Основные направления технических решений, обеспечивающих устойчивое развитие общества и природы

© Е.А. Ельчанинов, М.В. Тарасова, 2003

YAK 622.014.3:502.76

Е.А. Ельчанинов, М.В. Тарасова

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ YСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ОБЩЕСТВА И ПРИРОАЫ

В связи с возникновением и развитием экологического кризиса на планете Земля околоземном космическом пространстве, вызванного чрезмерным потреблением человеческим сообществом природных ресурсов и катастрофическим возрастанием нагрузки на окружающую среду, элитой человечества разработана и предлагается всему сообществу Концепция устойчивого развития. При этом в понятие устойчивого развития вложено не достаточно корректное определение -гармоничное развитие общества, природы и технического прогресса. К сожалению в этом определении не сформулирована цель жизни как отдельного индивидуума, так и в целом сообщества какими путями продвигаться к гармонии.

Как можно достичь гармонии в уже сложившейся ситуации? Известно, что ведущие страны мира (промышленно развитые) потребляют до 70% всех добываемых сырьевых ресурсов, а США имея 6% населения потребляют 40% валового мирового продукта. Как заставить их делиться с развивающимися странами в сложившихся условиях? Следовательно говоря об устойчивом развитии необходимо определить направления и параметры этого развития, а также обозначить основные этапы устранения дезгармонии.

Человек с детских лет привыкает к всеобъемлющему понятию окружающего его материального мира - среды обитания человека. В своей деятельности он использует природные ресурсы для удовлетворения потребностей не задумываясь о существовании естественного Закона ограниченности природных ресурсов, который гласит: все природные ресурсы Земли конечны. Следо-

вательно необходимо помнить, что любые ресурсы Земли, как планеты ограниченного размера, конечны либо по количеству, либо по возможностям их использования без резкого нарушения среды обитания, в том числе человека. Например, известные человечеству энергетические источники могут дать необозримое количество энергии, но использовать ее без перегрева тропосферы планеты можно лишь в объеме 1% от энергии, приходящей к Земле от Солнца.

Из популярной и научнотехнической литературы известно, что к неисчерпаемы ресурсам относят энергетические возможности солнечной энергии, пологая, что солнечная энергия дает практически неисчерпаемый источник получения полезной энергии. Однако ошибка состоит в том, что не учитываются ограничения, накладываемые самой энергией биосферы, антропогенное изменение которой сверх допустимого, по правилу одного процента, чревато серьезными последствиями. Искусственное привнесение энергии в биосферу в наше время уже достигло запредельных значений.

Практически все ресурсы планеты и околоземного космоса ограничены либо прямо - физически, либо косвенно, через изменение биологической, химической и физической среды жизни. При этом необходимо обратить внимание на то, что нередко экологические пределы эксплуатации ресурса наступают раньше его экологического исчерпания.

Рассмотрим подробно энергетическую проблему с точки зрения гармоничного (устойчивого) ее развития и взаимодействия с окружающим миром.

Потребление энергии является необходимым условием суще-

ствования человечества. Исторический путь развития цивилизации характеризуется неуклонным стремлением к экономическому росту и техническому прогрессу, которые определяются уровнем потребления энергии. Рост потребления энергии происходит спонтанно, не зависимо от воли человека. Количество вещества и энергий, поступающих в природный процесс в общем случае можно установить путем сопоставления уравнений материального энергетического баланса технологического процесса:

Мв = Мпр. + Мов. Ев = Епр. + Еве, где Мв. - масса веществ, участвующих в технологическом процессе; Мпр. - масса веществ, входящих в продукцию технологического процесса; МОВ. - масса веществ, составляющих отходы и выбросы; Ев. - количество энергии, вводимой в технологический процесс; Епр. - количество энергии, израсходованной на производство продукции; Еве. - количество энергии, выделяющейся в природную среду.

Единственный источник энергии почти для всех природных процессов, развивающихся в биосфере, как уже отмечалось, солнечная радиация.

Поток солнечной радиации на среднем расстоянии Земли от Солнца приблизительно равен 4,19.104 Дж/м2год, а на единицу поверхности в среднем поступает часть от общей величины потока или 8 6.103 Дж/м2год. Еще меньше энергии поглощается Землей. Нагретая поверхность Земли становится источником длинноволнового излучения, нагревающего атмосферу. Атмосфера задерживает частично длинноволновое излучение и в виде противоизлучения возвращает его земной поверхности.

Отражение длинноволнового излучения в атмосфере происходит за счет накопления так называемых парниковых газов, в частности СО2 и СИ4.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый,

или биологический. Оба круговорота представляют единый процесс и здесь наблюдается достаточно четкая гармония внутри природной среды. Установлено, что связанная энергия в биомассе суши, приблизительно равна 4.1019-20 кДж, в корнях и гумусе почв - 4.1019-20 кДж, в растворенном органическом веществе океана - 4.1019 кДж. Совершенно иная картина наблюдается при целевой выработке энергии цивилизованным и промышленно развитым обществом. Так 80% ее производится сжиганием органического энергоносителя, что приводит к выбросу в атмосферу диоксина углерода (СО2) и резкое снижение содержания кислорода, что является, как выше указывалось, не безопасным.

Учитывая, что главными составными элементами живого вещества являются кислород (6570%) и водород (10%), поэтому снижение кислорода в атмосфере усугубляет экологический кризис. В настоящее время, в ряде промышленно развитых регионов Земного шара, содержание кислорода в атмоефере отмечается в пределах 19,8%, что значительно ниже известного природного уровня 20,95%. Восстановление кислородного баланса в природе стало весьма проблематично, так как сегодня леса на планете Земля исчезают со скоростью 20 га в минуту, а площадь тропических лесов сокращается ежегодно примерно на 1%. Расход же энергии на 1 человека постоянно возрастает и за последние 200 лет вырос в 60 раз, достигнув 70 тыс. ккал/сутки, а в индустриально развитых странах 230-250 тыс. ккал/сутки, технический прогресс требует постоянного наращивания энергетических мощностей и изыскания новых источников энергии.

Концепция устойчивого развития призывает рассматривать в единстве экологические, экономические и социальные процессы. Однако одними призывами к населению осваивать экологически безопасные способы природопользования, ограничить свои потребности, гуманно относится к природе и т.д. не решить этой проблемы.

Рассматривая концепцию и размышляя над путями ее реализации возникают пути решения: первый - необходимость обеспечения человечества неограниченными возможностями, к широко доступным и неисчерпаемым дешевым энергетическим ресурсам, чтобы можно было организовать добычу и переработку минеральных ресурсов любого содержания и концентрации, даже из морской воды и атмосферы; второй - решить широкомасштабно проблему вторичного использования тепловой энергии выбрасываемой в атмосферу в виде низкопотенциальных источников, что позволит исключить перегрев биосферы на ближайшие 100-150 лет,

В настоящее время энергетическая способность энергоносителей, при производстве тепловой и электрической энергии, используется на 60-75%, а 2540% выбрасывается в окружающую среду в виде тепловой энергии. При использовании в промышленном производстве (плавка, сушка, агломерация и т.д.) эти потери достигают 45-50%. В окружающую среду выбрасываются газовые и воздушные потоки с температурой 65-420 °С. Одновременно на этих промышленных предприятиях действуют водоотливные и аспирационные системы, которые также ежеминутно выбрасывают в окружающую среду от 3,5.105 до 7,2.105 кДж низкопотенциальной теплоты.

Огромное количество тепловой энергии выбрасываемое в атмосферу техногенными процессами приводит к ее разогреву и негативному воздействию на биосферу. Это происходит на фоне роста дефицита энергоносителей и цен на них, многомиллиардных затратах на активный поиск новых источников энергии, вообще, и в частности, тепловой. Одним из, широко известных, направлений поиска является использование источников низкопотенциальной тепловой энергии, имеющихся в природных условиях, а также создаваемых промышленными предприятиями окружающей среде.

В связи с этим считаем основными задачами решения про-

блемы устойчивого развития, как энергетики, так и общества являются:

• разработка перспективных технологических процессов трансформации энергии твердых топлив в электрическую и тепловую энергию путем использования парогазовых технологий с внутрицикловой газификацией твердых топлив, повышения параметров пара и совершенствования термодинамического цикла и оборудования как для новых мощных ТЭС и ТЭЦ, так и для их технического перевооружения;

• разработка перспектив-

ных технологических процессов трансформации энергии природного газа в тепловую и электрическую энергию на новых мощных ТЭС и ТЭЦ, путем использования парогазовых технологий различного типа, создания перспективных мощных высокотемпературных паротурбинных установок при частичных нагрузках, многоконтурных котлов-

утилизаторов, применения судовых и авиационных технологий;

• разработка перспективных технологических трактов топлива, тепловой и электрической энергии на базе перспективных моделей рационального энергопользования, энергосбережения и экологической безопасности;

• разработка и исследование технологий и процессов для создания научного и технологического задела по созданию критических узлов перспективных

• энергетических машин, материалов и средств их защиты от высокотемпературной коррозии, эрозии, охлаждения рабочих лопаток, материалов для энергетического оборудования на сверх-критические параметры пара;

• обеспечение надежности и живучести сложных электроэнергетических систем, применение новых современных решений в области автоматизации управления качеством электроэнергии;

• повышение эффективности технологий добычи, переработки и использования энергоносителей и создание перспективных схем региональной и малой энергетики базе использования вторичных энергоресурсов;

• разработка способов и средств снижения отходящей тепловой энергии и утилизация ее в промышленных объемах с преобразованием в электрическую и тепловую энергию;

• изыскание и разработка способов использования нетрадиционных технологий преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую и тепловую с более высоким потенциалом, с использованием тепловых насосов и фреоновых турбин;

• создание средней и малой энергетики работающей на принципе вихревого эффекта.

Для исключения потерь тепловой энергии, при передачи на значительные расстояния от ТЭЦ к потребителям, преобразовывать ее в электрическую в фреоновых турбинах. Передача электрической энергии на значительно большие расстояния сопряжена с меньшими потерями, чем передача на то же расстояние тепловой энергии. Для преобразования электрической

энергии в тепловую, на месте потребления, создаются преобразующие вихревые установки имеющие КПД от 1,3 до 8.

На основании изложенных аргументов можно полагать, что в первом столетии третьего тысячелетия тепловой катаст-рофы можно избежать или хотя бы в некоторой мере ослабить тепловое влияние на тропосферу и биосферу.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Евгений Александрович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Тарасова М.В. - Московский государственный горный университет.

© Е.П. Щербакова, 2003

УАК 658.567.1

Е.П. Щербакова

К ВОПРОСУ О РЕКУЛЬТИВАЦИИ

ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Проблема размещения техногенных отходов является на сегодняшний день ключевой в ряде геоэкологических проблем горнопромышленных комплексов. Основным критерием «чистоты» природопользования является хранение отходов с учетом путей их дальнейшей ассимиляции в биосфере.

Деградация окружающей среды вследствие захоронения и складирования отходов предопределена сутью горно-обогатительного производства: для

производства 1 т меди нужно извлекать из недр 100 т руды и практически те же 100 т складировать в виде хвостов в хвостохранилища.

Из общего земельного фонда Российской Федерации, оцениваемого в 1709,8 млн га, предприятия добывающей и перерабатывающей промышленности, энергетики занимают земли площадью 2,7 млн га [1]

Складирование же твердых бытовых отходов на открытых полигонах с 2005 г. в странах ЕС будет запрещено.

В структуре нарушенных земель более 40% общей площади занимают земли, нарушенные при добыче полезных ископаемых открытым способом, занятые гигантскими объемами техногенных образований в виде отвалов пустых пород и некондицион-

ных руд, хвосто- и шламохрани-лищ, золоотвалов ТЭЦ и ГРЭС и шлакоотвалов.

В среднем при добыче 1 млн т угля нарушается от 3 до 43 га земель, железной руды - от 14 до 600 га, марганцевой руды - от 76 до 600 га, известняка - от 60 до 120 га, фосфоритов - от 22 до 77 га. Самая высокая земле-емкость добычи угля на разрезах Кузбасса, она достигает при добыче 21,2 га на 1 млн т и при от-валообразовании - 25,3 га.

Рекультивация является одной из актуальнейших проблем при ликвидации предприятий. Темпы при этом остаются низкими. Так, за 2000 г. рекультивировано 208, 34 га земель, или 2,1% общей площади, подлежащей рекультивации согласно проектам ликвидации угольных шахт и разрезов. Всего с начала ликвидации рекультивировано 9,1% проектного объема [1].

Объемы нарушаемых и рекультивируемых нарушенных земель в горнодобывающих отраслях промышленности в целом по России представлены в таблице, причем более 50% нарушенных земель заняты под размещение горнопромышленных отходов.

В последние годы в сферу влияния геоэкологии вошло понятие "эстетики пейзажа", прочно занимающее позиции в горной практике Германии [2]. В ФРГ принципы обустройства и рекультивации нарушенных территорий основаны на интеграции объекта в ландшафт. Вредный для пейзажа и равновесия ландшафта фактор превращают, по меньшей мере, в