При обработке данных принято, что 1 км3 сброшенных загрязненных вод соответствует 1 млн т выбросов. Государственный доклад не содержит некоторых необходимых, с нашей точки зрения, данных, поэтому мы ссыла емся на сведения 1993 г.
Анализируя данные табл. 3.5, нужно учитывать следующее:
сведения, полученные из различных источников могут существенно от личаться. Так, по данным Госкомстата РФ выбросы предприятий газовой промышленности в 1997 г. составляли 451,135 тыс. т, а по данным Минтоп энерго - 2345,2 тыс. т, что в 5,2 раза больше.
Выбросы предприятий военно-промышленного комплекса и ущерб, причиняемый окружающей среде вооруженными силами, оценены неточно и явно занижены.
Компоненты выбросов имеют разные показатели токсичности, их сум мирование не дает полной картины воздействия на окружающую среду. Кроме того, отсутствуют данные о выбросах суперэкотоксикантов, таких как шестивалентный хром (лидер - химическая промышленность), тяже лых металлов (например, отходы гальванического производства), хлорсо держащих соединений (химическая, деревообрабатывающая и целлюлознобумажная промышленности), соединений фтора (угольная промышлен ность), пестицидов (сельское хозяйство) и др.
Однако приведенные данные позволяют подтвердить разделяемое боль шинством экспертов мнение о том, что наибольшее негативное влияние на окружающую среду оказывают жилищно-коммунальное хозяйство, транс порт, энергетика, химическая промышленность и сельское хозяйство. Все большую озабоченность вызывают последствия быта человека.
Основой современного подхода как к оценке эффективности использо вания различного рода ресурсов, так и к оценке техногенного воздействия производств на окружающую природную среду (как это уже отмечалось ра нее) является принцип построения ресурсных циклов, или круговоротов ма териалов. Такой подход позволяет наиболее четко проследить причинноследственные связи многофакторных природно-техногенных процессов.
В современный технический язык прочно вошли термины “ресурсный цикл”, “энергопроизводственный цикл”, “биосферный ресурсный цикл”, “от колыбели до могилы”. Некоторые из них широко используются средствами массовой информации и употребляются на бытовом уровне. После того как были сформулированы понятия и рассчитаны круговороты ряда химиче ских элементов - азота, серы, углерода и др., имеющих особое значение для органических процессов, происходящих на нашей планете, следующим логи ческим шагом в этой тенденции является введение понятия “потока химиче ского элемента”, или “элементопотока”*
Необходимость такого подхода вытекает из следующих соображений. В современных условиях все большее, а часто и определяющее значение, как
Термин “элементопоток” предложен П.И. ЧерноуСовым.
- /
- 2
Рис. 3.5. Принципиальная схема элементопотока:
I - производственный рециклинг материалов и ВЭР; 2 - глобальный рециклинг
ввопросах формирования структуры изделий и влияния на качество продук ции, так и при образовании выбросов суперэкотоксикантов, играют примес ные или, иными словами, микроэлементы, присутствующие в техногенном материале иногда в количестве всего лишь нескольких граммов на тонну материала. Окружающая человека среда становится наиболее сложной по номенклатуре химических соединений и материалов, не свойственных среде природной, и этот процесс развивается все более стремительно. В этих ус ловиях необходимо иметь не только максимально достоверную информа цию о происходящих технологических процессах, но и надежную основу для анализа и прогноза возможных социальных последствий принимаемых тех нических решений. Надежность в подобном анализе может обеспечить только учет движения в рассматриваемой системе каждого химического элемента независимо от его количества, базирующийся на балансовом ме тоде исследования и подтвержденный термодинамическими расчетами со става всех образующихся в системе фазовых составляющих. Количествен ная оценка этого движения выражается в виде элементопотока.
Таким образом, под техногенным элементопотоком мы будем понимать все количественно определенные параметры движения химического эле мента по технологической цепочке начиная от его извлечения из сплошной природной среды (недр) и включающие транспорт сырья и продукции, про изводство энергии и все технологические стадии производства и потребле ния продукта, все формы обращения с отходами производства и потребле ния, в том числе их рециклинг и депонирование, а также распространение исследуемого элемента с выбросами во все природные среды.
В самом общем виде элементопоток, на примере элемента, извлекаемо го из природной среды в составе твердого минерала (такая форма извлече
ния наиболее распространенная), может быть представлен в виде схемы (рис. 3.5).
Данная схема элементопотока в самой полной мере отражает приведен ное выше его определение и демонстрирует глобальный характер распреде ления элемента. Однако в зависимости от цели и глубины проводимых ис следований можно строить и другие схемы элементопотоков, например:
- для отдельных составляющих на стадиях добычи и подготовки ресур
сов к потреблению, транспортировки, производственной или бытовой сфе ры и т.п.;
-Для различных регионов - добывающего, производственного, энергопро изводящего, и территорий, используемых для складирования отходов и т.д.;
- для конкретных производственных подразделений, в том числе отдель ных агрегатов и т.п.
В отличие от глобального эти элементопотоки можно определить кяк локальные (или региональные, если речь идет о построении его по геогра фическому положению). Кроме того, элементопотоки с учетом временного фактора могут подразделяться на среднесуточные, среднемесячные, средне годовые, “мгновенные” и т.п., а также интегральные - за определенный пе риод, например, за время функционирования какого-либо производственно
го предприятия, с момента основания какого-либо региона или промышлен ного центра и т.д.
Возможны различные формы выражения элементопотока: графиче ская, табличная, аналитическая и т.п.
Рис. 3.6. Подразделение химических элементов
Остановимся сщс на одном важном методическом вопросе, а именно подразделении химических элементов на макро- и микроэлементы (рис. 3.6). Как правило, к макроэлементам относят элементы, которые:
- определяют пространственное существо предмета своим количествен
ным присутствием в нем; - существенным образом влияют на ход процессов добычи, производст
ва, потребления или эксплуатации продукта, определяя технико-экономиче ские показатели упомянутых стадий техногенных преобразований природ ных ресурсов.
В количественном выражении можно принять, что к макроэлементам относятся те, содержание которых в рассматриваемом продукте (или систе ме) превышает около 0,01 масс.%. Если содержание элемента составляет менее 0,01 масс.%, то его можно условно отнести к категории микроэлемен тов. Отметим, что в специальной литературе микроэлементы часто подраз деляются на “микропримесные” - существенным образом влияющие на свойства и количественные характеристики продукта, и “следовые”, - со держание которых настолько незначительно, что их присутствие никак не влияет ни на какие из известных в настоящее время потребительских или токсических характеристик продукта.
Детальное рассмотрение элементопотоков проведем на примере индуст рии черных металлов - отрасли, которая является крупнейшим производи телем и переработчиком материалов, а продукция отрасли —сталь, чугун и железо - основными конструкционными материалами.
3.2.1.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
НА ПРИМЕРЕ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
В зависимости от количества и роли, которую играет химический эле мент в рассматриваемой металлургической системе, его принято относить к элементам^ основы, макроили микропримесям. Применительно к процес сам черной металлургии мы в дальнейшем будет относить;
- к макроэлементам: железо, углерод, кислород, азот, водород, кальций, кремний, алюминий, магний, марганец, фосфор, серу, цинк, калий и натрий.
ачиная с первого, девять элементов являются обязательными составляющи ми любой металлургической системы, мы их будем называть элементами “ос
новы”. Марганец, фосфор и сера - элементы, определяющие свойства готово го металлопродукта, и поэтому контролируются на всем протяжении техноло гического цикла и включаются во все стандарты или сертификаты на изделия из железа. Обычно эти элементы относят в черной металлургии к макропримесным. Калий и натрий играют важнейшую роль в процессах формирования металлургических шлаков, а также совместно с цинком существенным образом влияют на показатели процессов производства первичного металла (главным образом чугуна) и стойкость огнеупоров доменных печей. В связи с этим хими ческому анализу на содержание цинка, калия и натрия, как правило, подверга ются все шихтовые материалы, поступающие на металлургическое предпри ятие (прежде всего, коксующиеся угли, железорудные материалы, флюсы);
- к микропримесям - все остальные химические элементы периодиче ской системы. Установлено, что в металлургических материалах могут при сутствовать в количестве от долей до десятков тысяч ppm (г/т материала) химические элементы, относящиеся ко всем группам периодической систе мы за исключением инертных газов и трансурановых элементов.
Поступая в металлургический передел в составе шихтовых материалов
игазов, макро- и микроэлементы могут:
1.Переходить в готовые продукты металлургического производства, как собственно в изделия из железа, так и в попутные продукты, например,
вметаллургические шлаки или материалы, получаемые в процессе коксохи мического производства и т.п.
2.Попадать в отходы производства (в основном в золы и шламы ТЭС, а так же сталеплавильные шлаки и шламы), которые в настоящее время складируют ся в золошламонакопителях в условиях России, как правило, без сортировки.
3.Накапливаться в металлургических агрегатах в составе гарнисажа, на стылей и т.п.
4.Переходить в шламы в процессе газоочистки, в окалину и другие ма териалы с формированием контура циркуляции внутри металлургического цикла при утилизации этих материалов в агломерационном процессе (а так же и в доменном, конвертерном и т.п.).
5.Выноситься в окружающую среду (атмосферу) в виде газов или возго нов, неулавливаемых очистными устройствами.
Для микроэлементов существует также возможность накопления в так называемых циркуляционных контурах, которые формируются во внутрен нем пространстве металлургических агрегатов в результате возгонки эле ментов при высоких и последующей конденсации при низких температурах.
Основой для определения параметров элементопотока на стадии метал лургических технологических операций является схема движения основных металлургических материалов (см. раздел. 4.5).
3.2.1.1,1. Современные представления о роли микроэлементов в металлургии железа
Последнее десятилетие двадцатого столетия в металлургии развитых индустриальных стран выявило целесообразность производства материа лов, особо чистых по содержанию примесей всех видов.
Это относится как к производству полупродуктов (например, чугуна, ферро сплавов, жидкой стали), так и готовой продукции (проката, специальных сталей,
товарного чугуна), в которых содержание некоторых микропримесей ограничи вается в пределах 1-50 г/г материала. К таким микропримесям относятся как хо рошо известные и изученные металлургами никель, медь, ванадий, хром, сви нец, мышьяк, бор и прочие, так и до настоящего времени малоизвестные - тел лур, селен, висмут и др. На сегодняшний день цена особо чистых металлургиче ских материалов на мировом рынке в 1,5-2 раза превышает цену рядовой про дукции. В соответствии с упомянутой тенденцией развивался горнорудный ком плекс стран производителей металлургического сырья, совершенствовались структура подготовки сырья к плавке, внедрение технологий рафинирования и специальной обработки жидкого металла (обессеривания, обескремнивания, дефосфорации и т.п.). Рассмотрим сложившуюся ситуацию более подробно.
В зависимости от химического и минералогического составов и предысто рии термообработки исходных шихтовых материалов и продуктов металлур гических переделов микроэлементы могут присутствовать в чугунах и сталях в твердом растворе, в виде продуктов ликвации, кристаллизации из расплава или выделений из твердого раствора и т.п. Как правило, существенное влияние микропримесей на свойства металла связано с их присутствием на границах зе рен, определяемым протеканием процессов межкристаллической ликвации. Хотя равновесная концентрация микроэлементов в стали или чугуне чрезвы чайно мала, в результате ликвации на межзеренных и межфазных границах она может оказаться в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз выше. Те оретически при диаметре кристаллического зерна 30 мкм и концентрации при месного микроэлемента 10 г/т может оказаться перекрытой вся граница зерна (слоем толщиной в один атом). Если учитывать процессы макроликвации, то нельзя считать безопасной даже концентрацию 1 г/т. Общеизвестно, что гра ницы зерен служат препятствием для развития деформации и трещин, прида ют прочность и вязкость, но, с другой стороны, они же являются самым сла бым местом в структуре материала в целом. Поэтому межкристаллическая ли квация служит причиной охрупчивания границ зерен, межкристаллической коррозии и, как следствие, снижения прочности изделия.
Как правило, механизм снижения прочности сцепления соседних зерен, т.е. ослабевание межзеренной связи из-за присутствия на границах зерен примесных микроэлементов, представляют поэтапно:
-ослабевает сила сцепления между атомами примеси и окружающими их атомами железа;
-сильная ковалентная связь между атомами железа и примеси приводит
кослаблению связи между соседними атомами железа;
-на границах зерен активно формируются фазы (оксиды, карбиды, ни триды, сульфиды, интерметаллиды), обладающие отличными от элементов
исоединений основы механическими свойствами.
Например, известен факт сильного влияния микропримесных элементов олова, сурьмы и мышьяка на прочность некоторых легированных сталей. Проблему повышения качества таких сталей удалось решить за счет реали зации ряда мероприятий, связанных со строгим подбором сырья и примене нием внепечной обработки стали, в результате чего были достигнуты следу ющие уровни содержания микропримесей: олова - менее 20 г/т стали, мышьяка - менее 40 г/т стали, а сурьмы - менее 7 г/т стали.
Особое значение имеет проблема так называемых “бродячих элемен тов” Металлургический термин “бродячие элементы” пришел из америка-