Технологические предпосылки рационального использования природно-сырьевых ресурсов

При помощи технологических систем общество может извлекать и перерабатывать природно­сырьевые ресурсы, а затем потреблять изготовленные на их основе продукты труда. Несовершенство взаимоотношений «технология-потребление» породило современный экологический кризис. Для того чтобы изменить цель развития общества и осуществить переход от расточительного к рациональному природопользованию, необходимо изменить технологический уклад промышленности.

Анализ возможных изменений технологического уклада промышленности позволяет системати­зировать основные направления перехода от расточительного к рациональному природопользованию:

— совершенствование техники и технологии;

— максимальное извлечение ресурсов при добыче и их переработке;

— разведка и освоение новых месторождений;

— комплексное использование ресурсов;

— рационализация структуры потребления и экономии ресурсов;

— повышение качества продукции;

— замена исчерпаемых ресурсов на нетрадиционные;

— ликвидация потерь ресурсов;

— использование отходов производства и потребления;

— строительство очистных сооружений.

В топливно-энергетическом комплексе Казахстана существует значительное отставание приме­няемых технологических систем от лучших мировых образцов. Кроме того, ухудшение горно­геологических условий, например, средняя глубина нефтяных скважин составляет более 2300 м, при низком технологическом уровне заметно сказывается на удорожании и эффективности горно­добывающих работ. Глубина переработки нефти составляет в Италии и во Франции — 68 %, Германии и Великобритании — 79, США — 91, в то время как в Казахстане — не более 50 %. Благодаря этому при перегонке нефти получается недопустимо большое количество мазута, который по стоимостной эффективности применения не сравним ни с автобензином, ни с моторными маслами и т.д.

В газовой промышленности наметились перемены от преимущественно топливного использова­ния газа к увеличению доли технологической переработки, но, тем не менее, до сих пор на нефтега­зовых скважинах попутный газ в большинстве случаев сжигается.

В угольной промышленности за последнее время выросла зольность добываемого угля, которая повысилась по Карагандинскому бассейну с 31,6 до 36,2 %. Увеличение зольности угля вызвало уменьшение примерно на 10 % теплоты сгорания на ТЭС и соответствующий рост пылегазообразных выбросов. Для уменьшения этих негативных последствий требуется увеличение уровня переработки углей на обогатительных фабриках, который повысился в Казахстане с 25 до 36 %. Тем не менее уро­вень переработки угля ведущими странами составляет более 60 % — в США, 75 — в Австралии, 80 —   в Германии, 90 % — в Великобритании.

В строительной промышленности производство цемента прогрессивным «сухим» способом, обеспечивающим существенную экономию топливно-энергетических ресурсов, по сравнению с «мокрым» способом, составляет в стране всего 15 %, в то время как в США — 56, Японии — 78, Германии — 90 %. Отсутствие качественных технологий вынуждает нести огромные энергозатраты на производство цемента с низкой конечной результативностью.

Наиболее полное извлечение минерально-сырьевых ресурсов из разрабатываемых месторожде­ний является актуальной задачей в горно-добывающей промышленности. В отличие от стадий пере­работки сырья и производства готовой продукции, где образующиеся отходы могут быть достаточно эффективно использованы, в горно-добывающей отрасли потери минерального сырья являются в большинстве своем безвозвратными. В минерально-сырьевом комплексе при добыче сырья теряется: угля до 30-40 %, руд цветных и черным металлов — 20-25, газа — 50, нефти — 70 %. Данный уро­вень потерь является, по существу, дополнительным источником сокращения запасов полезных ис­копаемых. Поэтому при построении вероятных прогнозов истощения природно-сырьевых ресурсов необходимо раздельно учитывать ежегодную добычу минерального сырья и потери при разработке месторождений. В результате расчетов запасов некоторых видов природных ресурсов может хватить всего лишь на два-три десятилетия.

Неполное извлечение сырья при разработке месторождений полезных ископаемых и их дальней­шей переработке является результатом технологического несовершенства материального производства. При обогащении безвозвратно теряется в среднем около 26 % железной руды, что обусловлено неуст­ранимым на сегодня несовершенством технологии ее обогащения. С учетом всех переделов теряется около 60 % металла, из которых 25 — приходится на добычу, 26 — на обогащение, 7-8 — на доменный передел, 3-5 — на сталеплавильное производство, 2-4 % — на прокатное производство.

Следует отметить, что процесс повторной добычи недоизвлеченных природных ресурсов явля­ется дорогостоящим мероприятием. Так, например, издержки по добыче вторичной нефти в США составляют: при закачке пара 153-204 долл./т, внутрипластовом давлении — 183-263 долл./т, закачке углекислого газа — 190-285 долл./т, закачке полимеров — 219-336 долл./т, в то время как себестои­мость первичной добычи нефти — 7-70 долл./т. В угольной промышленности на каждые 10 м увели­чения средней глубины разработки расход электроэнергии на подъем угля по вертикальным стволам увеличивается на 15 %. Увеличение глубины шахты с 200 до 600 м приводит к росту расхода элек­троэнергии на 1 т угля на 13 кВт/ч, а с 600 до 1000 м — более чем на 30 кВт/ч. В цветной металлур­гии недоизвлечение полезных компонентов оборачивается большими затратами, поскольку на каж­дую тонну металла приходится добывать от 1 до 5 тыс.т вскрышных пород, а при обогащении руд цветных металлов образуется от 30 до 100 т отвальных хвостов.

Поиск и разработка новых месторождений позволяют расширить перспективы общественного производства в использовании природных ресурсов. Несколько десятилетий назад открытие новых месторождений давало толчок развитию всего народного хозяйства, поскольку многие месторожде­ния обладали крупными запасами, залегали на небольшой глубине, требовали относительно невысо­ких затрат на освоение и транспортировку к основным потребителям и т.д. Сегодня ситуация прин- ципиально изменилась, так как поиск месторождений ведется не столько для того, чтобы дать им­пульс развитию народного хозяйства, сколько из-за многократно возросших потребностей в природ­ных ресурсах. Причем разработка новых месторождений сопровождается другим уровнем затрат в связи с ухудшением горно-геологических условий и уменьшением общего количества крупных и уникальных по своим запасам месторождений полезных ископаемых.

Вторым отличием является ухудшение горно-геологических работ. По нефти средняя глубина добычи за последние 40 лет выросла почти в 3 раза, добыча природного газа ведется с глубины в 4 км. В угольной промышленности более половины шахт имеют глубину разработки от 700 до 1000 м, в черной и цветной металлургии средняя глубина карьеров увеличивается соответственно на 10-12 и 20-30 метров ежегодно.

Третьей отличительной чертой геолого-разведочных работ являются высокие затраты на поиск и освоение новых месторождений. Например, в США в условиях значительного истощения запасов нефти, когда в среднем на десять разведочных скважин приходится одно месторождение нефти и газа, считается экономически выгодной разработка запасов сырья уже менее 100 тыс.т на одно место­рождение. Между тем масштабы и запасы месторождений существенно сказываются на эффективно­сти как поисковых, так и добывающих работ. Например, по некоторым данным, увеличение запасов месторождения с 5 до 50 млн.т. нефти или эквивалентного количества природного газа приводят к уменьшению издержек добычи почти в 3 раза, с 50 до 100 млн.т. — на 20 %, со 100 до 200 млн.т — на 10 % [1]. На издержках по добыче нефти и газа сказываются не только величина запасов месторожде­ния, но и условия залегания. Так, при глубине залегания от 1 до 2 км издержки добычи возрастают в 1,6 раза, с 2 до 4 км — вдвое, с 4 до 8 км — в один раз. Хотя в нефтегазовом комплексе считается эф­фективным соотношение, когда один вложенный доллар дает около 10 долларов дохода, тем не менее различные условия эксплуатации месторождений могут существенно сказаться на снижении резуль­тативности горно-добывающих работ.

Как правило, все природные ресурсы являются многокомпонентными по своему химическому составу, поэтому с позиций рационального природопользования ориентация производства на извле­чение монопродукта не представляется дальновидной. Так, например, в добываемой нефти наряду с углеродом и водородом присутствуют сера, азот и кислород, составляющие 5-7 % от всего объема нефти. Помимо этого, в нефти обнаружено более 40 химических элементов, таких как железо, хром, марганец, ванадий, кобальт, никель, титан, стронций и т.д. В газовой промышленности из-за низкого уровня комплексного использования сырья ежегодно теряется до 9 млн.т ценного углеводородного сырья (этана, пропана, бутана), около 1 млн.куб.м гелия и 0,4 млн.серы. В химической промышлен­ности из природного и попутного газов производят аммиак, метанол, сажу, ацетон, этилен, пропилен, серу и т.д.

В угольной промышленности на 1 т добываемых углей приходится в среднем 7 куб.м чистого метана (в Карагандинском бассейне на 1 угля — 19 куб.м метана). Помимо этого, в угольной про­мышленности объем учтенных отвалов составляет около 10 млрд. куб.м, представляющих значитель­ный интерес для производства строительных материалов и дорожных работ. В добываемых углях со­держится до 10 млн.серы, а при их переработке на 1 т шихты образуется: коксового газа — 300-350 куб.м, смолы — 30-35 кг, сырого бензола — 15 кг. Из 1 куб.м коксового газа получают 100-120 г смолы, 30-40 бензольных углеводородов, 8-13 г аммиака, 5-30 г сероводорода, 250-450 г водяных паров, до 10 г нафталина.

В энергетике, по некоторым данным, только при сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую среду поступает больше, чем добывается из недр: магния — в 1,5 раза, молибдена — в 3 раза, мышьяка — в 7, урана, титана — в 10, алюминия, йода, кобальта — в 15, ртути — в 50, лития, ванадия, стронция, бериллия, циркония — в сотни раз, гелия, германия — в тысячи раз, иттрия — в десятки тысяч раз больше [2].

В цветной металлургии из месторождений многокомпонентных руд извлекается более 70 эле­ментов, из них почти все серебро, висмут, платина, более 20 % золота, 30 — серы, 10 — цинка, свин­ца. Высокую эффективность представляет переработка отходов глиноземного производства, так на­зываемых красных шламов, которые содержат: железа — 30-33 %, оксида алюминия — 12-30, диок­сида титана — 2-4, диоксида ванадия — 0,2, а также цирконий, гелий, ниобий, скандий и т.д.

Внедрение и использование ресурсосберегающих технологий в промышленности, особенно на заключительных стадиях изготовления продукта, могло бы оптимизировать существующую структу­ру потребления природных ресурсов. Так, например, если принять себестоимость 1 т железной руды за единицу, то в чугуне будет овеществлено труда в 2,5 раза больше, в стали — в 3,5 раза, в прокате —   в 6-7 раз, а в машинах и оборудовании — в 50-100 раз больше. Следовательно, экономия металла в машиностроении всего лишь на несколько процентов за счет внедрения достижений научно­технического прогресса оборачивается сокращением потребления природных ресурсов по всему тех­нологическому циклу.

Использование природных ресурсов в народном хозяйстве и продуктов их переработки постави­ло проблему качества производимой продукции на первый план. Повышая качество всего спектра товаров, удается не только увеличить долговечность их службы, но и уменьшить потребности обще­ства в природных ресурсах и сократить загрязнение окружающей среды. Например, трубы, изготов­ленные для нефтепроводов, подвергаясь сильному воздействию серы, обычно служат не более 2-3 лет, после чего они требуют замены. Трубы, сделанные с учетом эксплуатации в агрессивной среде, используются до 20 лет, а некоторые новые виды труб, изготовленных из пластмасс, могут не выхо­дить из строя до 100 лет. Таким образом, при повышении качества продукции в несколько раз авто­матически удается сократить потребность в полезных ископаемых.

Аналогичные проблемы стоят перед металлургическими и машиностроительными предприятия­ми, где за счет современных методов обработки металла удается повысить антикоррозийный срок его службы с 5-6 до 20-30 лет и более. Замена черных металлов цветными также позволяет обеспечить эффективное их использование. Огромное значение для охраны окружающей среды имеет повыше­ние качества продуктов переработки природного сырья. В угольной промышленности вследствие вы­сокой зольности добываемого угля наличие обогатительных фабрик, где осуществляется отделение угля от породы, позволяет поднять значительно коэффициент полезного действия тепловых станций и снизить объемы перевозок пустой породы железнодорожным транспортом, но и обеспечить сокра­щение выбросов десятков миллионов тонн золы в окружающую среду. Обогатительное производство в металлургии позволяет также поднять уровень концентрации металла, что благоприятно сказывает­ся на эффективности работы доменных печей и уменьшении вредных выбросов в природную среду.

Ввиду высокой потребности в сырье и наличия проблемы исчерпаемости замена традиционных видов ресурсов на альтернативные касается прежде всего энергетического сырья. Поиск заменителя нефти и газа происходит вследствие нехватки традиционного сырья и высокой нагрузки на окру­жающую среду. В соответствии с классификацией ООН к альтернативным источникам энергии отно­сятся следующие: солнечная, геотермальная, ветровая, приливная, энергия морских волн, тепловая энергия океана, энергия продуктов переработки биомассы, дрова, древесный уголь, мускульная энер­гия животных, торф, горючие сланцы, битуминозные пески, гидроэнергия.

Энергетический потенциал альтернативных источников превышает потенциал традиционных источников энергетического сырья во много тысяч раз. Так, например, годовой приход только сол­нечной энергии на Земле составляет 120 трлн.т у.т, в то время как мировые запасы органического то­плива равны 6 трлн.т у.т. Другой положительной чертой альтернативных источников энергии являет­ся значительно меньшая нагрузка на окружающую среду. Основным недостатком новых энергетиче­ских ресурсов считается непостоянство выработки энергии вследствие прихода, например, солнечной энергии на Землю только днем, когда нет облаков, или ветроустановок, работающих при наличии ветра.

Вторым главным недостатком альтернативных источников энергии является высокая стоимость на выработку 1 кВт.ч. Хотя за последние годы себестоимость электроэнергии, полученной за счет использования новых источников энергии, понизилась во много раз, все же она не является конку­рентоспособной с получением энергии традиционными способами. Тем не менее в США для отопле­ния зданий действует около 400 тыс. гелиоустановок, в Японии — более 150 000. В Дании использу­ется более 3,5 тыс. ветроагрегатов, которые вырабатывают 2,3 % всей производимой энергии в стра­не, использование гидропотенциала позволяет Норвегии 99 % всей энергии получать за счет ГЭС, в Бразилии — 87, Канаде — 67 % и т.д.

Потери природно-сырьевых ресурсов имеются на всех стадиях их использования и переработки. В своей основе эти потери имеют неустранимые на сегодня технологические причины, но, тем не ме­нее, представления о дополнительных возможностях, полученных за счет уменьшения величины по­терь, представляются весьма значительными. Так, например, потери полезных ископаемых при до­быче в процентах от погашенных запасов составляют: уголь — 12, железная руда — 3,6, хромовая руда — 27,6, горючие сланцы — 28,6, калийные соли — 60,6, фосфоритная руда — 6,1 %. Потери указанных видов природных ресурсов являются безвозвратными, поскольку при добыче они, пере­мешиваясь с пустой породой, теряют свое значение в связи с понижением концентрации основного компонента. Повторная переработка может иметь место только в том случае, если в отвалах горно- обогатительного комбината концентрация основного компонента станет превышать показатели до­бычи на месторождении. Огромные потери природных ресурсов происходят при транспортировке и их доставке до конечного потребителя. Доставка угля до потребителя по железной дороге вызывает потери вследствие его выдувания. Транспортировка электроэнергии по линиям электропередач, на­пример, в 5 млн.км, приводит к потерям 10 % на каждую тысячу километров, что эквивалентно добы­че дополнительно 40-45 млн.т топлива для производства электроэнергии.

Существенные размеры технологических потерь закладываются на стадиях обогащения сырье­вого компонента и его дальнейшей обработки в металлургическом переделе. Так, если обогащение угля вызывает потери в размере около 1 %, то в металлургии она на несколько порядков выше. В на­стоящее время основные потери металлов в процессах горно-металлургического производства допус­каются: при добыче — до 15-20, при обогащении — до 60-70 и в металлургическом переделе — до 15-20 %. К примеру, при обогащении железа безвозвратно теряется 25 % сырья, меди — 13, никеля

—    10, свинца — 20, олова — 36, марганца — 25 %. В металлургическом производстве при производ­стве металла теряется железа — 9 %, меди — 4, никеля — 6, цинка — 5, олова — 4, марганца — до 40 %. Поэтому сокращение потерь всех видов природных ресурсов представляет собой важную зада­чу, позволяющую повысить эффективность использования сырья в процессе производства, умень­шить объемы извлечения природных ресурсов из недр.

Объемы перерабатываемого минерального сырья в народном хозяйстве достигли такого уровня, что отвалы предприятий, предназначенные для хранения образующихся отходов, уже давно превра­тились в настоящие месторождения полезных ископаемых. По оценке отечественных специалистов, только в отходах цветной металлургии содержится меди около 2 млн.т, свинца — 1,4 млн.т, цинка — 27,7 млн.т, серебра — 3,4 тыс. т. Сегодня представляется выгодной переориентация части объемов геолого-разведочных работ с поиска и открытия новых месторождений на подробное изучение веще­ственного содержания отвалов предприятий различных отраслей. Находящиеся там отходы являются продуктом переработки в производственном процессе и имеют высокую концентрацию полезных компонентов, которая не уступает, а часто и превышает по качеству полезные ископаемые в природ­ных месторождениях. Не случайно, у ведущих стран так высока доля вторичных ресурсов в произ­водственных процессах. Так, в США доля вторичных металлов при производстве алюминия состав­ляет 25,2 %, меди — 48, свинца — 56,8, цинка — 37; в Японии — 38,3; 35,7 и 38 % соответствен­но [3]. Повторное использование металлов в Японии составляет 98 %, шлаков — 75, золы — 45 %. В Казахстане перерабатывается не более 2 % всех накопленных твердых отходов горно­металлургического комплекса, а переработка золошлаковых отходов составляет 3,7 %.

Использование вторичных ресурсов в промышленном производстве характеризуется значитель­ным экономическим эффектом. Затраты на подготовку металлического лома к утилизации в 4-5 раз ниже, чем затраты на производство чугуна. Утилизация 1 т лома позволит сэкономить 5,3 т сырой железной руды, 1,5 т коксующихся углей, 7,5 тыс.кВт.ч электроэнергии, способствуя сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу в 7,5 раза, загрязнению воды — в 4 раза, загрязнению возду­ха — на 86 %, количества образующихся отходов — в 16 раз.

Список литературы

1. Проблемы геолого-экономической оценки ресурсов нефти и газа. — М.: Наука, 1989. — 48 с.
2. Фурсов В.И. Экологические проблемы окружающей среды. — Алма-Ата, 1991. — 106 с.
3. Сатыбалдин О.Б, Лагунов В А. Ресурсосбережение и эффективность горно-металлургического производства Казахста­на. — Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1989. — С. 180.