Разработка научных основ управления отходами предприятий химической и нефтехимической отрасли

клинга». Одновременно политика ориентирует на «поэтапное введение запрета на захоронение отходов, не прошедших сортировку, механическую и химическую обработку, а также отходов, которые могут быть использованы в качестве вторичного сырья».

Недостаточная изученность рециклинга в системном понимании обусловливает необходимость проведения научных исследований в этом направлении. Закономерен поиск ответа на вопрос о правомерности существования общей теории рециклинга. Многообразие реальных ситуаций вызывало необходимость в рассмотрении огромного числа вариантов локальных задач рециклинга, которые систематизированы лишь частично. Использование материала, накопленного теоретическими и прикладными исследованиями локальной направленности, практикой рециклинга, немыслимо без его упорядочения в рамках общей классификации.

Циклы ресурсосбережения инициировались дефицитом ресурсов, сопутствуя истории цивилизации [1]. Переработка старой бумаги в новую упоминается в 1031 году (Япония), в XIII веке сырьём для 40 бумажных фабрик Италии служили отходы льняных изделий [2]. В 1690 году вблизи Филадельфии начали получать бумагу из макулатуры и тряпья [3]. Японские производители пороха с XVI века использовали как сырьё шлам канализационных отстойников [4]. В 1813 году Benjamin Law разработал процесс переработки отходов шерсти в волокна и ткань (Бетли, Йоркшир). Развитие железнодорожного и автотранспорта, военные действия расширили оборот металлов в начале XX века [5].

Промышленная химия обострила потребность в утилизационных процессах применительно к каменноугольной смоле (А. Гарден, 1819; М. Фарадей, 1825) [6], отходам производства соды (Леблан, 1791). К 1880 году найден способ регенерации серы из сульфида кальция. В начале XIX века (А. Фреснель, 1810; Д. Хэмминг и Г. Дьюар, Э. Сольве) найден иной путь получения соды. Технология обязана успехом химической схеме, основанной на нескольких химических циклах, и существует по настоящее время. В 90-х годах XIX века Д.И. Менделеев отмечал, что «утилизация отбросов … есть превращение бесполезного в ценные по свойствам товары, и это составляет одно из важнейших завоеваний современной техники» [7].

Идея безотходного производства предложена и развита академиками Н.Н. Семёновым, И.В. Петряновым-Соколовым, Б.Н. Ласкориным. Формируются основные принципы безотходных производств (1981, Громов Б.В., Зайцев В.А. и др.) [8]. В 1982-1984 г.г. официально признано определение «безотходной технологии» [9], распространяются термины «безотходное производство» (БП), «безотходная технологическая система» (БТС), «чистая технология» (там же). Возникает концепция экологически ориентированных циклов [10, 11]. Академик Б.Н. Ласкорин и сотр. (1986) [11], развивая идеи академика Н.П. Федоренко, работы В.А. Минца, К.Г. Гофмана, М.А. Лемешева, А. Реймерса, видели необходимость нового научного направления – ресурсологии. Циклические процессы в химической технологии рассматривали Цыганков А.П. и Сенин В.Н. (1988), [12]. Авторы отмечали, что «… при росте циркуляции материалов на каком-то этапе более рационально создать новые участки для выпуска товарной продукции, которые, в свою очередь, получат принадлежащие к сфере их деятельности локальные возвратные связи.

Основоположник теории рециркуляционных процессов химической технологии М.Ф. Нагиев (1978) [29] отмечал, что главным звеном лабильности живых клеток являются рециркуляционные потоки энергетического и материального обмена, создающие устойчивое состояние. На локальном уровне поточных производственных систем химической технологии, металлургии, теплоэнергетики широко применяется рециркуляция – многократное возвращение потоков газов, жидкостей и твердых веществ для регулирования производственного процесса, улучшения использования сырья, утилизации отходов и т.п. [30]. Существуют технические циклы, в которых происходит последовательная деградация материалов. «Нисходящий цикл» (2000) [31] характерен для многих современных методов преобразования отходов. Экологические требования ставят задачу создания «восходящего цикла»: возвращение в промышленные системы материалов с улучшившимся, а не ухудшившимся качеством.

За основу разработки авторских технологий рециклинга была положена аналогия между техногенным и биогенным циклами (рис. 1А). Анализом отмечена неразвитость индустриальных систем регенерации как технических аналогов редуцентов экосистем. Показано, что системы регенерации являются циклообразующими составляющими рециклинга.

Сущность предлагаемого циклоцентрического подхода (ЦЦП) заключается в том, что рециклинг – сеть циклов, где материальный поток меняет свои параметры и статус в цепи состояний: сырье → полупродукт → произведенная продукция (и отходы производства) → вторичный ресурс → сырье (рис. 1Б). Циклообразующая стадия – трансформация отхода во вторичный ресурс. При ЦЦП отход является одним из состояний материального объекта на одной из стадий его жизненного цикла (ЖЦ), объекты управления – процессы в элементах сетей рециклинга (СР) и сами сети. На качество цикла влияют все стадии и иерархические уровни (рис. 2).

С технических позиций рециклинг является масштабным проявлением рециркуляции. Идеальная модель рециклинга соответствует известной концепции «ноль отходов». Формирование СР становится главной целью при заданных ограничениях. Элементы и связи этой сети являются средствами продвижения к цели. Под элементами понимаются продукционные, потребительские и регенерационные единицы, под связями – непрерывные и дискретные потоки веществ, материалов, изделий.

Предлагаемый ЦЦП основан на трех положениях: 1) рециклинг – иерархическая сеть мате-

А)                                        Б)

Рис. 1. Биогенный и техногенный циклы:

А) Аналогия циклов; Б) Смена статуса материального потока в рециклинге;

R – каналы СР; B – захоронение; D – депонирование с установленной возможностью утилизации;

S – рассеивание в окружающей среде; I– сжигание без энергоутилизации; I_R – сжигание с энергоутилизацией

Разделение

Вторичное использование

Рециклин!

Обезврежи-

Предотвращение Снижение

рецик.цпиа

Физико-химические

II биохимические системы

Продукционны системы

Рис. 2. Отходоцентрический и циклоцентрический подходы:

А) иерархия управления отходами: Директива 75/442/ЕЭС;

Б) иерархия технических решений рециклинга на стадиях генезиса и трансформации отходов.

Проектирование СР

Процессноаппаратурные единицы

Разработка и реинжиниринг продукционных систем, технологических модулей и комплексов обработки отходов, побочных и попутных продуктов

Разработка техники, оптимизация конструктивных и технологических параметров

Катализ, ингибирование, «зеленые» растворители, цифровые технологии фотоизображений

риальных потоков, в которой отходы являются одним из состояний; 2) объектами исследования, проектирования и управления являются процессы, технологии и сети рециклинга; 3) безопасный выход материального потока из техногенного в природный цикл обеспечивается ассимиляционными технологиями. Обращение с отходами трансформируется в менеджмент цикла и сетей рециклинга.

На основе системного анализа предложены три аксиомы рециклинга: 1) утилизация – звено цепи в сетях рециклинга; 2) эволюция сетей рециклинга – отклик на изменения социотехно-природных (потребительских, продукционных и природных) систем; 3) жизненный цикл сети рециклинга проходит этапы возникновения, развития, стабилизации, упадка, ликвидации. Следствием аксиом является необходимость синхронизации разработок продукционных и регенерационных подсистем рециклинга. Центральным звеном служит понятие собственно отходов, особенностью которого является его относительность: отход перестает быть таковым при появлении нового собственника, для которого потребительские свойства материального объекта не утрачены.

Определена иерархия циклов материальных потоков и приоритетность решений на возможно более низком уровне локализации (рис. 3).

Все уровни иерархии системы могут «работать» на ресурсосбережение, реализуя специфический для каждого из них механизм. Взаимодействие циклов, механизм и последствия такого взаимодействия определяются взаимопроникновением технологий.

Предложена общая классификация рециклинга (рис. 4) с выделением 8 ключевых признаков, присущих реальным системам.

Создание и развитие СР основано на комбинировании технологий рециклинга для организации циклов. Географически распределённая структура объединяет множество технологических процессов, выполняющих исходные функции совместно с адаптированными функциями рециклинга. Интеграция начинается межаппаратным циклом (простой контур), типичным для технологий с рециркуляцией (непрореагировавших компонентов сырья, растворителей, катализатора в контуре «реактор-регенератор» и т.д.). Более высокий уровень имеют циклы, выходящие за границы технологической установки (каскад контуров и т.д.). Качество рециклата определяет иерархию приоритетов использования отходов. При выходе за допустимые границы качества рециклат выводится из контура (открытый контур) в другую продукционную систему. Для ориентации и развития сетей рециклинга предложена классификация технологий с выделением трех признаков и формулировкой их основных видов (рис. 5).

Базисные технологии рециклинга – функционирующие в широком диапазоне колебаний состава основного сырья и способные вовлекать в переработку или для использования отходы извне.

Сателлитные технологии рециклинга – дополняющие технологии-источники отходов (базисные технологии), переработка отходов интегрируется в специфическую часть производственного комплекса.

Автономные технологии – создаваемые исключительно для решения проблемы отходов без интеграции с базовыми технологиями.

Гибридные технологии – для совместной переработки промышленных и коммунальных отходов. Существуют тенденции увеличения числа гибридных технологий и трансформации базисных технологий в гибридные.

Ассимиляционные технологии – обеспечивающие экологически безопасный вывод материальных потоков из техногенных в природные циклы с полезным эффектом. При проектировании

Рециклинг

Рис. 3. Иерархия циклов материальных потоков

• 9)    глобальный техно-природный цикл |

• 8)    группа регионов

• 7)    pei ион

• 6)    промышленный узел

  Рециркуляция

  
  

• 5)    предприятие

• 4)    технологическая установка

• 3)    процессно-аппаратурная единица

• 2)    зона подпроцесса

• 1)    атомно-молекулярный

  
  
  
  
  
  

  Контурный признак

  
  
  
  

  По доле возврата в цикл

  
  

  Временной признак

  
  
  
  
  
  
  

  По информационному обеспечению

  
  

  ~ | Вложенный контур

  • - | Сопряженный контур |

  • - | Параллельные контуры |

  • - | Каскад контуров ~

  
  

  Полный рециклинг

  
  

  Дробный рециклинг

  
  

  Парциальный рециклинг

  
  

  - | Непрерывный

  - | Полунепрерывный |

  - | Переодический

  
  

  Традиционное

  
  

  Кадастровое

  Навигационноинформационное (ГЛОНАСС)

  
  

  Простой контур

  
  

  ^L Комбинированное

  
  

  - |    Закрытый контур

  -|   Открытый кошур

  
  
  
  
  

  По форме организационной интеграции

  
  
  

  По качеству рециклата

  
  

  Потребительский рециклинг

  
  

  Продукционный рециклинг

  
  
  
  

  По логистическому _t признаку

  
  

  Первичный рециклинг

  
  
  
  

  По информационному \ обеспечению

  
  

  Технологический рециклинг (рециркуляция)

  
  

  Макрологическая система рециклинга

  
  

  Вторичный рециклинг

  
  

  Глобальный рециклинг

  
  

  Корпоративный рециклинг

  
  

  Третичный рециклинг

  
  

  Региональный рециклинг

  
  

  Внутрнотраслевой рециклинг

  
  

  Микрологическая система рециклинга Специализированная логическая система рециклинга

  
  

  _ Четвертичный рециклинг

  
  

  Муниципальный рециклинг

  
  

  Межотраслевой рециклинг

  
  

  Интегрированная логистическая система рециклинга

  
  

  Внутрикластерный рециклинг

  
  

  С толкающей логистической цепью

  
  

  Межкластерный рециклинг

  
  

С тянущей логистической цепью

Рис. 4. Классификационные признаки и виды рециклинга

Рис. 5. Классификационные признаки и виды технологий рециклинга

СР приоритетным критерием выбора технологий является генетический признак, определяющий форму адаптации технологий в сетях рециклинга.

Структурный синтез сетей рециклинга является одним из главных инструментов циклоцентрического подхода. Сущность структурного синтеза заключается в том, что множество отходов превращается множеством процессов во множество вторичных материальных ресурсов и/или продукции. Обобщение изложенных теоретических положений позволяет сформулировать принципы построения сетей рециклинга в техноприродных кластерах:

• •    принцип оптимального распределения воздействий элементов цикла на окружающую среду с минимизацией совокупного воздействия;

• •    принцип приоритета решений проблем рециклинга при проектировании продукции, в начале цепи, на низших локальных уровнях иерархии циклов;

• •    принцип иерархического единства локализации, дифференциации, сетевой интеграции циклов и технологий рециклинга;

• •    принцип сочетания внутрикластерного рециклинга и горизонтальной межкластерной интеграции;

• •    принцип выделения критических компонентов и критических структурных элементов цикла;

• •    принцип включения ассимиляционных технологий при выводе ресурсов из антропогенного в природный цикл.

Понимание эволюции рециклинга, применение иерархических структур и топологии сетей, целенаправленное использование предложенных классификаций, положений ресинтеза позволяют создавать достаточно сложные технологии различных иерархических уровней вплоть до приближения циклов к полной ассимиляции окружающей средой [32, 33]. Использование теории анализа, синтеза и методов автоматизированного расчета химико-технологических систем к анализу и синтезу сети рециклинга вносит алгоритмизацию в формирование инженерного базиса рециклинга.

Масштабная иерархия является главным фактором при создании сети рециклинга. Уровень рециклинга определяется совокупностью целей и адекватных структур по их достижению при определенных внешних и внутренних условиях существования системы (ограничениях). Иллюстрация циклоцентрического подхода изложена на основе авторских разработок, выполненных при решении конкретных производственных проблем рационального использования отходов и вторичных ресурсов в различных отраслях промышленности.