Атмосферный воздух и его охрана

Предприятия комплексного использования сырья дают обществу огромную выгоду: резко повышается эффективность капитальных вложений и столь же резко снижаются затраты на строительство дорогостоящих очистных сооружений. Ведь полная переработка сырья на одном предприятии всегда дешевле, чем получение тех же продуктов на разных. А безотходная технология устраняет опасность загрязнения окружающей среды. Использование природных ресурсов становится рациональным, разумным.

История древнего мира рассказывает нам об огнепоклонниках, которые молились пламени. «Огнепоклонниками» можно назвать и металлургов. Пирометаллургия (от древнегреческого «пир»--огонь), в основе которой лежит воздействие высоких температур на руды и концентраты, приводит к загрязнению атмосферы и часто не позволяет комплексно использовать сырье.

В нашей стране немало делается для уменьшения опасности загрязнения среды отходами традиционных металлургических производств, и здесь будущее за принципиально новыми решениями.

На железных рудах Курской магнитной аномалии строится Оскольский электрометаллургический комбинат--первое отечественное предприятие бескоксовой металлургии. При таком способе производства резко снижаются вредные выбросы в атмосферу, открываются новые перспективы получения высококачественных сталей. На Оскольском электрометаллургическом комбинате будет использована новая для отечественной черной металлургии технологическая схема: металлизация -- электроплавка. Полученные из богатых железорудных концентратов обожженные окатыши металлизируются в двенадцати шахтных печах, в которых оксиды железа восстанавливаются нагретым до 850 °С газом -- смесью СО и Н2.

Поскольку для выплавки высококачественной стали можно обойтись без чугуна, то, значит, становится ненужным доменный процесс с его дорогим и громоздким оборудованием, которое загрязняет атмосферный воздух.

У новой технологии еще одно важное достоинство: прямое восстановление железа в потоке позволяет обойтись без кокса. А это означает, что развитию металлургии, не будет помехи из-за сокращения запасов коксующихся углей.

Проблема отходов не только в том, что при этом загрязняется биосфера, но и в том, что некомплексно используется сырье.

Только на уральских предприятиях цветной металлургии при выплавке меди из медно-цинковых концентратов с отвальным шлаком и пылью ежегодно теряется 70 тыс. т цинка. Кроме цинка, руда содержит серу, железо. Кстати, 50--60% стоимости многих медных руд приходится на серу и еще 10--12% на железо.

На Иртышском полиметаллическом комбинате имени 50-летия Казахской ССР действует агрегат КИВЦЭТ. За этим названием принципиально новый процесс получения цветных металлов-- кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка. Цель процесса--объединить в одном агрегате все операции от подготовки руды, выходом готового металла, использовав в качестве топлива серу, ранее выбрасываемую в атмосферу.

Самое трудное -- это отойти от традиции, преодолеть инерцию мышления. Восемь тысяч лет существует цветная металлургия. Из глубины веков пришли к нам апробированные, ставшие уже каноническими технологические процессы. Немыслимо было представить завод без мрачных «зонтиков» ядовитого дыма.

Главные «участники» нового процесса -- кислород и электричество. Соответственно и сам агрегат состоит из двух зон. В первой идет подготовка руды и плавка. Топливом здесь вместо кокса служит сера, содержащаяся в самой руде. Она полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество тепла. А затем расплав поступает во вторую зону и течет между электродами, распадаясь на составные части. Некоторые металлы, цинк например, испаряются и конденсируются потом в чистом виде, другие выпускаются сразу в ковш. КИВЦЭТ позволяет извлекать из руды буквально все, что в ней есть. Так, из сырья на заводе получают не только такие традиционные металлы, как медь, свинец, цинк, но и кадмий, и редкие металлы.

Пока что с помощью КИВЦЭТ получают такую же медь, как и в шахтных печах. Металл нуждается в дополнительной обработке. В будущем намечается «обучить» агрегат выплавлять чистую медь.

КИВЦЭТ запатентован в США, ФРГ, Франции и др.-- в 18 странах. Металлургов привлекает в нем не только простота в обращении и обслуживании, не только возможность автоматизировать сложный и трудоемкий процесс выплавки металла, не только отсутствие вредных выбросов, но и в первую очередь его неприхотливость: ведь он способен перерабатывать сырье, которое раньше считалось бросовым -- с содержанием металла в 6--7 раз ниже нормы. Никакая другая технология такое сырье не возьмет. Более того, и отходов металла в шлаке у него гораздо меньше, чем при обычном процессе.

В ноябре 1979 г. в Женеве состоялось общеевропейское совещание на высоком уровне по сотрудничеству в области охраны окружающей среды. На нем представлены практически все европейские государства, а также США и Канады. Совещание приняло Декларацию о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов.

В Декларации подчеркнута необходимость защитить человека и окружающую его среду и рационально использовать ресурсы путем поощрения развития малоотходной и безотходной технологии и использования отходов. Сокращение отходов и выброса загрязняющих веществ и в различных циклах производства намечается путем использования усовершенствованных промышленных процессов при создании новых или реконструкции существующих производственных объектов, создания продукции с особым учетом требований увеличения ее долговечности, облегчения ремонта и повторного использования, когда это возможно. Большое значение имеют регенерация и использование отходов, превращение их в полезный продукт, в частности, путем извлечения ценных веществ и материалов из отходных газов, лучшего использования энергии, содержащейся в отходах н остаточных продуктах. Важно повторное использование большего количества отходов в качестве вторичных сырьевых материалов в других производственных процессах. Рекомендуется рациональное использование сырьевых материалов в производственных процессах и в течение всего жизненного цикла продуктов, замены истощающихся видов сырья другими доступными видами. Необходимо рациональное использование энергетических ресурсов в процессе производства и потребления энергии и в случае практической осуществимости--использования сбросного тепла.

Большое внимание уделяется оценке промышленного применения в производственных масштабах малоотходной и безотходной технологии в целях оптимального использования сырья и энергии, включая возможности регенерации, рециркуляции и экономическую эффективность, с учетом экологических и социальных последствий. Для создания безотходного промышленного производства а масштабах всей страны необходимо разработать научно-технические основы планирования и проектирования региональных территориально-промышленных комплексов, в которых отходы одних предприятий могли бы служить сырьем для других. Внедрение таких комплексов неизбежно потребует перестройки связей между предприятиями и отраслями народного хозяйства, больших затрат. Однако все это со временем окупится сторицей, поскольку промышленность получит огромный приток ранее не используемых сырья и материалов, не говоря уже о том, насколько чище и безвреднее станет окружающая нас среда.

Санитарно-защитные зоны. Предприятия, их отдельные здания и сооружения с технологическими процессами, являющимися источниками выделения в атмосферный воздух вредных и неприятно пахнущих веществ, отделяют от жилой застройки санитарно-защитными зонами.

Размер санитарно-защитной зоны до границы жилой застройки устанавливается: а) для предприятий с технологическими процессами, являющимися источниками загрязнения атмосферного воздуха вредными и неприятно пахнущими веществами,-- непосредственно от источников загрязнения атмосферы сосредоточенными (через трубы, шахты) или рассредоточенными выбросами (через фонари зданий и др.), а также от мест загрузки сырья или открытых складов; б) для тепловых электрических станций, производственных и отопительных котельных--от дымовых труб.

В соответствии с санитарной классификацией предприятий, производств и объектов устанавливаются следующие размеры санитарно-защитных зон для предприятий:

Таблица 3

Перевод отопительных систем на газ. Большое значение для оздоровления воздушного бассейна имеет перевод городских отопительных систем на газовое топливо. В 1980 г. 185 млн. советских людей использовали в быту газ. С его помощью производят 87% стали, свыше 60% цемента. Каждая третья ГРЭС или ТЭЦ работает на газе. Он же дает до 90% удобрений, вырабатываемых в стране.

Советский Союз в короткие сроки превратился в одну из крупных газодобывающих стран мира. Если в 1955 г. в СССР добывалось всего лишь 9 млрд. м³ газа. В 1980 г. уже было добыто свыше 435 млрд. м³ газа. На 1985 г. поставлена задача довести уровень его добычи до 600--640 млрд. м³.

Общеизвестна роль газовой промышленности в оздоровлении атмосферы городов при замене угля и нефтепродуктов на природный газ. Установлено, что если уровень загрязненности атмосферного воздуха при использовании угля принять за единицу, то сжигание мазута даст 0,6, а использование природного газа снижает эту величину до 0,2.

Создание в СССР Единой системы газоснабжения страны позволило решить проблему защиты атмосферы городов. В настоящее время в СССР природный газ получают свыше 140 тыс. городов и населенных пунктов. И недаром, по признанию специалистов многих зарубежных стран, воздушный бассейн городов пашей страны является самым чистым.

Погасить факелы в нефтедобывающих районах нашей страны -- одна из серьезных природоохранных задач. В факеле сгорает ценнейшее сырье для химической промышленности -- попутный нефтяной газ--и, конечно, загрязняется атмосфера.

Из попутного нефтяного газа можно получать бензин, полиэтилен, синтетический каучук, смолы, топливо. В Нижневартовске, близ знаменитого Самотлора, построен нефтегазоперерабатывающий завод. Предприятие выдает свою продукцию -- сухой газ и так называемую широкую фракцию или нестабильный бензин. Из Нижневартовска в Сургут и Кузбасс по транссибирскому газопроводу ежедневно отправляются миллионы кубометров голубого топлива. Бензин же по железной дороге поступает на нефтехимические предприятия страны.

Столица Самотлора--Нижневартовск--стала крупным центром переработки попутного газа. На одной площадке здесь уже действуют четыре технологические очереди, каждая из которых представляет собой по сути дела самостоятельный завод. Они в состоянии переработать 8 млрд. м³ ценного сырья. Столь внушительного комплекса еще не имела отечественная нефтяная промышленность.

На Самотлорском месторождении уровень использования попутного газа составляет 70%. Объемы переработки растут. Самый крупный завод--Белозерный, мощность которого равна 4 млрд.м³ газа в год.

Сургутская ГРЭС в качестве топлива использует попутный нефтяной газ.

Эффективное сжигание топлива. С помощью рационального сжигания топлива можно добиться уменьшения выбросов в атмосферу. Так, ученые Московского энергетического института разработали специальное устройство в топках парогенераторов для эффективного сжигания различных видов топлива.

Новая схема создает в топке такую аэродинамическую обстановку, что топочные газы поступают в самую активную зону пламени. В зависимости от компоновки горелок можно создать два режима--полного или частичного пересечения топливовоздушных струй. В первом случае при сжигании жидкого или газообразного топлива в активную зону попадает 70--80% инертных примесей. В результате на 30--40% снижается образование серного ангидрида и на 50--60%--оксидов азота. Второй режим предназначен для оптимальной концентрации низкореакционных топлив в ядре горения. При этом выброс вредных оксидов снижается на 20-30%.

Экономия от внедрения новых схем сжигания составляет в год примерно 2 тыс. т условного топлива на один агрегат. Установлено, что в топочном мазуте содержится гораздо меньше азота, чем в твердом топливе, а в природном газе его, как правило, вообще нет. Поэтому при сжигании этих видов топлива сталкиваются с .таким своеобразным явлением: основное количество оксидов образуется из азота, который содержится в воздухе, используемом для поддержания горения. Как сократить величину этих выбросов?

Образование оксидов азота можно ограничить, если в топку котла подавать лишь минимально необходимое для горения количество воздуха и одновременно возвращать часть дымовых газов, покидающих котел. Это уменьшит концентрацию кислорода в топке и температуру факела, что, в конечном счете, замедлит реакцию окисления азота

Реализуя эту обнадеживающую техническую идею, котлостроители спроектировали и организовали производство газомазутных котлов с разноплотными панелями, изготовленными из плавниковых труб. В них смонтированы специально разработанные унифицированные горелки и паромеханические форсунки, которые обеспечивают практически полное выгорание топлива во всем диапазоне рабочих нагрузок. Поставка предприятиями этого оборудования на ТЭС сократила выбросы в атмосферу, как оксидов азота, так и частиц сажи. Одновременно повысились экономичность и надежность оборудования.

Выброс через высокие трубы. На тепловых электростанциях и металлургических заводах сооружают дымовые трубы. У дымовой трубы два назначения: первое -- создавать тягу и тем самым заставлять воздух--обязательный участник процесса горения-- в нужном количестве и с должной скоростью входить в топку;

второе -- отводить продукты горения -- вредные газы и имеющиеся в дыме твердые частицы--в верхние слои атмосферы. Благодаря непрерывному турбулентному движению вредные газы и твердые частицы уносятся далеко от источника их возникновения и рассеиваются.

С введением требований о нормировании содержания вредных веществ в атмосферном воздухе возникла необходимость определять расчетным путем степень разбавления вредных веществ, поступающих в атмосферу из организованных источников выброса. Эти данные используются для сопоставления расчетных концентраций вредных веществ в приземном слое с предельно допустимыми концентрациями этих веществ.

.Для рассеивания сернистого ангидрида, содержащегося в дымовых газах тепловых электростанций, в настоящее время сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и даже 320 м

Дымовая труба стометровой высоты позволяет рассеивать мельчайшие вредные вещества в окружности радиусом 20 км до концентрации, безвредной для человека. Труба высотой 250 м увеличивает радиус рассеивания до 75 км. В ближайшем окружении дымовой трубы создается так называемая теневая зона, в которую совсем не попадают вредные вещества.

КОНТРОЛЬ ЗА УРОВНЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Большое значение имеет лабораторный контроль за состоянием атмосферного воздуха населенных мест. Санитарно-эпидемиологические станции Министерства здравоохранения СССР на стационарных точках определяют диффузное загрязнение атмосферного воздуха, ведут наблюдение на территории промышленных предприятий и вокруг них, изучают зональное распространение выбросов, осваивают и внедряют в практику новые методы определения различных, ингредиентов. Сотрудники станций обобщают результаты лабораторного исследования атмосферы для использования их в практической работе, издают совместно с местными органами Госкомгидромета ежемесячные бюллетени о состоянии воздушной среды городов.

Государственному комитету СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды (Госкомгидромет) и его органам на местах предоставлено право проверять соблюдение норм и правил по охране атмосферного воздуха предприятиями, учреждениями, организациями, стройками и другими объектами независимо от их ведомственной подчиненности, а также при нарушении вносить предложения остановить действующие производственные объекты. В наиболее крупных городах наблюдения за загрязнением воздуха ведутся одновременно в нескольких пунктах. Сеть контроля загрязнения воздуха имеет более тысячи стационарных и 500 маршрутных постов систематических наблюдений, а также подфакельные наблюдения, пункты которых выбираются в зависимости от направления ветра и других факторов. Она решает и оперативные и прогностические задачи оценки загрязнения воздушного бассейна вредными веществами.

Программы включают ежесуточный трехразовый отбор проб на основные загрязняющие вещества: пыль, двуокись серы, двуокись азота, окись углерода, а также специфические--характерные для промышленных предприятий данного города.

Дальнейшее развитие получило и прогнозирование высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха. Прогнозы составляются по 122 городам. В соответствии с ними более чем на тысяче крупных предприятий принимаются оперативные меры по уменьшению вредных выбросов. Новая обязанность Госкомгидромета-- выявлять такие источники и вести надзор за соблюдением норм допустимых выбросов.

Должностным лицам комитета разрешено посещать и контролировать промышленные предприятия, а также налагать соответствующие санкции.

Мукачевский завод комплектных лабораторий выпускает контрольно - измерительный комплекс для исследования загрязнения атмосферы «Пост-1». Это -- стационарная лаборатория. Ее услугами пользуются гидрометеослужба, санитарно-эпидемиологические станции, промышленные предприятия. Она эффективно работает во многих городах страны. Комплекс оснащен автоматическими анализаторами для непрерывной регистрации загрязнения воздуха, имеет оборудование для отбора проб воздуха, которые анализируются в лаборатории. Кроме того, он выполняет и чисто метеорологические функции: измеряет скорость и направление ветра, температуру и влажность воздуха, атмосферное давление.

В 1982 г. завод освоил производство станции «Воздух-1». Назначение станции то же, но проб она отбирает почти в 8 раз больше. Стало быть, повышается и объективность общей оценки состояния воздушного бассейна в радиусе действия станции. Автоматическая станция атмосферы берет на себя функции наблюдательного пункта автоматизированной системы наблюдений и контроля за состоянием атмосферы (АНКОС-А). Именно за такими системами будущее. В Москве действует первая очередь экспериментальной системы АНКОС-А. Кроме метеорологических параметров (направление и скорость ветра) они измеряют содержание в воздухе окиси углерода и двуокиси серы. Создана новая модификация станции «АНКОС-А», которая определяет (кроме вышеупомянутых параметров) и содержание суммы углеводородов, озона и окислов азота.

Информация от автоматических датчиков тут же поступит в диспетчерский центр, и ЭВМ в считанные секунды обработает сообщения с мест. Они будут использоваться для составления своеобразной карты состояния городского воздушного бассейна.

И еще одно преимущество автоматизированной системы: она не просто будет осуществлять контроль, но и даст возможность научно прогнозировать состояние атмосферы в определенных районах города. А значение своевременного и точного прогноза велико. До сих пор фиксировали загрязнения, помогая тем самым устранять их. Прогноз позволит улучшить профилактическую работу, избежать загрязнений атмосферы. Следить за чистотой воздуха--дело очень трудное. И прежде всего потому, что необходимы дистанционные методы исследования.

Первые попытки использовать световой луч для изучения атмосферы относятся к началу XX столетия, когда с этой целью был применен мощный прожектор. С помощью прожекторного зондирования в дальнейшем были получены интересные сведения о строении земной атмосферы. Однако только появление принципиально новых источников света--лазеров--позволило использовать известные явления взаимодействия оптических волн с воздушной средой для исследования ее свойств.

Что это за явления? Прежде всего к ним относится аэрозольное рассеяние. Распространяясь в земной атмосфере, лазерный луч интенсивно рассеивается аэрозолями--твердыми частицами, каплями и кристаллами облаков или туманов. Одновременно лазерный луч рассеивается и за счет колебаний плотности воздуха. Такой вид рассеяния называют молекулярным или релеевским-- в честь английского физика Джона Релея, установившего законы рассеяния света.

В спектре рассеяния света, кроме линий, характеризующих падающий свет, наблюдаются дополнительные, сопровождающие каждую из линий падающего излучения. Различие в -частотах первичной и дополнительных линий характерно для каждого рассеивающего свет газа. Например, послав в атмосферу зеленый луч лазера, сведения об азоте можно получить, определив свойства возникающего красного излучения.

Остановимся на принципиальном устройстве лазерного локатора--лидара--прибора, использующего лазер для зондирования атмосферы.

Лидар по своему устройству напоминает радиолокатор, радар. Антенна радара принимает радиоизлучение, отраженное, например, от летящего самолета. А антенна лидара может принять световое лазерное излучение, отраженное не только от самолета, но и от инверсионного следа, возникающего за самолетом. Только антенна лидара представляет собой светоприемник--зеркало, телескоп либо объектив фотоаппарата, в фокусе которых расположен фотоприемник светового излучения.

Импульс лазера излучен в атмосферу. Длительность лазерного импульса ничтожна (в лидарах часто применяют лазеры с длительностью импульса, равной 30-миллиардным долям секунды). Это означает; что пространственная протяженность такого импульса составляет 4,5 м. Лазерный луч, в отличие от лучей других световых источников, по мере распространения в атмосфере расширяется незначительно. Поэтому светящийся зонд--импульс лазера в каждый момент времени--информирует о всем, что встретилось на его пути. Информация поступает практически мгновенно на антенну лидара--скорость лазерного зонда равна скорости света. Например, с момента лазерной вспышки до регистрации сигнала, вернувшегося с высоты 100 км, пройдет меньше тысячной доли секунды.

Представим, что на пути лазерного луча находится облако. За счет повышенной концентрации частиц в облаке число световых фотонов, рассеянных назад к лидару, увеличится. При работе с электроннолучевым устройством оператор будет наблюдать характерный импульс, аналогичный импульсу от цели при радиолокационном обзоре. Однако облако представляет собой диффузную цель с распределенными в пространстве каплями воды или кристаллами льда. Расстояние до первого сигнала определяет величины нижней границы облачности, последующие сигналы свидетельствуют о толщине облака и его структуре. Основываясь на известных закономерностях, по сигналу рассеяния лазерного излучения можно определить распространение водности, получить сведения о кристаллах в облаке.

В дальнейшем лидарная техника интенсивно развивалась. Современные лидары позволяют обнаруживать скопление частиц на высоте 100 км и более, следить за временной изменчивостью аэрозольных слоев.

Одним из самых перспективных применений лидаров является определение загрязнения воздушного бассейна городов. Лидары позволяют определять газовый состав непосредственно в шлейфах выбросов, на автострадах, по мере удаления источников выбросов. Чувствительность измерений, проводимых с помощью разработанных методов, высока. На приземных трассах протяженностью в сотни метров--километры удалось измерить концентрации двуокиси азота, сернистого ангидрида, озона, этилена, окиси углерода, аммиака.

Если выбрать несколько опорных точек для установки лидара, то можно исследовать площадь в десятки квадратных километров. Получив таким образом картосхемы загрязнений, градостроители анализируют их и результаты используют в проектных работах.

Каковы возможности лазерной локации? Просмотр картосхем дает объективную картину качества городского воздуха. Выявляются зоны повышенных концентраций, тенденции их распространения в зависимости от конкретных метеорологических факторов. Сопоставляя картосхемы загрязнений воздушного бассейна со схемами размещения промышленных предприятий, легко определить вклад каждого из них. На основе этих данных разрабатываются конкретные мероприятия, направленные на оздоровление воздушного бассейна. В перспективе возможно создание автоматизированной системы контроля качества атмосферы города.