Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность науке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным спе циалистом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
9. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 9.1. Виды вредных воздействий химических производств на биосферу Химические производства являются одним из основных источников за- грязнения биосферы. Неуклонный рост выработки различных химических ве- ществ сопровождается, как правило, соответствующим увеличением количе- ства вредных отходов. В результате в ряде центров химической и нефтехимиче- ской промышленности наблюдается катастрофическое загрязнение водоемов, почвы, атмосферы. Наиболее существенными источниками загрязнения окружающей среды являются отходы, образующиеся при химико-технологических процессах. К ним относятся: − продукты побочных реакций, не находящие применения; − продукты неполного и чрезмерно глубокого превращения и полиме- ризации; − промышленные воды и воды из абсорбционных установок очистки отходящих газов; − отработанный воздух окислительных процессов; − газы, не вступившие в реакцию (хлор, аммиак и др.) и т. д. Окружающую среду загрязняют вспомогательные вещества и материалы, применяемые в химико-технологических процессах: − отработанные катализаторы; − адсорбенты, абсорбенты и растворители; − осушающие агенты; − воздух после регенерации катализатора и пневмотранспорта продуктов; − газы, отсасываемые из аппаратов при создании разрежения; − тара и фильтровальные материалы, непригодные для повторного ис- пользования и т. д. Кроме того, в химических производствах источниками загрязнения окру- жающей среды являются механические потери сырья, промежуточных и гото- вых продуктов вследствие негерметичности оборудования и коммуникации. 127 Вредным воздействием обладают сточные воды химических производств. Основные химические производства потребляют большое количество воды: на производство 1 т серной кислоты расходуется 70 м 3 воды, 1 т кальцинирован- ной соды – 115 м 3 , 1 т аммиака – 800 м 3 , 1 т акрилонитрила – 1960 м 3 , 1 т ацети- лена – 2800 м 3 . Непрерывное совершенствование технологии позволяет значи- тельно сократить удельный расход воды. На старых нефтеперерабатывающих заводах расход воды составлял 7–8 м 3 на 1 т нефти, а на современных он достиг всего 0,12–0,24 м 3 /т. Сточные воды химических производств содержат значительное количе- ство минеральных и органических примесей. В настоящее время в промышлен- ности используют различные эффективные методы очистки сточных вод. Од- нако следует иметь в виду, что очистка сточных вод не предотвращает загряз- нения водоемов, поэтому при сбросе даже очищенных вод требуется много- кратное разбавление их свежей водой. В противном случае естественные водо- емы будут заполняться водами, обедненными кислородом и непригодными для жизни рыб. Необходимая краткость разбавления очищенных сточных вод со- ставляет для нефтеперерабатывающей промышленности до 60 раз, целлюлозно- бумажной – 20–40, для производства синтетического волокна – 10–15, синтети- ческого каучука – до 2000, для минеральных удобрений и азотной промышлен- ности – 10 раз. Одним из основных направлений в снижении воздействия химических производств на окружающую среду является перевод предприятий на замкну- тое водоснабжение, когда очищенные сточные воды используются для техни- ческих целей на этом же или другом предприятии промышленного региона. Негативное воздействие загрязнителей на биосферу следует рассматри- вать, прежде всего, с точки зрения охраны здоровья и благосостояния человека, а затем – защиты экологической целостности природы. Под термином «воздей- ствие на окружающую среду» необходимо понимать все те негативные послед- ствия, которые вызывают промышленные выбросы при контакте с человеком, животными и физической средой (воздухом, водой, почвой, неодушевленными 128 предметами), включая естественно-исторические, эстетические и психологиче- ские изменения в природе. Для правильного и полного понимания воздействия отходов на биосферу необходимо знать механизм превращения соединений, первоначально содер- жащихся в отходах, механизм миграции вредных и токсичных соединений из мест складирования отходов в окружающую среду и пути попадания этих за- грязнителей непосредственно в организм человека и животных. Многие газообразные химические соединения, попадая в атмосферу, пре- вращаются под действием водяных паров, кислорода и солнечной радиации в другие, более токсичные, вещества и находятся в атмосфере в определенном равновесии с ее компонентами. Воздействие любого загрязнителя непосред- ственно зависит от его химических и физических свойств. Оксиды азота в атмосфере не только присутствуют в виде NО и NО 2 , но и превращаются в азотную кислоту, нитраты и органические нитросоединения, которые абсорбируются капельками воды, образуя аэрозольные агломераты. Наличие в атмосфере других газообразных соединений, например SO 2 , приво- дит к еще более сложному механизму взаимодействия компонентов окружаю- щей среды. Как известно, в воздушной среде присутствуют также и углеводо- роды, которые, вступая во взаимодействие с НNОз, NО, О 2 , Н 2 СО 3 , СО 2 , обра- зуют ряд вредных и токсичных соединений, т. е. наблюдается явление синер- гизма – усиления токсичного действия того или иного первоначального загряз- нителя. Поэтому, рассматривая воздействие промышленных выбросов на орга- низм человека и живую природу, необходимо учитывать весь сложный ком- плекс превращений отдельных компонентов отходов в окружающей среде в токсичные и вредные химические соединения. Для определения степени токсичности того или иного химического отхо- да используют общие критерии оценки: − токсичность по отношению к человеку, т. е. эффект непосредственно- го воздействия на здоровье людей; − токсичность по отношению к животным (домашним и диким); 129 − свойства продуктов разложения (токсичность, устойчивость, биоак- кумулятивность); − синергетический эффект. Химические отходы по своему воздействию на окружающую среду подраз- деляются на особо токсичные, токсичные и нетоксичные (безвредные) отходы. К особо токсичным относятся отходы, содержащие ртуть, свинец, кад- мий, олово, мышьяк, таллий, бериллий, хром, сурьму, цианиды, фосфороргани- ческие вещества, асбест, хлорированные растворители, фторхлоруглероды, по- лихлориды дифенилов, полициклические и ароматические углеводороды, пе- стициды, а также радиоактивные отходы. К токсичным веществам относятся соединения серы (SО x ), азота (NО x ) и оксид углерода (СО), выбрасываемые в атмосферу в количествах, значительно превышающих предельно допустимые концентрации. Отходы, относящиеся к категории нетоксичных (фосфогипс, галитовые отходы, шлаки производства фосфора, отходы производства кальцинированной соды и др.), требуют огромных земельных участков для их складирования. От- рицательное воздействие на природу, вызываемое этими отходами, состоит в выщелачивании из них NаСl, фтористых и других вредных соединений и про- никновении последних в поверхностные и грунтовые воды. Воздействие химических соединений, содержащихся в отходах, на чело- века и живую природу происходит как прямым, так и косвенным путем. Пря- мой путь – попадание вредных соединений в организм человека с воздухом и питьевой водой; косвенный путь – например, биологический. Вначале загряз- нители попадают в растения, поедаемые животными, а затем с пищей – в орга- низм человека. При этом с первоначальными соединениями происходят хими- ко-биологические превращения, приводящие к образованию новых, более или менее опасных для организма веществ. Особую опасность представляют соединения, способные к аккумулиро- ванию в пищевых цепях (или цепях питания – ряде организмов, связанных друг с другом соотношением пища – потребитель). Аккумулироваться соединения 130 могут в любом месте пищевой цепи, начиная с планктона и кончая организмом человека (например, ртуть, ДДТ), а также передаваться по цепи. По характеру воздействия на биосферу выбросы химических производств можно разделить на организованные и неорганизованные выбросы. К организованным выбросам относятся выбросы, которые отводятся в атмосферу, водоемы и в почву с помощью специальных сооружений. Такими сооружениями могут быть системы очистки воды, дымовые трубы, заводские факелы, печи сжигания шламов и других отходов, патрубки вентиляционных систем, шламовые площадки, илонакопители и т. д. Неорганизованными считаются выбросы, которые невозможно объеди- нить и отвести в ту или иную среду. Таковыми могут быть утечки через не- плотности в аппаратах, трубопроводах и арматуре, испарение с поверхности сточной жидкости в системах канализации и очистки сточных вод, испарение продуктов из резервуаров и хранилищ, разлив и залповые выбросы продуктов в атмосферу при продувках и пропаривании аппаратов перед проведением ре- монтных работ и др. Организованные выбросы обычно характеризуются высокой концентра- цией токсичных компонентов. На современных химических и нефтехимических предприятиях общее число организованных источников выбросов достигает 2000– 4000, на каждый из них оформляется специальный паспорт и ведется кон- троль за ПДВ для данной местности. Неорганизованные выбросы можно контролировать только по предельно допустимым концентрациям, периодически или систематически определяемым в различных пунктах заводской территории и санитарно-защитной зоны. Ха- рактеристика различных вредных выбросов, имеющих место на нефтехимиче- ских комбинатах, приведена в табл. 7. 131 Таблица 7 Распределение [% (об.)] вредных веществ в выбросах нефтехимических комбинатов Выбросы Угле- водо- роды H 2 S CO SO 2 NO x Фенолы NH 3 Пыль Организо- ванные: − дымовые газы − техноло- гические (хвостовые) газы − вентиля- ционные газы − газы по- сле абсорб- ции – 0,6 0,2 54 10 51–66 1–3 15–32 18–92 7–50 До 1 31 80–89 11–19 0,01 0,6 46–64 36–54 0,1– 0,2 – 10 15–83 10–75 4 – 24–78 22–79 4 50 89– 100 – – Неоргани- зованные 45 23 – – – – – – Выбросы также различаются по объему, температуре, составу и соотно- шению в них отдельных ингредиентов, по агрегатному состоянию, классу опас- ности, концентрации, стабильности в окружающей среде. От агрегатного состо- яния зависят стабильность и характер распространения вредных ингредиентов в атмосфере, а также способы их улавливания и очистки. 9 .2. Водные ресурсы и химическая технология Охрана водных ресурсов от загрязнений приобретает все большее значе- ние. Одним из направлений этой работы является совершенствование систем селективного выделения ценных компонентов из сточных вод с целью после- дующего использования их для получения товарной продукции, возврата очи- 132 щенной воды в производство. В качестве таких систем используются сорбци- онно-экстракционные процессы очистки сточных вод с применением различ- ных методов физико-химического воздействия. Разрабатываются новые сор- бенты и экстрагенты для таких систем, а также технологические процессы их производства, регенерации и переработки. Для выделения компонентов сточных вод в виде, пригодном для после- дующего производства товарной продукции, используются процессы осажде- ния, кристаллизации, выпаривания, ректификации, сжигания и др. Совершенствуются системы биологической очистки сточных вод химиче- ских предприятий, расширяется номенклатура веществ, разрушаемых до нейтрального состояния биоорганизмами, и все более полно используется шлам с получением товарной продукции и энергии. Экономия воды в химической промышленности достигается созданием оптимальных структур водооборотных циклов с учетом особенностей произ- водств и при минимизации затрат на их создание и эксплуатацию, а также раз- работкой таких технологических процессов переработки сырья и полуфабрика- тов, при которых или снижается расход воды, или она заменяется другим рас- творителем (при наличии эффективной системы рекуперации), или от нее пол- ностью отказываются. Наряду с технологическими процессами разрабатывается оборудование, позволяющее сократить до минимума расход воды. К сокраще- нию потерь воды приводит применение некоторых новых материалов в извест- ных видах оборудования. Разрабатываются локальные очистные сооружения, позволяющие выделить ценные компоненты из сточных вод. Создаются комби- нированные замкнутые системы использования водных ресурсов в химической промышленности. Использование теплоты сбросных и сточных вод для нужд народного хо- зяйства позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы. Автоматизи- рованные системы управления технологическими процессами дают возмож- ность строго дозировать воду в объемах, необходимых для обеспечения нор- мального режима работы агрегатов и цехов. 133 Развитие промышленности, перевод сельского хозяйства на индустриаль- ную основу, рост городов способствуют постоянному водопотреблению. Еже- дневно человечество расходует до 7 млрд. т воды, что соответствует по массе общему количеству полезных ископаемых, добываемых за год. Основными по- требителями воды являются химическая, нефтехимическая, целлюлозно- бумажная отрасли промышленности, черная и цветная металлургия, энергетика, мелиорация. Различают следующие разновидности технической воды: 1) охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. Вода не соприкасается с материальны- ми потоками; 2) технологическая вода подразделяется, в свою очередь, на средообра- зующую, промывающую и реакционную. Средообразующая вода используется для растворения и образования пульп (суспензий) при обогащении, гидро- транспорте продуктов и отходов производства; промывающая вода – для про- мывки газообразных (абсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов; реакционная – в качестве реагента, а также при азеотропной отгонке. Техноло- гическая вода непосредственно контактирует с продуктами процесса; 3) энергетическая вода используется при получении пара (для питания парогенераторов) и как рабочее тело при передаче тепла от источника к потре- бителю (горячая вода). Около 74 % воды, используемой химической промышленностью, расхо- дуется на охлаждение технологической аппаратуры. Остальное количество во- ды применяется, главным образом, в технологических процессах получения продукции, выполняя функции химического реагента, экстрагента, абсорбента, растворителя, реакционной среды, транспортирующего агента, питательной во- ды в котлах-утилизаторах. На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыш- ленности основное количество воды (до 90–95 %) используется для охлаждения и конденсации перерабатываемых продуктов в теплообменной аппаратуре, в котлах-утилизаторах. Примерно 5–10 % воды этими предприятиями потребля- ется в качестве растворителя или для промывки продукции. 134 Источник водных ресурсов – гидросфера, включающая воды мирового океана, атмосферы, рек, озер, грунтовые воды. Объем гидросферы составляет 1389 млн км 3 . Она занимает примерно 3/4 поверхности земного шара – 449,59 млн км 2 (суша – 165,34 млн км 2 ). Из общего количества воды 1350 млн км 3 (свыше 97,2 %) – океаническая вода. Баланс других источников (в км 3 ) воды приведен ниже: − полярные льды и ледники 29·10 6 − грунтовые воды 9,7·10 6 − вода в озерах 120·10 3 − вода в реках 12·10 3 − влага в почве 24·10 3 − влага в атмосфере 13·10 3 − всего 39·10 6 Первыми источниками водоснабжения промышленных предприятий слу- жат поверхностные и грунтовые воды. К поверхностным водам относятся реки, озера, искусственные водохранилища и каналы. В первую очередь, для про- мышленного потребления используются реки, объем стока которых в России составляет около 4000 км 3 Природная вода недостаточно чистая и без соответствующей обработки не может быть использована для промышленного водоснабжения. В 1 л прес- ной воды, как правило, содержится около 1 г солей. В морской воде их значи- тельно больше: в водах Балтийского моря – 5 г/л, Черного моря – 18 г/л, в оке- ане – 35 г/л. Пресные и морские воды различаются не только по суммарному содержанию солей, но и по составу – соотношению в них хлоридов, сульфатов и карбонатов (%): Хлориды Карбонаты Сульфаты Речная вода 7 13 20 Океаническая вода 89 10 1 Речные воды делятся на маломинерализованные (до 200 мг/л соли), сред- неминерализованные (200–500 мг/л), повышенной минерализации (свыше 1000 мг/л). Воды большинства рек России относятся к первым двум группам. 135 Наряду с солями вода содержит некоторое количество сложных природных ор- ганических соединений – гумусовых веществ. Содержание этих примесей в речных водах 5–10 мг/л, в озерных – до 150 мг/л. В водах содержится значи- тельное количество твердых взвесей, коллоидных веществ и примесей биоло- гического характера (микроорганизмов, водорослей и др.). Содержание растворенного кислорода в воде определяется ее температу- рой и реакциями, протекающими в водной среде: − фотосинтеза (содержание кислорода увеличивается); − окисления органических соединений – химического и микробиологи- ческого (содержание кислорода уменьшается). На 1 г сухого органическо- го вещества в среднем расходуется 1,5 г кислорода. В зависимости от состава вод меняется рН. Для рек и озер этот показатель колеблется в пределах 5,0–8,5. Содержание различных примесей (как растворенных, так и находящихся в виде взвеси в природных водах) обусловливает образование отложений, накипи и шлама на поверхностях теплообменной аппаратуры и парогенерато- ров, что приводит к их коррозии и ухудшению теплообмена. В условиях работы оборотных систем водоснабжения многократный нагрев воды до 40–45 °С и охлаждение ее в вентиляторных градирнях приводит к потерям диоксида угле- рода и отложению на поверхностях теплообменников и трубопроводов карбо- ната кальция в соответствии с реакцией Са 2+ + 2НСО 3 => СаСО 3 ↓ + СО 2 ↑ + Н 2 О. Во избежание этого потери воды в различных производственных циклах восполняются специально подготовленной подпиточной водой, качество кото- рой должно удовлетворять определенным техническим требованиям. В табл. 8 указаны основные показатели качества воды, используемой для охлаждения продуктов в теплообменных аппаратах. Требования к питательной воде паровых котлов (парогенераторов) энер- готехнологических процессов обусловлены необходимостью предотвращения накипеобразования и коррозии поверхностей нагрева. 136 Таблица 8 Показатели качества воды в системах охлаждения Показатели качества Рекомендуемые величины в России в США ВНИИ Водгео Азотная промыш- ленность Хлорная промыш- ленность Температура, o С 25–40 28–30 25–30 – Жесткость, мг-экв/л − общая − карбонатная <7 <2,5 1,5–2,5 1,5–2,5 5,5 <3 – 2,5–5 Щелочность, мг-экв/л 3–4 – 2–4 2,5 Общее содержание солей, мг/л 1300–2000 1200 800–1200 500 Окисляемость перманганатная, мг О 2 /л <20 <15 8–10 – Химическое потребление кис- лорода, мг О 2 /л <200 – 70 75 Содержание, мг/л − взвешенных веществ − масел и маслообразующих веществ − поверхностно-активных ве- ществ (ПАВ) − анионов Cl- (хлоридов) − анионов − 2 4 SO (сульфатов) − анионов − 3 4 PO (фосфатов) − соединений азота в пересчете на ионы тяжелых металлов − растворенного кислорода остаточного активного хлора <50 <20 Не норми- руется 150 – 300 350 – 500 – 6 До 1,0 20 – 30 0,3 0 До 350 <500 <6 <2,4 – 10 – 20 0 0 150 – 300 350 – 500 1,5 – 9,0 0,12 – 2,64 До 1,0 5 – – 500 200 – – – рH 6,5 – 8,5 6,5 – 8,5 6,5 – 8,5 6,5 – 8,5 137 К основным показателям качества питательной воды относятся: значение рН, общая жесткость, содержание кремниевой кислоты, растворенного кисло- рода, свободной углекислоты, железа, меди и других соединений. Качество пи- тательной воды зависит от параметров генерируемого водяного пара (табл. 9). Требования к воде, используемой в качестве реагента, экстрагента, абсор- бента и т.д., связаны с особенностями проводимых процессов и указываются в технологических регламентах конкретных химических производств. Таблица 9 Требования к качеству питательной котельной воды Показатели качества Типы котлов Жаротрубные (0,5 – 1,5 МПа) Высокого давле- ния (5 – 10 МПа) Прямоточные (10 – 15 МПа) и прямоточные сверхкритического давления (21,5 – 30 МПа) Общая жесткость, мг- экв/л 0,35 0,035 0,003 Содержание приме- сей, мг/л − диоксид кремния − медь − марганец − железо − кислород − нитраты и нитри- ты Не нормируется 0,5 – 1 1 – 0,7 0,05 – 0,05 0,3 – 0,02 0,005 – 0,01 0,01 0,02 рH 8 – 10 8 – 10 7 – 8,5 Природную воду перед использованием в производстве подвергают очистке различными методами в зависимости от характера примесей и требова- ний, предъявляемых к воде. |