Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) все активнее вторгается в систему принятия решений по развитию хозяйственной и/или иной деятельности. Появление идеи ОВОС было неизбежно, так как существуют объективные причины заинтересованности организации хозяйственной дея тельности таким образом, чтобы сохранить среду обитания и не подорвать основу существования человека как биологического организма, социально го индивида и духовной личности. В последние годы идея ОВОС доведена до практических рекомендаций.
При проведении ОВОС должны быть решены следующие основные задачи:
-выявлены и проанализированы все возможные воздействия намечае мой формы деятельности на окружащую среду района реализации хозяйст венного проекта;
-спрогнозированы и оценены изменения окружающей среды, которые произойдут в результате оказанных на нее воздействий при осуществлении намечаемой деятельности;
-предсказаны и классифицированы по значимости экологические и свя занные с ними социальные, экономические и другие последствия реализа ции хозяйственного проекта;
-учтены в подготавливаемых решениях возможные последствия их осу ществления.
Отличительной особенностью экологически чистого производства яв ляется отказ от применения систем очистки газов и воды от загрязнений как основного средства борьбы с выбросами и подавление поллютантов пре имущественно технологическими способами.
Однако для выбора стратегии подавления выбросов следует вначале ре шить ряд задач методического характера, поскольку часто как производите ли продукции, так и контролирующие службы не знают, что в действитель ности выбрасывается в окружающую среду при проведении производствен ного процесса и что должны, следовательно, искать службы экологическо го мониторинга.
В содержание ОВОС входят и расчеты возможных выбросов. Иначе го воря, определение состава и количество возможных поллютантов должно входить в объем работ на стадии проектирования производства.
Между тем для большинства действующих технических систем вся схема экологического мониторинга основана на контроле выбросов не скольких наиболее известных газовых и конденсированных компонен тов. Остальные составляющие выбросов, таким образом, считаются не известными и контролем не охватываются. Именно этому, к сожалению, типичному для большинства технических систем обстоятельству мы обя заны “неожиданными” и часто тяжелыми нагрузками на окружающую среду.
Ясно,что расчет выбросов в окружающую среду априори обоснован и должен основываться на двух фундаментальных принципах:
- определении материального баланса химических элементов на вхо де и выходе любой действующей (технической, коммунально-бытовой и Др.) системы;
—определении наиболее вероятного химического состава и физических свойств выбросов в окружающую среду.
Самой сложной теоретико-экспериментальной задачей является полу чение надежных решений по второму направлению. Проблема усугубляется непрерывным расширением номенклатуры используемого для технических систем и непромышленной деятельности человека сырья, его нетрадицион ным составом за счет включения в производство ранее неиспользовавшихся комплексных руд, техногенных материалов и бытовых отходов и пр. Таким образом, в сфере деятельности человека на входе в технические и комму нально-бытовые системы появились совершенно новые химические соеди нения и техногенные материалы с часто неизвестными термодинамически ми характеристиками, физическими и физико-химическими свойствами. В этих условиях роль теоретического прогноза количества и состава выбро сов становится особенно важной, но и несоизмеримо более трудной.
Технические системы, “производящие выбросы”, имеют ряд общих свойств.
Химический аспект. В систему постоянно поступают разнородные ве щества, которые могут включать в свой состав большую часть элементов Периодической системы. Конечно, концентрации этих элементов и их роль в процессах, происходящих в технической системе, различаются иногда на много порядков. Однако даже если принять во внимание только основные элементы, присущие всем системам, то их количество составит более деся ти, т.е. системы имеют сложный элементный состав.
Учитывая сложный элементный состав, можно предположить, что коли чество веществ, которые могут образовываться внутри технической систе мы, огромно. Не все они устойчивы при заданных внешних условиях, но все равно - это тысячи, а возможно, десятки тысяч соединений. Понятно, что ко личество химических реакций между этими многочисленными веществами, также очень велико. Причем реагенты могут участвовать одновременно в нескольких реакциях - в одних они могут являться исходными веществами, в других - продуктами. Значит, любая система - это химический реактор, в ко тором протекают сложные, взаимосвязанные химические процессы.
Физико-химический аспект, а. В системе могут существовать одновре менно газовая, жидкие и твердые фазы (в системе могут одновременно су ществовать несколько жидких или твердых фаз в случае, если отсутствует взаимная растворимость, но газовая фаза в данной системе всегда одна), по этому процессы носят гетерогенный характер. Это влияет как на равновес ный состав, так и на скорость процессов, особое значение при этом имеют поверхности раздела фаз.
б. Одновременно могут протекать химические реакции, фазовые превра щения, процессы тепло- и массопереноса. Возможно возникновение перекре стных эффектов, например термодиффузия, реакционная диффузия и т.д.
в. Вещества, участвующие в процессе, перемещаясь, попадают в другие области агрегата, где температура и давление имеют иные значения, при
этом меняются реакционные способности соединений, равновесные составы и скорости процессов.
г. Скорости процессов, особенно при участии конденсированных фаз,
могут быть недостаточны для установления равновесного состояния во всех частях системы.
д. |
С точки зрения термодинамики |
|
|
||
системы являются открытыми, т.е. со |
JjtJw |
СТС |
fJ p. fJ w |
||
общаются с окружающей средой |
|||||
энергией « веществом (в соответствии |
|
|
|
||
с общепринятой классификацией фи |
|
|
|
||
зико-химические системы могут быть |
|
|
|
||
изолированными, при этом нет ника |
|
|
|
||
кого взаимодействия системы с окру |
|
Як |
|
||
жающей средой, адиабатно изолиро |
Рис. 5.2. Схемы функционирования СГС |
||||
ванными, когда система изолирована |
|||||
(или ее подсистемы). Пояснения см. в |
|||||
во всех отношениях, но может совер |
тексте |
|
|
||
шать работу, или над ней можно со вершать работу; замкнутыми, когда система сообщается с внешней средой
только энергетически, и открытыми, когда возможны потоки вещества и энергии между системой и внешней средой).
Таким образом, можно сформулировать следующие отличительные признаки металлургических систем:
-многоэлементность;
-многокомпонентность;
-гетерогенность;
-наличие перекрестных и нелинейных внутренних взаимосвязей;
-частичная или полная неравновесность;
-открытость;
-периодичность (цикличность) действия.
Итак, металлургические системы отличаются очень высоким уровнем сложности во всех аспектах своего поведения. Поэтому их можно охаракте ризовать как сложные технические системы (СГС), которые требуют для своего описания привлечения специальных методов анализа.
Подсистемой СТС является условно выделенная часть СТС, содержащая исследуемые компоненты, фазы и/или процессы. Подсистема может быть выделена (ограничена) по признаку гомогенности (например, газовая подси стема), по геометрическому размеру (некоторый объем в интересующей нас области СТС) или по температурному диапазону (все процессы, протекаю щие в интервале температур от Тх до Г2). Подсистема в большинстве случа ев представляет собой сложную физико-химическую систему, т.е. отвечает перечисленным выше признакам СТС.
Функционирование СТС (или ее подсистемы) можно представить в виде простой схемы (рис. 5.2). На входе в систему подаются потоки вещества J} (индекс - различные химические вещества) и энергии Jw. На выходе из системы также есть потоки вещества и энергии, но их величины иные, чем на входе - J'w. На процессы, происходящие внутри системы, воздейству ют управляющие параметры qk, причем некоторые из них —регулируемые (величины потоков Jj и Jw, периодичность загрузки и т.д.), а часть - нерегу лируемые, например климатические и погодные изменения.
Для анализа процесса предпочтительно использовать метод минимиза ции энергии Гиббса физико-химических систем. Он основан на том, что в си стеме, находящейся в состоянии равновесия, энергия Гиббса G, которая оп ределяется при постоянном давлении и температуре, минимальна. Таким об разом, нет необходимости перечисления всех возможных химических реак-
дт |
* |
(5.7) |
— |
= G; + S x ^ j = О, |
|
oKj |
/= l |
|
Д T |
= - l + E x , = 0 . |
(5.8) |
^ |
Число уравнений (5.6) равно к (так как / = 1,..., к), число уравнений (5.7) равно /я (так как j = 1,..., m), уравнение (5.8) одно, значит, всего уравнений в системе к + т + 1. Число неизвестных также равно к + т + 1 (к неизвестных мольных долей, т неизвестных коэффициентов А.у и один коэффициент Хх). Значит, полученная система является замкнутой системой алгебраических уравнений и имеет однозначное решение. Следует отметить, что данная си стема линейна относительно А,у, Хх и 1гис„ поэтому она может быть легко ал горитмизирована для компьютерного расчета, в котором можно использо вать один из имеющихся вариантов решения систем линейных уравнений, например метод Гаусса.
Равновесный расчет в соответствии с рассмотренным алгоритмом в слу чае небольшого количества веществ в системе можно производить и вруч ную. Однако для реальных СТС количество компонентов, как мы уже отме чали, достаточно велико. Поэтому в настоящее время существует ряд ком пьютерных программ, позволяющих производить автоматизированные рас четы равновесного состава сложных физико-химических систем. Програм ма, кроме расчетного алгоритма, должна включать в себя базу термодинами ческих данных и подпрограмму, позволяющие наглядно представлять резуль таты расчета. Одной из наиболее удачных компьютерных программ для опре деления равновесного состава является пакет программ “ИВТАНТЕРМО”, база данных которого содержит перечень термодинамических свойств для более чем 2000 веществ. Расчет в системе “ИВТАНТЕРМО” может произ водиться для 400 одновременно сосуществующих веществ, результаты мо гут быть представлены в виде графических диаграмм, на которых даны кон центрации имеющихся в равновесии веществ в зависимости от температуры, давления или концентрации любого исходного компонента системы.
С учетом кинетических ограничений безусловный характер в этом слу чае имеют лишь выводы о термодинамической невозможности тех или иных процессов. В то время как термодинамическая возможность процесса или ре акции еще не означает их обязательной реализации, процесс, разрешенный термодинамически, может быть запрещен по кинетическим причинам из-за ничтожно малых скоростей протекания. Таким образом, получаемые в ре зультате термодинамического расчета концентрации веществ следует рас сматривать как максимально возможные значения. Но именно это и предста вляет наиболее важную задачу экологической экспертизы любого техноло гического процесса по предполагаемым вредным выбросам. Принципиально также и то, что применительно к анализу формирования вредных выбросов определяющее значение имеют как раз “запретительные ’ выводы термоди намического моделирования, поскольку результатом подобного теоретиче ского анализа является нахождение условий, когда вредные вещества обра зуются в минимальном количестве или не образуются вовсе.
Расчеты, выполненные А.К. Зайцевым, Л.И. Леонтьевым и Ю.С. Юсфиным (1998 г.) для соединений серы и азота, показали хорошую сходимость с