CC BY
14
УДК 33с5.04
КОМПЛЕКСНОСТЬ - ОСНОВА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ, СОЗДАВАЕМЫХ СИБИРСКОЙ НАУКОЙ
Нинэль Михайловна Журавель
Институт экономики и организации промышленного производства, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 17, кандидат экономических наук, доцент кафедры моделирования и управления промышленного производства НГУ, тел. (383)330-16-81, e-mail: zhnela@mail.ru.
Сибирские технологии рассматриваются с позиций комплексной переработки сырья на примерах угля и литиевого сырья. Показано значение совместного извлечения ценных составляющих поликомпонентного сырья для повышения эколого-экономической эффективности технологий. Даны рекомендации по ускорению их реализации.
Ключевые слова: комплексность, сибирская наука, наилучшая доступная технология, эколого-экономическая эффективность.
COMPREHENSIVENESS IS BASIS OF ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF TECHNOLOGIES CREATED SIBERIAN SCIENCE
Ninel M .Zhuravel
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, Candidate of Sciences (Economics), Senior Researcher at the Institute of Economics and Industrial Engineering, tel. (383)330-16-81, e-mail: zhnela@mail.ru
Siberian technologies are considered from the standpoint of complex processing of raw on example of coal and lithium raw material. The importance of joint extraction of valuable components of multicomponent materials to improve environmental and economic performance of technologies was demonstrated. Recommendations to accelerate their implementation were given.
Key words: comprehensiveness, Siberian science, best available technology, ecological and economic efficiency.
Путь развития живой природы наглядно демонстрирует нам идеальную безотходную технологию превращения одного вида живого вещества в другой в форме пищевых цепочек. Научное сообщество СО РАН создало и реализовало механизм подражания живой природе на основе богатого опыта успешных фундаментальных исследований на стыке различных дисциплин - механизм междисциплинарных интеграционных проектов (МИП) [1]. Результаты работ по МИП оформлены в серии "Интеграционные программы СО РАН" из 47 опубликованных к настоящему времени монографий. В области биотехнологической и медицинской микробиологии [2], например, изучены наиболее эффективные бактериальные штаммы, используемые в переработке отходов с целью получения химических веществ; на основе экспериментально-компьютерного моделирования проведён анализ молекулярных геносенсоров для детекции токсичности окружающей среды и др. МИП позволяют достичь прорыва, "обо-
гнать, не догоняя" мировую науку. Проиллюстрируем на двух направлениях, как разработанные учеными СО РАН технологии демонстрируют высокую эко-лого-экономическую эффективность с помощью комплексной переработки сырья. Исходное сырье для первого направления - твердые топлива, второго -гидроминеральное литиевое сырье.
Мировая энергетика в настоящее время и на обозримую перспективу (до 2100 г.) ориентирована на использование органического топлива, главным образом твердых топлив, доля которых в выработке электроэнергии составляет 40%, а тепловой - 24%. Разработка технологий их эффективного и экологически чистого использования является приоритетной задачей в энергетике. В [3] представлены результаты многолетних исследований плазменных ресурсо- и энергосберегающих технологий комплексной переработки твердых топлив Применение этих технологий для получения целевых продуктов (синтез-газ, водород, технический углерод, ценные компоненты минеральной массы углей) соответствует современным эколого-экономическим требованиям, предъявляемым к базовым отраслям промышленности. С экологической точки зрения плазменная комплексная переработка углей для получения синтез-газа из органической массы угля (ОМУ) и ценных компонентов из минеральной массы угля (ММУ) наиболее перспективна. Ее сущность состоит в нагревании угольной пыли электродуговой плазмой, являющейся окислителем, до температуры полной газификации, при которой ОМУ превращается в экологически чистое топливо - синтез-газ, свободный от частиц золы, оксидов азота и серы. Одновременно происходит восстановление оксидов ММУ углеродом коксового остатка и образование ценных компонентов, таких как технический кремний, ферросилиций, алюминий и карбосилиций, а также микроэлементы редких металлов: уран, молибден, ванадий и др. Обезуглероженная минеральная масса может быть использована для производства огнеупорных и абразивостойких материалов, минерального волокна, каменного литья и силикатной глыбы.
В таблице обобщены результаты исследований плазменной конверсии уг-леродсодержащего сырья. Массовые отношения твердое топливо/окислитель варьируются в интервале 1.3-2.75, отношение уголь/водород составило 10 кг/кг, а расход пропанобутановой смеси для переработки в плазмохимическом реак-
-5
торе мощностью 60 кВт составляет 18 м /ч. Среднемассовые температуры процессов варьировались от 800 до 3200 К. Поскольку плазмохимическая подготовка угля к сжиганию основана на частичной газификации (степень конверсии 15-30 %), то температуры (800-1200 К) и удельные энергозатраты на этот процесс (0,05-0,40 кВтч/кг) невысокие. Отметим, что для всех исследованных процессов плазмохимической переработки топлив характерно крайне малые кон-
-5
центрации вредных выбросов оксидов азота и серы, не выше 20 мг/нм , что на порядок ниже, чем при традиционном использовании топлив.
Таблица 1
Оптимальные диапазоны технологических параметров для плазменной _конверсии углеродсодержащего сырья_
Топливо/ плазмооб-разующий газ Т, К Удельные энергозатраты, кВт-ч/кг топлива Степень конверсии топлива, % Концентрация, мг/нм3
КОх БОх
1. Плазмохимическая подготовка угля к сжиганию (воздух)
1,5-2,5 800-1200 0,05-0,40 15-30 1-10 1-2
2. Комплексная переработка углей (пар)
1,3-2,75 2200-3100 2-4 90-100 1-2 1
3. Плазменная газификация углей (пар)
2,0-2,5 1600-2000 0,5-1,5 90-100 10-20 1-10
4. Плазмохимическая гидрогенизация углей (водород)
10 2800-3200 6,5-8 70-100 0 0
18 м3/ч 5. Плазмохимический крекинг пропанобутановой смеси
1500-2500 2,2-3,8 98-100 0 0
Обобщая описание плазменных технологий, подчеркнем, что их эколого-экономическую эффективность по сравнению с традиционными технологиями производства побочных продуктов обосновывают пять преимуществ:
• отсутствие затрат на сырье, поскольку все побочные продукты получаются из ММУ углей ( золы), т.е. вредных отходов в процессах сжигания углей;
• сокращение затрат на все виды энергии, поскольку зола поступает уже нагретой (до 1200-1400оС) в процессе газификации угля, и все тепловые затраты до этого уровня температур могут быть отнесены на синтез-газ, и только плазменный догрев до температур восстановления металлов, будет определять расход энергии на получение продуктов плазменной переработки золы;
• существенное сокращение трудовых и капитальных затрат (в 5-10 раз по экспертной оценке НГТУ, ИТ СО РАН и КазНИИЭ) в связи с компактностью плазменных установок;
• значительная интенсивность плазменных процессов способствует снижению условно-постоянных расходов на единицу продукта наряду с тремя выше приведенными составляющими эффективности, характеризующими абсолютное сокращение энергетических, материальных и трудовых затрат;
• безотходность плазменной технологии дает, на наш взгляд, главный эффект через снижение ущерба окружающей среде и платы за вредные выбросы как самой золы, так и тех токсичных продуктов, которые улавливаются в процессе ее плазменной переработки.
Окончание ХХ века характеризуется стремительным увеличением сырьевой базы для производства литиевых продуктов за счет гидроминерального сырья - литиеносных природных рассолов, саларов, рапы озер. На долю гидроминерального сырья приходится 78% мирового содержания лития и только 22% -на традиционное рудное сырье. Кроме того, как и в случае с плазменными технологиями использование традиционного сырья (рудного алюмосиликатного)
требует больших капитальных вложений на его добычу и значительных энергетических затрат: на высокотемпературное спекание шихты (1350° С) и последующее выщелачивание спеков при 90оС. Гидроминеральное сырье не требует горных работ на его добычу, а выщелачивание ценных компонентов из вмещающих пород осуществила сама природа. Содержание в рассолах таких компонентов, как соли лития, натрия, калия, магния, кальция, а также брома и ряда микрокомпонентов, позволяет их извлекать осадительными и ионообменными методами, на которые не нужны большие энергозатраты.
Литиеносные глубинные рассолы Сибирской платформы отличаются поликомпонентным составом, обогащены бромом и имеют преимущественное содержание кальция и магния в их составе. При разработке технологии комплексной переработки гидроминерального сырья авторы монографии [4] использовали рассолы различного состава. Наиболее обогащены по литию глубинные рассолы Иркутской области, наименее попутные нефтяные рассолы (Юрубченское месторождение), но даже в них содержание лития превышает значения промышленных кондиций примерно в 5 раз. При использовании процесса сорбционного обогащения данных рассолов по литию с применением селективного сорбента позволило получить литиевый концентрат, оставив солевой фон рассола практически неизменным. Учитывая, что солевой фон рассола на 50—70 % представляют хлориды кальция и магния, при комплексной переработке таких рассолов целесообразно получать не только литиевые, бромные и магниевые продукты, но и востребованные на рынке соли кальция. В пользу необходимости переработки рассола на кальциевые и магниевые продукты указывает и то, что без получения этих товарных продуктов после извлечения лития потребуется закачка в пласты-коллекторы практически полного объема добытого рассола, что требует определенных капитальных и энергетических затрат. Экономически важно также и то, что продукты на основе кальция и магния, полученные осаждением из рассола, имеют больший спрос на мировом рынке как более качественные.
На основании проведенных исследований и опытно-промышленных испытаний показана возможность расширения ассортимента продуктов, производимых из рассолов хлоридного кальциевого типа. Полная переработка добытых глубинных подземных рассолов позволяет создать замкнутую безотходную технологию с широким ассортиментом товарной продукций, в том числе металлов лития, магния и кальция и сплавов на их основе.
Возможность экономичной добычи рассолов хлоридного кальциево-магниевого типа и наличие инновационных технологических решений их переработки прошли всестороннюю апробацию с использованием рассолов Знаменского месторождения и подтвердили технологические, экономические и экологические преимущества этого вида сырья для промышленного применения. Подтверждена расчетами также экономическая целесообразность организации производства комплексной переработки рассолов, сопутствующих Ковыктинскому газоконденсатному месторождению (Иркутская обл.) без переработки маточных рассолов на соли кальция при использовании новой прогрессивной технологии бурения с одновременным захоронением
отработанных маточных рассолов. Повышение степени комплексности значительно увеличивает показатели эффективности, что подтверждено результатами опытно-промышленных и укрупненных испытаний предлагаемых технологий. При этом все технологии получения товарных продуктов, положенные в основу технико-экономических расчетов, защищены патентами РФ.
Широкому применению в отечественном производстве достижениям сибирской науки, чрезвычайно наукоемким, хотя иногда и дорогостоящим, призван способствовать федеральный Закон от 21 июля 2014 г. № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации» [5]. Важными документами для реализации принципов НДТ являются отраслевые Справочники НДТ. Они разрабатываются в качестве документов национальной системы стандартизации. До 2018 г. будет разработано 47 Справочников, из них 12 в 2016 г. и 25 в 2017 г. Из приведенного выше обзора сибирских технологий, которые без сомнения относятся к НДТ, следует, что комплексная переработка сырья является важнейшим фактором эффективности НДТ. Для измерения внутренней эффективности отдельной технологии и соизмерения по эффективности между собой разных НДТ предлагаем:
1. Ввести в справочниках НДТ понятие категорий технологий по степени использования исходного сырья. Технологиям, с помощью которых перерабатывается почти все сырье, присваивать первую категорию, использующих до 75% сырья - вторую, от 76 до 50% - третью, от 49 до 25% - четвертую. В пятую категорию попадут все остальные.
2. Разработать материальные и моральные стимулы поощрения объектов и субъектов промышленного производства в привязке к названной классификации категорий НДТ: за разработку и применение технологий только 1 и 2 категорий - на вновь создаваемых производствах; за стимулирование замены технологий пятой категории на те, которые комплексно используют сырье, - на действующих производствах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фомин В.М., Молодин В.И., Ермиков В.Д. Междисциплинарные исследования -главный тренд развития науки в России // Вестник РАН.-2015- №11 - С. 993-1004.
2. Роль микроорганизмов в функционировании живых систем: фундаментальные проблемы и биоинженерные приложения / Отв. ред В.В. Власов, А.Д. Дегерменджи, Н.А. Колчанов, В.Н. Пармон, В.Е. Репина. Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 28.Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.
3. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Плазмохимические технологии переработки топлив // Известия вузов. Химия и химическая технология, 2012. Т. 55, Вып. 4. С. 30-34.
4. Рябцев А.Д., Коцупало Н.П., Титаренко В.И. и др. Комплексная переработка поликомпонентных литиеносных рассолов с предварительным их обогащением по литию / под ред. Коцупало Н.П. ; Закрытое акционерное общество "Экостар-Наутех. - Новосибирск : Академическое изд-во "Гео", 2014. - 172 с., [20] с цв. ил.
5. Кучкаров З.А., Максименко Ю.Л., Сокорнова Т.В. Наилучшие доступные технологии: подготовка к внедрению // Экология производства. - 2015. - №11. - С. 38-45
© Н. М. Журавель, 2016
