Классификация, ресурсы и рациональное использования сырья

Сырьём называются природные материалы, используемые в производстве промышленной продукции. Сырьё – это основной элемент производства, от которого в значительной степени зависят экономичность производства, выбор технологии и аппаратуры и качество производимой продукции.

В химическом производстве на различных стадиях переработки можно выделить следующие материальные объекты: исходные вещества или собственно сырьё, промежуточные продукты (полупродукты), побочные продукты, конечный целевой (готовый) продукт и отходы.

 

 

                                                                                             [побочный 

                                                                                             продукт]

[Сырьё]          [полупродукт-1]         [полупродукт-2]                  

    [отходы-1]               [отходы-2]                                            

                                                                                                [ГОТОВЫЙ

                                                                                           ПРОДУКТ]

 

Полупродуктом называется сырьё, подвергшееся обработке на одной или нескольких стадиях производства, но не потреблённое в качестве готового целевого продукта. Полупродукт, полученный на предыдущей стадии производства, может быть сырьём для последующей стадии, например:

[Каменный уголь] [Обработанный коксовый газ] [Водород] [Амиак]

Побочным продуктом называется вещество, образующееся в поцессе переработки сырья наряду с целевым продуктом, но не являющееся целью данного производства. Побочные продукты, образующиеся при добыче или обогащении сырья, называются попутными продуктами.

Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующихся в производстве и полностью или частично утративших свои качества.

Сырьём для химической промышленности служат продукты горно-рудной, нефтяной, газовой, коксохимической, лесной и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, чёрной и цветной металлургии. Всё химическое сырьё подразделяется на группы по происхождению, химическому составу, запасам и агрегатному состоянию (схема ниже).

минеральное

не возобновляемое

возобновляемое

органическое

неорганическое

газообразное

жидкое

ХИМИЧЕСКОЕ СЫРЬЁ

           

     по агрегатному

          состоянию

 

        по химическому

        состоянию

 

 

        по видам

рудное

        запасов

 

			нерудное

горючее

растительное и животное

вода

воздух

                    по происхождению    

 

 

Химическое сырьё также принято делить на:

- первичное (извлекаемое из природных источников)

- вторичное (промежуточные или побочные продукты промышленного производства и потребления, отходы)

и на:

- природное

- искусственное (полученное в результате промышленной обработки природного сырья).

К веществам, используемым в качестве химического сырья, предъявляется ряд общих требований. Сырьё для химического производства должно обеспечивать:

- малостадийность производственного процесса;

- агрегатное состояние системы, требующее минимальных затрат энергии для создания оптимальных условий протекания процесса;

- минимальное рассеяние подводимой энергии;

- минимальные потери энергии с продуктами;

- возможно более низкие параметры процесса (температура, давление) и расход энергии на изменение агрегатного состояния реагентов и осуществление химико-технологического процесса;

- максимальное содержание целевого продукта в реакционной смеси.

В себестоимости продукции химической промышленности доля сырья достигает 70%. Поэтому проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче актуальна.

В химической промышленности в качестве сырья используются соединения более 80 элементов. Эти элементы, входящие в состав земной коры, которая является источником химического сырья, распределены в ней не равномерно по природе, концентрации и географическому размещению.

Количественной характеристикой распространённости элементов в природе служит кларк, величина, выражающая в массовых и атомных процентах, или в граммах на тонну содержание данного элемента в земной коре (Табл. 1).

 

Табл. 1 Кларки некоторых элементов

Кларк

	Элемент
О2	Si	Al	Fe	Ca	Na	Mg	K	H2
% масс	49,13	26,0	7,45	4,20	3,25	2,40	2,35	2,35	1,00
г/т ·10-3	473	291	81	46,5	33	25,3	17	25	1,3

 

Из табл. 1 следует, что всего 9 элементов составляют более 98% массы земной коры; на все остальные элементы приходится всего 1,87%. Содержание углерода, представляющего основу жизни и составляющего основную часть горючих ископаемых, составляет только 0,35% массы земной коры.

Все ресурсы химического сырья подразделяются на запасы, то есть выявленные и изученные ресурсы и на потенциальные ресурсы. В свою очередь по степени изученности и пригодности к эксплуатации запасы сырья делятся на три категории.

К категории А относятся запасы, детально разведанные и подготовленные к разработке. К категории В относятся запасы, установленные в результате геолого-разведочных работ. В категорию С включены запасы, определённые по результатам геофизической разведки и изучения по естественным обнаружениям.

Возможность использования сырья в химической промышленности определяется его ценностью, доступностью и концентрацией полезного компонента.

Ценность сырья зависит от уровня развития технологии и задач, стоящих перед производством и существенно меняется со временим.

Доступность сырья определяется географическим расположением запасов, глубиной залегания, разработанностью промышленных методов извлечения. Отсутствие эффективных методов (цианидного, ртутного) не позволяло в прошлом успешно извлекать золото из рассеянных месторождений.

Существенное влияние на возможность использования запасов сырья оказывает концентрация полезного элемента. Многие элементы при относительно высокой концентрации в земной коре рассеяны, что затрудняет их использование в качестве химического сырья. Тем не менее в промышленности в целом и химической – в частности, характерна историческая тенденция использовать всё более распространённое сырьё, выраженная в правиле Вернадского, согласно которому «кларки промышленности стремятся к кларкам планеты».

Запасы основных видов сырья в СССР в % от мировых запасов выражались следующими цифрами: торф 60, калийные соли 60, фосфаты 33, древесина 33, ископаемые угли более 50, нефть 6 – 10, различное минеральное сырьё 25. В настоящее время на долю РФ падает 45% мировых запасов газа и 23% ископаемых углей. Существенным недостатком сырьевой политики России является сохранение структуры экспорта, в которой 40,2% составляет топливо и 10,5% рудное сырьё, и всего 4,1 % продукты переработки сырья, хотя известно, что стоимость продукции прогрессивно возрастает с учётом с углублением переработки сырья.

Высокая доля сырья в себестоимости химической продукции, быстрое истощение запасов сырья (мировая добыча минерального сырья за первую половину ХХ века выросла в 3,4 раза), удорожание процессов добычи его (за последние годы себестоимость добычи нефти выросла в 2 раза, угля в 1,5 раза, природного газа в 2,5 раза) выдвинули две задачи:

- разработку объективной оценки скорости исчерпывания запасов химического сырья;

- рациональное использование химического сырья.

1. Количественной характеристикой скорости исчерпывания запасов сырья предложено считать «индекс использования резервов» (ИИР), который представляет процент расходования данного вида сырья в год. Чем выше ИИР, тем, очевидно, больше скорость расходования сырья, т.е.

t_{исчерп.} = 100/ИИР,

где: t_исчерп – время исчерпывания запасов сырья в годах.

ИИР зависит от численности населения и возрастает с его увеличением. В табл. 2 представлены значения ИИР и соответствующее им время исчерпывания ресурсов основных видов химического сырья, рассчитанные для численности населения 3,56 · 10⁹ человек (графа I) и 10 · 10⁹ человек (графа II).

Табл. 2 Индекс использования ресурсов и время использования ресурсов.

Вид ресурса	ИИР		Время, год
	I	II	I	II
Уголь	0,05	0,10	2000	1000
Нефть	3,10	18,90	32	5,3
Фосфаты	0,06	0,30	1650	333
Железо	0,40	1,20	250	83
Алюминий	0,90	2,50	111	40
Уран	2,30	5,80	43,5	17,3

 

Из данных таблицы следует, что разведанные запасы многих видов сырья могут быть исчерпаны уже при жизни ближайших поколений.

2. Основными направлениями рационального использования химического сырья являются:

- применение более дешёвого сырья (местного, с минимальными затратами на добычу);

- использование вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления, побочных продуктов других производств);

- использование менее концентрированного сырья (бедных руд);

- комплексная переработка сырья, т.е. метод, при котором в максимальной степени извлекаются и используются все ценные компоненты, содержащиеся в сырье.

Комплексное использование сырья позволяет приблизиться к решению важнейшей задачи химической технологии – свести к минимуму технологические потери сырья и полностью использовать отходы производства. Это позволяет расширить сырьевую базу, увеличить, объём производимой продукции, снизить затраты сырья и энергии, а также в значительной степени снизить загрязнение окружающей среды промышленными выбросами. Комплексное использование приводит к сокращению капитальных вложений в производство, снижению себестоимости продукции и улучшению всех технико-экономических показателей производства.

Рециркуляция сырья, т.е. вторичная переработка выработавших срок эксплуатации, вышедших из строя и морально устаревших изделий. Наиболее успешно рециркуляция осуществляется для металлов в виде переплавки скрапа, электрохимического извлечения ценных металлов из лома электронной аппаратуры и др. Значительно труднее поддаются рециркуляции полимерные материалы, в том числе каучуки и пластмассы. Как правило, они перерабатываются в изделия вторичного назначения.

 Рециркуляция сырья позволяет значительно снизить скорости исчерпания природных ресурсов при том же значении ИИР. Так, например, если время исчерпания железа без рециркуляции составляет 250 лет, то при степени рециркуляции 50% оно возрастает до 580 лет, а при степени рециркуляции 80% уже до 1330 лет. Для большинства металлов степень рециркуляции колеблется от 5 – 10% (вольфрам, алюминий) до 30 – 45% (медь, железо, свинец, серебро) и зависит от эффективности используемой технологии регенерации.