в 4,5 раза, более 75% его прироста - фосфор городских канализационных вод.

Необходимость разработки «Методологии анализа техногенного элементопотока металлов» вытекает из следующих соображений. В современных условиях все большее, а часто и определяющее значение, как в вопросах влияния на качество продукции, так и при образовании выбросов суперэкотоксикантов, играют примесные или, иначе говоря, микроэлементы, присутствующие в техногенном материале иногда в количестве всего лишь нескольких граммов на тонну материала. Окружающая человека среда становится все более сложной по номенклатуре химических соединений и материалов, не свойственных среде природной, и этот процесс продолжает развиваться.

В упомянутых условиях необходимо иметь не только максимально достоверную информацию об используемых и проектируемых технологических процессах, но и надежную основу для анализа и прогноза возможных социальных и экологических последствий принимаемых технических решений. Надежность в подобном анализе может обеспечить только учет движения в рассматриваемой комплексной ноосферной (техногенно - природной) системе каждого химического элемента независимо от его количества, базирующийся на балансовом методе исследования и подтвержденный термодинамическими расчетами состава всех образующихся в системе фазовых составляющих. Количественная оценка этого движения отражается в виде элементопотока. На рисунке 2 представлена принципиальная схема элементопотока на примере элемента, извлекаемого из природной среды в составе твердого минерала. Такая форма извлечения является наиболее распространенной. Приведенная схема наглядно демонстрирует «глобальный» характер распределения элемента. Таким образом, техногенный элементопоток представляет собой совокупность всех количественно определенных параметров движения химического элемента в техносфере, включая:

– извлечение из сплошной природной среды (недр),

– транспорт сырья и продукции,

– производство и потребление энергии

– все технологические стадии производства и потребления продукта,

– все формы обращения с отходами производства и потребления, в том числе их рециклинг и депонирование,

– распространение исследуемого элемента с выбросами во все природные среды.

В зависимости от цели и глубины проводимых исследований строятся следующие схемы техногенных элементопотоков:

– для отдельных составляющих глобальной схемы: для стадии добычи и подготовки ресурсов к потреблению, для транспортной, производственной или бытовой сферы;

– для различных географических регионов и территорий, в том числе используемых для складирования отходов;

– для конкретных производственных подразделений или агрегатов;

– для различных историко-географических условий.

Элементопотоки металлов могут подразделяться с учетом временного фактора:

– среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, «мгновенные»,

– интегральные за определенный период – например, за время функционирования какого-либо производственного предприятия.

 

Рис. 2. Принципиальная схема элементопотока.

Возможны следующие формы представления элементопотока: графическая, табличная, аналитическая.

В ходе формирования и развития методологии элементопотоков разработаны следующие методики, являющиеся ее составными частями (рисунок 3).

Рис. 3. Схема взаимосвязи разработанных методик.

 

1. Методика определения параметров элементопотоков для предприятий черной металлургии (НОУ-ХАУ МИСиС № 4-202-2009 ОИС от 10 февраля 2009 года).

2. Методика оценки мощности техногенного месторождения в металлургическом регионе /8, 55, 56, 136/.

3. Методика оценки энергоэффективности производства черных металлов и выбросов СО₂ /8, 137…142/.

4. Методика оценки эффективности очистки промышленных газов от пыли /143…145/.

5. Методика определения параметров элементопотоков металлов в техносфере (НОУ-ХАУ № 3-202-2009 ОИС от 10 февраля 2009 года) /8, 146…150/.

6. Методика составления экобаланса технологии производства черных металлов /8, 77/.

Выполнена комплексная ресурсо - экологическая оценка эффективности основных металлургических технологий производства чугуна и стали /151…154/. В целом методология элементопотоков является составной частью понятийного аппарата «Ресурсо - экологической концепции развития общества» (таблица 7).

 

Таблица 7. Методология элементопотоков в структуре «Ресурсо - экологической концепции развития общества»

Ресурсо - экологическая концепция
Комплексная ресурсо – экологическая количественная оценка эффективности металлургических технологий
Методология элементопотоков: – терминологический и понятийный аппарат анализа, – содержательная ориентация исследований, – математический и экспериментальный аппарат анализа.
Ресурсо – экологические сценарии развития металлургических технологий и продуктов
Ретроспективный	Современный	Прогнозный
Выявление глобальных тенденций развития	Анализ эффективности существующих технологий, определение направлений модернизации и развития	Анализ рисков инновационных технологий
Определение общих принципов принятия инженерных решений	Выработка критериев эффективного управления	Выработка критериев устойчивого развития в соответствии с принципами ЭЧП

Выводы.

1. Ключевыми принципами в концепции ЭЧП являются:

– ресурсосбережение - уменьшение количества ресурсов всех видов (в том числе энергетических) используемых в процессах производства, эксплуатации и предоставления услуг;

– качество и оптимальный срок эксплуатации изделия или материала;

– организация эффективного глобального и производственного рециклинга;

– минимизация выбросов (в том числе вторичных) в окружающую среду на всех стадиях производства, потребления, рециклинга и депонирования продуктов и материалов;

– обращение с отходами всех видов, включая отходы производства и потребления.

2. Отличительной особенностью экологически чистого производства является отказ от применения систем очистки газов и воды от загрязнений как основного средства борьбы с выбросами и организация их превентивного подавления технологическими способами. Поэтому в оценку воздействия на окружающую среду должны входить расчеты возможных выбросов. Эти расчеты должны основываться на двух фундаментальных принципах:

- составление материального баланса химических элементов на входе и выходе любой действующей техногенной системы;

- определение наиболее вероятного химического состава и физических свойств выбросов в окружающую среду.

3. В последнее десятилетие в передовых индустриальных странах приняты законы, нормирующие технологии переработки автомобилей, электробытовых и электронных, упаковочных, строительных и пищевых вторичных материалов. Таким образом, происходит активное преобразование прежней экономической системы с массовым производством продукции, массовым потреблением ресурсов и массовым образованием отходов в систему оборотного использования ресурсов. Законодательно закладывается фундамент экономической системы ориентированной на рециклинг. В качестве приоритетных подходов в отношении вторичных ресурсов упомянутые законы определяют: 1) оборотное использование (recycling); 2) утилизацию (reuse), в том числе тепла; 3) восстановление вторичных материалов (recovery); 4) ограничение образования и безопасное для окружающей среды и человека депонирование отходов (reduce).

4. Формирование Общества рециклинга осуществляется с помощью реализации концепции интегрированной политики производства продукта (экопродукта), которая предусматривает разработку комплексных экологических требований к изделию на протяжении всего его жизненного цикла, в особенности, к фазе рециклинга (или депонирования) и качеству используемых природных и техногенных материалов. Стимулируемое государством активное инвестирование в область социальной ответственности означает со стороны инвесторов реализацию принципа: «Заранее предотвратить экологические риски, которые могут возникнуть в будущем». Для регистрации продукта в рамках REACH заявителю необходимо пройти идентификацию вещества не только на его состав, наличие примесей, тоннаж, но и последующее применение. Таким образом, заявитель должен иметь экологический сценарий производства, применения и рециклинга продукта.

5. Металлургические процессы отличаются большой энергетической и материалоемкостью, и металлургическая отрасль в целом располагает уникальными возможностями с точки зрения реализации принципов глобального рециклинга. Таким образом, рециклинг на базе металлургического производства представляет собой глобальную стратегию, позволяющую организовать и эффективно управлять большими потоками вторичных ресурсов и связанными с этим факторами воздействия на окружающую среду.

6. Металлолом, который ранее рассматривался как естественно возникающий материал, после 2000 года превратился во вторичный ресурс, с которым следует обращаться, опираясь на соответствующую законодательную базу. Некоторые специалисты относят его к категории «социальных техногенных ресурсов».

7. Определяющий вклад в улучшение экобалансов для стальных продуктов может быть сделан на стадиях эксплуатации и рециклинга. На стадии эксплуатации актуальными направлениями исследований являются: разработка продуктов и деталей с оптимизацией по массе, содержанию примесей и оптимальным сроком службы, на стадии рециклинга – разработка технологий повторного использования деталей и конструкций, селективный сбор лома сложного состава, экологически безопасная переработка мелкодисперсных отходов заготовки и подготовки лома к плавке.

8. Наиболее важными сферами фундаментальных исследований в области рециклинга признаются:

– разработка методологии анализа единого жизненного цикла стальных изделий, учитывающей стадию рециклинга;

– разработка методов комплексного количественного анализа жизненного цикла материалов и изделий черной металлургии с использованием методологии экологических сценариев с целью разработки новых принципов управления движением вторичных ресурсов;

– разработка и теоретическое обоснование количественных критериев, характеризующих соответствие технологии черной металлургии принципам концепции «3R».