Функціонування природно-промислових систем

ЛЕКЦІЯ 4

ІНЖЕНЕРНА ЕКОЛОГІЯ

Функціонування ППС засноване на принципах обміну речовиною, енергією або інформацією між її структурними одиницями в результаті процесу суспільного виробництва. Залежно від виду й характеру виробництва, специфіки його технології взаємозв'язок цих видів обміну із природними процесами може мати форму взаємодії, впливу та дії.

Взаємодія. Із природним середовищем взаємодія відбувається при будь-якому виді виробництва. Інтенсивність взаємодії визначається кількістю ресурсів, якими обмінюються підприємство і природне середовище в процесі функціонування.

Тому одне із завдань інженерної екології полягає у визначенні інтенсивності взаємодії, ступеню його раціональності та комплексності. Всі структурні одиниці будь-якої ППС перебувають у постійній взаємодії, тому лише за умови урахування та використання процесів цієї взаємодії можна забезпечити достатню повноту і раціональність використання природних ресурсів та оптимальний рівень якості природного середовища, підвищення продуктивності екологічних систем і ефективності виробництва.

Обмін речовиною, енергією та інформацією між структурними одиницями ППС здійснюється в результаті ведення виробничих технологічних процесів. При цьому із природного середовища добуваються речовини та енергія, які безпосередньо або в зміненому вигляді служать ресурсами виробництва і беруть участь у створенні продукту праці (продукції). Крім продукту виділяються відходи та викиди. Речовини та енергія у вигляді відходів і викидів надходять у природні процеси; подальша участь у створенні продукції природного процесу визначається їхніми властивостями й характером природних процесів.

Тому при інженерно-екологічному аналізі взаємодії виробництва та природного середовища необхідно виділити весь процес, який можна назвати природно-технологічним. Такий процес зображений на схемі 1.

Результатом взаємодії технологічного і природного процесів є їх спільна продукція, що і буде продукцією природно-технологічного процесу ППС. Ефективність останнього оцінюють за обсягом сумарної продукції з урахуванням заданої якості компонентів природного середовища.

Кількість речовини та енергії, які надходять у природний процес, у загальному випадку можна встановити шляхом складання рівняння матеріального та енергетичного балансу технологічного процесу:

Схема 1. Природньо-технологічний процес.

М_р = М_пр + М_вв; Е_в = Е_вп + Е_вс, (1)

де М_р – маса речовин, які беруть участь у технологічному процесі;
М_пр - маса речовин, які входять у продукцію технологічного процесу;
М_вв – маса речовин, які складають відходи та викиди; Е_в – кількість енергії, що вводить у технологічний процес; Е_пр – кількість енергії, витраченої на виробництво продукції; Е_вс – кількість енергії, що виділяється в природне середовище.

Хімічний склад речовини і види енергії при завершенні процесу визначаються складом речовин і видами енергій на початку процесу, вони залежать також від характеру хімічних перетворень речовин і виду перетворень енергії.

Наступним етапом аналізу є складання рівняння матеріального балансу природного процесу для визначення його продуктивності:

М_п + М_вв= М_пр + М_кв. (2)

Тут М_п – маса речовин, які втягуються у природний процес із природних компонентів; М_вв – маса речовин, які надходять із технологічного процесу в природний; М_пр - маса речовин, які входять до складу продукції природного процесу; М_кв – маса речовин, які беруть участь у кругооберті.

Аналогічним образом можна скласти рівняння енергетичного балансу природного процесу:

Е_п + Е_вс = Е_пр + Е_кр, (3)

де Е_п – кількість енергії, що вводить у виробничий процес;
Е_вс – кількість енергії, що виділяється в природне середовище; Е_пр – кількість енергії, затрачуваної на виробництво продукції; Е_кр – кількість енергії, що бере участь у кругооберті.

Ефективність функціонування ППС визначається якісними і кількісними показниками ефективності використання ресурсів та їх станом. Ресурсами в ППС є всі речовини і види енергії, які беруть участь у природно-технологічному процесі та входять до складу продукції або сприяють її виробництву. Виходячи зі структури та загальних принципів функціонування ППС, можна виділити наступні види ресурсів:

· матеріальні;

· енергетичні;

· екологічні;

· трудові.

Використання балансового методу для їх аналізу і визначення якісних і кількісних характеристик необхідних для оцінки ефективності розглянемо на прикладі аналізу матеріальних ресурсів гірничовидобувного виробництва (схема 2).

Схема 2. До складання рівняння матеріального балансу гірничо-видобувного виробництва.

Матеріальні ресурси можна поділити на:

· головні;

· допоміжні;

· супутні.

По рівнянню матеріального балансу можна розрахувати витрату ресурсів за одиницю часу або на одиницю продукції, що випускається. По кожному виду ресурсів визначають його обсяг, що залишає технологічну лінію в складі готової продукції, а також втрати з викидами та відходами виробництва.

Дефіцит балансу характеризує невраховані втрати матеріальних ресурсів. Для конкретного виду ресурсу формула матеріального балансу має вигляд:

М_вх = М_пр + М_від + М_втр, (4)

де М_вх, М_пр, М_від, М_втр – модулі ресурсу відповідно на вході в процес, у готовій продукції, у вловлених або заскладованих відходах (рідких, твердих, газоподібних) та у втратах, які утворяться при викидах в атмосферу, виносі речовин з відвалів, хвостосховищ, у промстоках і т.ін.

Аналіз вираження матеріального балансу дозволяє одержати дані для оцінки ступеню впливу і дії виробництва на природне середовище та ефективності використання ресурсів.

Можна розрахувати коефіцієнт ефективності для окремих елементів головних, допоміжних, супутніх ресурсів з виразу

α_i = M_i^прод / М_і^вх, (5)

α_j = M_j^прод / М_j^вх, (6)

α_k = M_k^прод / М_k^вх, (7)

де i, j, k – кількість головних, допоміжних і супутніх ресурсів відповідно. Наведені коефіцієнти можуть бути сумарними:

α_∑гл = М_∑гл^прод / М_∑гл^вх, (8)

α_∑доп = М_∑доп^прод / М_∑доп^вх, (9)

α_∑суп = М_∑суп^прод / М_∑суп^вх. (10)

Використання природних ресурсів у технологічних процесах виробництва та у природно-технологічному процесі характеризується наступними показниками:

· інтенсивністю використання;

· ступенем використання;

· ефективністю використання.

Показники інтенсивності використання відображають кількість природних ресурсів, які надійшли в технологічний процес за одиницю часу (м³/с, г/с, т/рік) або вийшли з технологічного процесу.

Показники ступеня використання характеризують величину ресурсу в продукції від загального надходження ресурсу в процес (умовн. од.).

Показники ефективності (умов. од.) визначаються шляхом порівняльної оцінки величин показників інтенсивності і ступеню використання з нормативними значеннями, кращими, досягнутими в галузі, країні, світі.

Деякі матеріальні ресурси можуть бути повторно або неодноразово задіяні в технологічних процесах. Тоді виробництво стає замкненою системою без виходу цих ресурсів у природне середовище. За таким принципом створюються безвідхідні виробництва.

На підприємствах споживаються різноманітні види енергії, отримані безпосередньо на місці їх використання або передані від «джерела». Різноманіття видів і форм виробничих енергетичних ресурсів, їх відмінність від природних видів енергії визначають особливості потоків енергії в ППС. Ступінь перетворення енергії залежить від виду первинних енергетичних ресурсів і характеру виробництва.

У загальному випадку первинні ресурси беруть участь у технологічному процесі або в готовому вигляді (наприклад, електроенергія), або у вигляді енергетичної сировини (вугілля для котельні і т.ін.).

Загальний енергетичний потенціал енергоресурсів (умов. од.) може бути розрахований за рівнянням

П_о^Е = k₁Е₁ + k₂Е₂ +... k_nЭ_n, (11)

де k₁, k₂,..., k_n – коефіцієнти переведення в умовні одиниці поступаючих речовин і енергій; Е₁, Е ₂, Е ₃ – кількості вступників енергетичних ресурсів.

Баланс різних видів енергії буде дорівнювати

П_о^Е – Q_пр^Е – Q_всп^Е – Q_ВЕР^Е =0. (12)

Загальний енергетичний потенціал П_о^Е використовується для одержання основного продукту і здійснення допоміжних процесів. Ефективність використання П_о^Е залежить від співвідношення кількостей різних видів енергії, витрачених на виробництво основного продукту (Q_пр^Е), допоміжні цілі (Q_всп^Е) і від кількості вторинних енергетичних ресурсів, які утворилися, ( Q_ВЕР^Е).

Якщо сумарний потенціал енергетичних ресурсів повністю витрачається на основні і допоміжні процеси, то коефіцієнт ефективності використання енергетичних ресурсів максимальний і дорівнює одиниці. Однак, як правило, витрачається тільки частина енергоресурсів, що визначається коефіцієнтом корисної дії установок (електричних, механічних і т.д.). Тому кількість енергетичних ресурсів, витрачених на одержання продукту, розраховується за виразом

Q_пр^Е = ∑ККД_iП^Е_i = ∑ П_оi^Е- ∑ Q_ВЕР^Е_i, (13)

де ККД_i – коефіцієнт корисної дії i-ї енергетичної установки; П_оi^Е – потенціал i-го енергетичного ресурсу, використовуваного в даній енергетичній установці; ∑ Q_ВЕР^Е_i – сума вторинних енергетичних ресурсів, які утворилися в процесі виробництва.

Тому, чим більше вторинних енергетичних ресурсів, що утворились, тим менше ефективність використання енергетичних ресурсів. Резервом збільшення ефективності є не тільки підвищення ККД установок, але й можлива утилізація використання ВЕР шляхом переведення їх до розряду енергетичних ресурсів виробництва.

Інтенсивність, ступінь та ефективність використання енергетичних ресурсів визначаються за аналогією із цими показниками для матеріальних ресурсів.

Процес обміну речовинами та енергією між виробництвом і природним середовищем, тобто процес їх взаємодії, призводить до появи в природних компонентах нових речовин та енергії, які виділилися з технологічного процесу. Частково ці речовини та енергія включаються в природні процеси і не призводять до якісних змін природного середовища. Такий процес функціонування ППС і називають взаємодією. Якщо речовини, які виділилися і енергії викликають якісні та кількісні зміни природних компонентів, то такі процеси функціонування ППС називають впливом або дією залежно від інтенсивності цих змін.

Розглянемо такий процес функціонування ППС як вплив.

Дата добавления: 2015-05-24